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旋 直复合流化对脱硫塔内粘壁问题的影响 ＊ 崔 琳 1,2 张立强 1,2 马春元 1 宋占龙 1 董 勇 1 齐国杰 1 1.山东大学能源与动力工程学院, 济南 250061; 2.山东大学机械工程学院博士后流动站, 济南 250061 摘要 采用激光相位多普勒颗粒分析仪 3D -PDA 测试了新型内旋 直复合流化方式下循环流化床烟气脱硫塔内与粘壁 有关的气-液-固三相参数, 试验证明 旋 直复合流化能够提高塔中下部特别是近壁处的气固切向速度及气固间相 对切向滑移速度, 增强扰动, 同时提高脱硫塔中下部特别是近壁处的固体颗粒浓度, 有利于促进液滴或含湿颗粒的高 效利用和快速干燥, 减轻粘壁; 旋 直复合流化下液滴在塔内的分布变化也证明旋流风对促进液滴干燥、减轻粘壁的积 极作用; 旋流风量的增加对近壁处液滴的干燥速度及固体颗粒浓度的影响表明, 旋流风量占总流量的 16左右合适。 关键词 旋 直复合流化; 旋流风; 脱硫塔; 粘壁 EFFECT OF THE SWIRLING -STRAIGHT FLOW COMPOSITE FLUIDIZATION MODE ON WALL STICKING IN CFB-FGD TOWER Cui Lin1 ,2 Zhang Liqiang1 ,2 Ma Chunyuan1 Song Zhanlong1 Dong Yong1 Qi Guojie1 1. School of Energy and Power Engineering, Shandong University , Jinan 250061, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shandong University , Jinan 250061, China Abstract The gas -liquid -solid parameters relating to wall deposition of droplets or aqueous particle in CFB -FGD tower have been studied under the condition of swirling -straight flow composite fluidization mode by means of 3D -PDA.The results indicate that the gas -solid tangential velocity , relative tangential slippage velocity and disturbance are enhanced, and the solid particle concentration is also increased in the middle and lower part of tower, especially near to the wall of tower, which is beneficial to rapid dryness and reducing wall sticking of the droplets or aqueous particles. The helpful effect of the swirling -straight composite fluidization mode on reducing wall sticking of droplets and aqueous particle is also proved by the droplets distribution under this fluidization mode. According to the effect of swirling flow volume increase on droplets drying velocity and solid particle concentration, it is appropriate that swirling flow volume accounts for 16 of total volume. Keywordsswirling -straight flow composite fluidization; swirling flow; desulfurization tower; wall sticking ＊“十一五”国家科技支撑计划重点项目 2006BAA01B04 。 0 引言 半干法烟气脱硫技术具有低成本 、 低费用、低耗 水和较高脱硫效率等优点 ,非常适用于中小机组和老 机组的脱硫及改造, 发展前景较好 ; 然而 ,由于半干法 烟气脱硫塔内高浓度的循环灰和大量水的喷入 , 在 系统运行中常常存在塔内粘壁并导致结垢的问题 ,严 重时造成装置停运。因此 ,如何避免或减轻吸收塔内 粘壁 , 是循环流化床烟气脱硫研究的一个重要课题。 脱硫塔内粘壁现象的主要原因是液滴或含湿颗 粒在尚未达到表面干燥之前便与塔壁接触而粘附于 塔内壁上面。关于半干法烟气脱硫过程中的粘壁问 题的研究相对较少, 已有的研究主要集中在喷嘴的优 化设计 、 运行参数的优化等方面 [ 1- 5] , 而通过塔内构件 的合理布置 ,优化组织塔内流场实现雾化液滴、脱硫 剂高效利用 ,则有望成为避免或减轻粘壁问题的另一 有效途径。据此 ,有研究者提出采用反应器壁面附近 的气流速度高于中央区域气流速度的贴壁风或环形 文丘里流化装置有利于抑制液滴或含湿颗粒的粘壁 现象 ,但只是进行了初步的定性分析或模拟研究 [ 6 -8] , 并且他们研究的主要是直流风 ,对旋流风研究的非常 少,而有旋流动具有切向速度高、 扰动作用强烈、 混合 与传热传质快速的优点 [ 9-10] , 因此, 采用旋切流动可 能对减轻粘壁更为有利。 本文通过激光相位多普勒颗粒分析仪 3D- PDA 测试了旋 直复合流化下循环流化床烟气脱硫塔内气 69 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 固两相流的切向流动规律及塔内固体颗粒浓度,分析 其对液滴与含湿颗粒干燥及粘壁的影响 ,并通过测量 塔内液滴的分布进行验证 ; 研究结果对工业应用中减 轻循环流化床脱硫塔内的粘壁问题具有指导意义 。 1 实验系统及测试方法 1. 1 实验系统 实验系统如图 1 所示。脱硫塔主体高度 H 2. 8 m ,直径 D 300 mm ,主体前后壁面均装有条形玻 璃窗口, 便于 3D-PDA 的测量; 脱硫塔喉口采用套筒 设计 ,经过喉口的烟气分为两路,中心为直流 ,套筒和 脱硫塔内壁面之间的烟气沿夹层通道上升,经过渐扩 段之后在导流板的作用下切向进入 , 形成切向旋流, 达到旋 直复合流化的目的 ; 整个系统配有温度可控 的电加热器,可通过电加热空气的方式为系统提供热 模拟烟气 。 图 1 实验系统 切向导流板是保证形成稳定旋流的关键 ,结构如 图2 所示。在夹层和切向入口尺寸一定的情况下 ,切 向入口的数量决定旋流段的阻力和旋流的流量,可以 通过改变切向入口数量来调节旋流流量 ,实验中切向 入口有 6 个 ,并可根据需要关闭全部或部分入口, 因 此旋流段兼具流量调节的作用 , 当机组负荷变化, 入 塔烟气流量降低时, 可关闭部分旋流入口以保证直流 流化速度 。 增湿降温喷嘴安装在距脱硫塔入口渐扩段上端 1. 2D 的位置 , 采用美国喷雾公司生产的 JAC-SU22B 型双流体雾化喷嘴, 喷水量通过烟气的热平衡计算来 确定, 并通过控制水路和气路的压力来调节 ; 喷嘴雾 化的液滴粒径分布如图 3所示。 图2 导流板结构 图 3 喷嘴雾化粒径分布 1. 2 测试方法及实验条件 实验中气固流场及液滴分布采用 3D-PDA 进行 无接触的测量, 其中气固相的测量采用球形玻璃微珠 作为示踪粒子, 玻璃珠密度为2 300 kg m 3 , 平均粒径 45 μ m,折射率 1. 51, 球形度大于 90。数据分析时 取粒径 0 ～ 10 μ m的颗粒作为气相示踪粒子, 10 ～ 150 μ m颗粒作为颗粒相示踪粒子; 液滴场直接采用 3D- PDA 对喷嘴雾化的液滴进行测量, 分析时取粒径 大于10 μ m的液滴分布表示液滴场 。测试时每个测试 点采样数据3 000个, 限时120 s; 为保证数据分析的可 靠性 ,对于数据率较低的测点 ,采样时间适当延长 。 由于液滴在运动中不断蒸发,其颗粒数目不断减 少,在颗粒数较少时难以测出浓度数据 , 因此采用更 易获得的且重复性较好的“液滴有效数据率”来表示 液滴的浓度 。“有效数据率”是指 PDA 每秒采集到的 有效粒子数量; 在塔内流速变化不大的情况下, 其变 化趋势与粒子浓度的变化趋势一致 ; 而玻璃珠在运动 中自身特性不发生变化, 颗粒浓度满足测量要求, 故 数据处理中采用相对颗粒浓度来表示。 测点位置采用相对比值表示 ,相对半径“r R”表 示截面测点距截面中心点距离与塔半径的比值,相对 高度“H D”表示轴向测点距渐扩段上端的距离与塔 直径比值。 实验中旋 直复合流化设定三种工况 无旋流 、 间 隔开 3 个旋流口 图中表述为“3 旋流口” 、开 6 个旋 流口 图中表述为 6旋流口 ,实验工况下旋流流量占 70 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 总风量的比值分别为 0、 16、 23 左右。 2 实验结果及分析 2. 1 气固切向流场的变化及对粘壁的影响 与直流流化方式相比,旋 直复合流化中旋流风的 加入最明显的特点便是增强了塔内切向流动的速度 。 图4为脱硫塔入口颗粒浓度58 g m 3 、 平均气速1. 1 m s 左右时不同工况下塔内气固相相对切向速度分布 相 对切向速度是指切向速度与平均气速的比值 。 a 无旋流; b3 旋流口; c6 旋流口 图4 不同工况下脱硫塔内气固切向速度分布 由图 4 可知, 无旋流时 ,截面上随着相对半径的 增加切向速度变化较小, 轴向上随高度的增加切向速 度的变化趋势也不明显; 随着切向旋流风的引入, 在 旋转动量的作用下 ,气固切向速度发生明显变化 在 半径方向上 ,脱硫塔中心切向速度较低 , 随着相对半 径的增大,切向速度不断增大, 在 r R 0. 8～ 0. 9 处 达到最大值,之后由于壁面效应的影响又逐渐减小; 在轴向上, 受气流阻力影响 ,切向速度沿轴向不断衰 减,但直到 H D ≥ 3 后, 切向速度才基本为零; 随着切 向旋流风量的增大 ,旋转动量也随之增大 ,旋流影响 区域呈逐渐增加趋势, 但增加并不明显 ; 与无旋流相 比,有旋流时气固之间的相对滑移速度也有所增加 。 从含湿颗粒或液滴的干燥角度分析, 旋流的引 入,增大了塔内特别是近壁处的扰动强度 ,增强了传 热传质效率 ,对含湿颗粒或液滴的干燥非常有利; 而 根据 K.Masters [ 11] 提出的在有相对速度下液滴的蒸发 传热传质方程看 ,液滴干燥的传质和传热系数随 Re 的增大而增大, 而对 Re 起直接影响的 ,可认为是相对 速度, 因此塔内相对滑移速度的增加, 也有利于液滴 传热传质的进行 ,有利于液滴的干燥 。 另外, 旋流风的存在 ,能够在壁面附近形成作上 旋运动的气体保护层 ,该气层对含湿颗粒或液滴向脱 硫塔壁面的运动起一定的阻碍作用 ; 再者 ,塔中心的 直流本身对液滴有束流作用, 能够把伞状的液滴束流 成圆弧状, 而旋流风进一步使弧状雾滴边缘向内弯曲 并旋转 ,增加颗粒在塔内的停留时间, 能够促进液滴 干燥的进行 。 2. 2 流场变化下的液滴分布 为验证旋流对液滴干燥的实际影响 ,在入口温度 155 ℃、 喷水量9 L h时对不同工况下的液滴分布进行 了测量; 根据气固切向流场分析,在半径方式上,切向 速度在 r R 0. 8 ～ 0. 9处达到最大值, 因而此处是旋 流对液滴影响最大的区域, 而且此处靠近壁面, 液滴 浓度的大小也直接关系到粘壁问题发生的轻重 , 因 此,首先测试了此处及附近液滴的轴向浓度分布, 结 果如图5 所示。 71 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 a r R 0 . 6; b r R 0 . 8; cr R 0. 93。 图5 不同相对半径下液滴在轴向上的分布 由图 5 可知 ,在 r R 0. 6～ 0. 93 的范围内 ,在各 个高度上 ,有旋流时近壁处液滴浓度明显小于无旋流 时,充分证明旋流的加入对增强液滴的传热传质、促 进干燥非常有利 , 从而有力证明旋 直复合流化方式 能有效减轻粘壁问题 ; 从图 5 中还可看出, 液滴沿高 度分布是一个从无到有、从少到多然后又逐渐减少的 过程 ,分析认为 ,受喷嘴喷雾特性的影响 ,液滴的蒸发 干燥过程同时也是一个沿轴向不断向径向方向扩散 的过程 ,初始由于受雾化角的限制, 液滴主要集中于 喷嘴附近 ,不能有效扩散到边壁,因此, 边壁处液滴浓 度较小 ,随着雾化角的不断延伸, 液滴喷射半径越来 越大, 喷射到壁面附近的液滴浓度越来越高 ,另一方 面,液滴雾化越来越均匀 ,蒸发也越来越迅速 ,液滴浓 度不断变小 ; 开始时扩散速度大于蒸发速度 ,壁面附 近液滴逐渐增加 ,当两者达到一个平衡后 ,蒸发速度 开始大于扩散速度 ,壁面液滴浓度又开始逐渐减少; 图5 中有旋流的情况下液滴达到平衡的相对高度要 略小于无旋流的情况, 即旋流的存在提高了蒸发速 度,从而证明旋流能够促进液滴蒸发的进行。 为分析液滴在整个塔内的分布变化 ,实验中也测 试了不同相对高度下液滴在径向上的分布,图 6为液 滴扩散与蒸发达到平衡后各高度上液滴在径向上的 分布, 从图 6 中可知, 旋流的存在从整体上提高了脱 硫塔内液滴的干燥速度, 这主要是由于旋流提高了塔 内的湍动度 ,促进了传热传质的进行, 从而提高了液 滴的干燥速度; 虽然旋流风量的增加有利于液滴的更 快干燥,但是近壁处液滴的浓度随旋流风量的增加变 化非常小, 这点与旋流的增加对气固切向流场的影响 规律相一致 ,另外, 考虑到塔中心附近液滴蒸发速度 过快 ,并不利于中心区域高速液相脱硫反应的进行, 因此, 实际应用中建议采用开 3 旋流口的风量 旋流 占总风量的 16 即可 。 a H D3. 2; bH D3. 7; c H D 4. 7。 图6 不同相对高度下液滴在径向上的分布 2. 3 固体颗粒浓度的变化及对粘壁的影响 实验中测试了脱硫塔入口颗粒浓度为58 g m 3 , 平均气速1. 1 m s左右 , 不同工况下塔内固相颗粒的 平均相对颗粒浓度变化 相对颗粒浓度定义为测量点 的颗粒数浓度与无旋流时塔内平均颗粒数浓度的比 值 , 结果如图 7 所示 。 由于旋流的加入 ,脱硫塔中下部的悬浮空间出现 稳定的旋转流场 ,且随着高度的增加不断衰减 。对应 轴向分布, 在切向速度的最大值处, 轴向速度基本处 于最低值, 因此该处出现颗粒的悬浮层 , 这一方面造 成颗粒在离心力的作用下被分离到壁面而形成内循 环,一方面造成颗粒在局部的悬浮, 延长了颗粒的停 留时间,使得脱硫剂在脱硫塔主反应区与烟气充分接 72 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 触,有利于提高脱硫剂的利用率。脱硫塔内形成了中 心直流,近壁区域颗粒悬浮,壁面回流的流动特性 ,物 料在塔内形成了稳定的内循环 ,塔内各截面平均相对 颗粒浓度得到很大提高, 特别是近壁处 , 浓度增加更 为明显。 大量颗粒循环, 一方面能够使液滴更为均匀的分 散到颗粒上 ,避免形成过湿颗粒, 有利于水分的有效 利用 ,另一方面 ,近壁处颗粒浓度过高, 能够形成保护 层,防止液滴粘附于壁面 ,而且对壁面有一定的冲刷 作用 ,这些都有利于减轻或防止粘壁。 其他操作条件相同的情况下 , 关闭一半旋流口 后,由于旋流比的降低,导致中心直流流量增加,流速 增加 ,同时旋流流量降低 ,旋流引起的离心效应减弱, 因此脱硫塔内颗粒浓度降低, 中心低浓度区增加, 壁 面高浓度区有所减小 ,但影响幅度相对较小, 因此 ,从 固体颗粒浓度的变化考虑 ,也建议实际应用中采用开 3 个旋流口 旋流流量占总流量的 16 便可 。 a 沿相对高度的变化; b沿相对半径的变化 图 7 不同工况下塔内固相颗粒浓度的变化 3 结论 1 旋 直复合流化能够提高塔中下部特别是近壁 处的气固切向速度, 提高气固间的相对切向滑移速 度,增强扰动,从而能够增强传热传质, 有利于液滴或 含湿颗粒的干燥 ,减轻粘壁问题。 2 旋 直复合流化下液滴在塔内的分布变化进一 步证明旋流风对促进液滴干燥 、减轻粘壁的积极 作用 。 3 旋 直复合流化能够提高脱硫塔中下部特别是 近壁处的固体颗粒浓度, 这对均匀分散液滴 、 促进液 滴的高效利用和快速干燥有利 ,而且壁面附近高浓度 的颗粒能够冲刷壁面并形成壁面颗粒保护层 ,防止液 滴粘壁。 4 旋流风量从占总风量的 16增加到 23, 对 液滴在近壁处的干燥速度及塔内固体颗粒浓度的影 响不大 ,建议实际应用中旋流风量占总流量的 16 左右即可。 参考文献 [ 1] 王乃华, 骆仲央, 岑可法. 半干法烟气脱硫喷嘴的雾化特性研 究[ J] . 燃料化学学报, 2003, 31 4 333 -336. 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