船用煙氣脫硫塔噴淋系統數值模擬研究

陳建華，豆少剛，李金波，王麗娟，孫冬來，何義明，陳萌萌

（1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070；2.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518）

當前國際貿易額的70%以上、國際貿易量的80%以上都是通過海運實現的［1］，盡管新能源行業在蓬勃發展，但是航運燃料仍以化石能源為主。船舶排放廢氣中含有大量氮氧化物、硫化物、顆粒物、多環芳烴和揮發性有機物，對人類健康和海洋環境構成嚴重威脅［2-3］。針對船舶廢氣污染問題，國際海事組織（IMO）制定了《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL 公約），其附則VI 提出的控制船舶廢氣排放途徑有3 種，包括使用低硫燃料、替代燃料和船舶廢氣處理，其中船舶廢氣處理具有成本低、可操作性好等優勢，是當前解決船舶廢氣的最佳途徑［4］。船舶廢氣處理常用濕法海水脫硫技術，脫硫塔是該技術的關鍵設備，脫硫塔內噴淋系統的合理設計對脫硫效果的影響十分顯著。

郭浩等［5］對影響脫硫塔內流場的噴霧粒徑、流場和溫度進行了研究。金張良［6］對影響脫硫塔內流場的噴淋方式、入口煙氣流速、噴嘴角度等進行了實驗研究。FANG ZENG 等［7］采用標準湍流模型和粒子路徑模型對脫硫塔內的溫度場進行了研究，發現塔內存在煙氣塔壁堵塞、流場分布不均、煙氣出口溫度過高等問題，通過數值模擬進行了優化設計。Tian H J 等［8］分析研究了脫硫塔入口距塔頂部1 m、2 m、3 m 時的流場分布，結果表明入口距頂部1 m 時有利于流場的分布及壓降的減小。實際工程經驗也表明，脫硫效率達不到要求的主要原因為脫硫噴淋霧化效果差。文中選取對噴嘴霧化效果影響顯著的噴淋錐角、噴淋流速和噴淋流量進行分析研究。

1 煙氣脫硫塔模型簡化與基本假設

某型號船用煙氣脫硫塔為噴淋吸收塔。實際運行時，塔內離散相（固體顆粒、增濕水、霧化水）體積占比小于10%?；诖?，采用計算流體動力學軟件Fluent 中DPM（Discrete Phase Model）離散相模型模擬顆粒相的運動軌跡并將其與氣相流場耦合。

塔內氣液兩相流動伴隨著復雜的化學反應和傳熱傳質過程，若同時考慮所有因素，建模和計算的難度都較大。在綜合考慮研究的主要目標和模擬結果的準確性要求后，對脫硫噴淋塔塔內氣液兩相流動做出5 條假設與簡化［9-13］，①假設煙氣在脫硫塔內部的流動為穩態流動。②將真實煙氣簡化為理想空氣，將海水簡化為水。③不考慮噴頭、管道及其他內部構件對氣液流動產生的影響。④忽略噴淋液滴之間的碰撞、破碎、聚合作用以及液滴蒸發特性。⑤不考慮氣液間發生的化學傳質反應及塔壁面的熱傳遞。

2 煙氣脫硫塔數值模型

2.1 基本控制方程

脫硫塔內氣液兩相流動涉及傳質過程和傳熱過程，同時遵守質量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程［6］。

質量守恒方程為：

式中：ρ 為流體的密度，t 為時間，u、v、w 為依次為x、y、z 方向的速度分量。

基于脫硫塔內部煙氣的穩態流動假設可知，煙氣密度ρ 是一個不隨時間變化的常數，則式（1）簡化為：

動量守恒方程為：

式中：p 為流體微元上的壓強，τxx、τyx、τzx、τxy、τyy、τzy、τxz、τyz、τzz為黏性應力分量，Fx、Fy、Fz為流體微元體上的體力，若體力只含重力，而且z 軸正方向豎直向上，則Fx=0、Fy=0、Fz=-ρg。

能量守恒方程為：

式中：T 為溫度，cp為比定壓熱容，K 為傳熱系數，ST為黏性耗散項［14］。

2.2 湍流模型

煙氣脫硫塔內部的氣液兩相流動為湍流流動，并且通常伴有復雜的旋流。當煙氣由進氣口流入洗滌區，高速流動的煙氣會受到塔壁的阻礙，之后會沿著塔壁向上流動，并在向上流動的過程中與噴嘴噴射出的小水滴發生碰撞。小水滴帶有一定的速度，與煙氣接觸后會形成小渦旋。Fluent軟件中Standard k-ε 湍流模型在模擬旋流和帶有彎道的流道時會產生失真，而Realizable 湍流模型對Standard k-ε 湍流模型的旋流和帶有彎道流動進行了修正，模擬時準確度更高。故本文煙氣脫硫塔噴淋系統的模擬選擇Realizable k-ε 湍流模型［15-16］。

2.3 噴嘴模型

煙氣脫硫塔采用噴嘴向塔內噴淋洗滌液，由噴嘴噴射出的洗滌液具有一定的速度且會形成大量的小液滴，這些小液滴碰撞塔壁面會產生液膜，發生破碎、反彈等作用，同時液滴之間也會發生碰撞破碎與聚合等現象。Fluent 軟件中的DPM 模型提供了豐富的噴射入口類型，本文根據脫硫塔內真實噴嘴的噴射工況，選擇錐形入射噴嘴進行數值模擬。

2.4 求解與離散方法

采用有限體積法對煙氣脫硫塔內部氣液兩相流動進行數值模擬。Fluent 提供了基于壓力和基于密度的2 種求解器。依據脫硫塔洗滌系統中的流體均視為不可壓縮流體假設，求解器選用壓力基。Fluent 提供了4 種流場耦合求解算法，包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO、Coupled。依據脫硫塔內氣液兩相流數值模擬為穩態模擬假設，選用SIMPLE 流場求解耦合算法?？刂品匠痰碾x散采用具有二階精度的迎風格式。

3 煙氣脫硫塔物理模型建立與驗證

3.1 物理模型

以某船用煙氣脫硫塔結構為原型建立煙氣脫硫塔實體三維物理模型。為方便計算，將除霧器模型舍棄，得到的簡化后結構及參數見圖1a。利用SCDM（Space Claim Direct Modeler）軟件按照1:1 建立的煙氣脫硫塔三維實體模型見圖1b。

圖1 煙氣脫硫塔結構及物理模型

脫硫區域主要由進口區、洗滌區及出口區三個部分組成，煙氣從底部進口進入脫硫塔，經進氣通道流入洗滌區，洗滌區有2 個噴淋層，噴淋層相互交錯分布，每個噴淋層開設9 個噴嘴。噴嘴模型基本參數見表1［17］。

表1 煙氣脫硫塔噴嘴模型基本參數

當煙氣進入洗滌區，噴嘴中噴灑的噴淋液與煙氣將發生力的作用與傳熱傳質等理化之間的耦合反應，從而將煙氣中的硫氧化物等污染物去掉，被除掉硫氧化物的煙氣通過除霧器將煙氣中的水蒸氣過濾后通過出口區排放至大氣中。

脫硫塔內的工作介質為空氣和水?？諝獾臏囟葹?00 ℃，密度為1.225 kg/m3，動力黏度為1.789 4× 10-5Pa·s。水的溫度為25 ℃，密度為998.2 kg/m3，比定壓熱容為4 182 J/ (kg·K)。脫硫塔的核心工作區域在洗滌區，本文選擇脫硫塔洗滌區作為氣液流動特性研究對象［6］。

3.2 邊界條件

煙氣脫硫塔模型模擬邊界條件設置為，①煙氣入口采用速度入口，入口煙氣速度根據煙氣流量和入口面積計算出為10 m/s，速度方向與煙道平行，溫度為300 ℃。離散相邊界條件設為escape。②煙氣出口采用壓力出口，壓力設定為大氣壓，取值0.1 MPa。離散相邊界條件設為escape。③塔壁設為絕熱壁面，即煙氣與漿液之間的傳熱過程與壁面無關。離散相邊界條件設為Trap。

3.3 流場均勻性評判標準

氣流分布均勻性是影響船用煙氣脫硫系統脫硫效率的主要因素［18］。脫硫塔內部氣體流動一般以標準速度偏差為流場分布均勻性評價指標，進而評判脫硫效率［19-20］。

式中:σ 為特征截面上速度標準偏差；vi為特征截面上各節點速度的數值，為特征截面上各節點的平均流速的數值，單位m/s；n 為特征截面上網格節點個數。

模擬時選擇高度h 為3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、5 500、6 000 mm 的7 個塔截面數據計算標準速度偏差，用計算結果衡量3 個關鍵參數對塔內流場均勻性的影響。

3.4 網格劃分及無關性驗證

利用ANSYS 自帶軟件Fluent meshing 軟件對煙氣脫硫塔三維實體模型進行網格劃分?？紤]到脫硫塔塔體較為簡單，對脫硫塔主體部分進行六面體結構化網格劃分。為了得到準確的模擬結果，對模型的邊界層采用多面體非結構網格劃分。為了驗證煙氣脫硫塔模型的合理性，并綜合考慮計算資源與時間成本，對模型進行網格無關性驗證。通過控制網格單元的最小尺寸與最大尺寸，將其分為15 mm 和20 mm、20 mm 和25 mm、25 mm 和30 mm、30 mm 和35 mm、35 mm 和40 mm 等5 種不同疏密程度的網格，模擬計算脫硫塔7 個不同截面流速的標準偏差均值，得到煙氣脫硫塔網格劃分和無關性驗證結果，見圖2。

圖2 煙氣脫硫塔網格劃分和無關性驗證結果

由圖2b 可以看出，當網格單元最小值與最大尺寸為25 mm 和30 mm 時計算結果趨于平穩，說明該尺寸控制的模型網格能滿足本次數值模擬的需求。

4 煙氣脫硫塔模擬研究與結果分析

4.1 研究方法選擇

選擇可靠性較高的響應曲面法（Response Surface Methodology，RSM）進行煙氣脫硫塔模型模擬數據的分析和優化。RSM 是一種試驗條件尋優方法，適宜于非線性數據的處理，它囊括了試驗設計、建模、檢驗模型的合適性、尋求最佳組合條件等眾多試驗。通過對因素水平的設計、過程的回歸擬合、響應曲面、等高線的繪制，可方便地求出各因素的響應值，在各因素水平響應值的基礎上可以找出預測的響應最優值以及響應的試驗條件。其優點是，①在考慮了試驗隨機誤差的同時還將復雜的未知函數關系在小區域內用簡單的一次或二次多項式模型來擬合，計算比較簡便，是解決實際問題的有效手段。②在試驗條件尋優過程中，可以對試驗各個水平進行連續分析，所獲得的預測模型是連續的，而正交試驗只能對一個個孤立的試驗點進行分析，相比之下可靠性更高。

4.2 RSM 優化試驗設計

響應面分析的試驗有多種，最常用的為Box-Behnken Design（BBD）- 響應面優化分析。在船用煙氣脫硫塔噴淋系統中，噴嘴錐角、噴淋流速、噴淋流量是3 個關鍵參數，對脫硫塔的脫硫效率起主要影響作用。采用Design Expert 軟件中BBD 試驗方法針對煙氣脫硫塔噴淋系統中噴淋錐角、噴淋流速和噴淋質量流量設計三因素三水平響應面分析試驗，結果見表2?；诒? 設計了17 組試驗方案，結果見表3。

表2 煙氣脫硫塔響應面分析試驗因素水平設計

表3 煙氣脫硫塔響應面分析方案及試驗結果

4.3 數值模擬試驗結果及分析

4.3.1 縱向截面

選取模擬試驗結果中具有代表性的01 號試驗方案（表3 中第1 組）的煙氣脫硫塔縱向中截面速度場模擬結果（圖3）進行分析。由圖3 中的脫硫塔中面截面速度分布和塔內液滴運動軌跡可知，當煙氣以10 m/s 的速度從入口流入脫硫塔內時，首先與入口對面的塔壁發生了碰撞，隨后沿塔壁向上流動，同時與噴淋的液滴接觸進行了熱量交換。

圖3 01 號試驗方案時煙氣脫硫塔縱向中截面氣流速度場模擬結果

4.3.2 橫向截面

選取模擬試驗結果中具有代表性的01 號試驗方案（表3 中第1 組）的煙氣脫硫塔橫向不同高度h 截面氣流速度場模擬結果（圖4）進行分析。

圖4 01 號試驗方案時煙氣脫硫塔不同高度橫向截面氣流速度場模擬結果

由圖4 可知，不同橫向截面流速分布規律相似，均由左邊壁面向右邊壁面依次降低，這是因為煙氣入口流速較大的緣故。其中，h=4 000 mm 截面脫硫塔左壁面處的煙氣流速最大。

4.4 響應面試驗結果及方差分析

煙氣脫硫塔響應面試驗得到的截面速度標準偏差結果見表3。對表3 的數據進行二次響應面回歸模型方差分析，結果見表4。

由表4 可知，煙氣脫硫塔模型的F 值為24.07，P 值為0.000 2，說明只有0.02%的可能性不適用于該模型，該模型設定合理。P 值小于0.05 即可表示該模型顯著。表4 中，方差項A、B、C、AC、BC、A2、C2對應的P 值均小于0.05，表示模型中的A、B、C、AC、BC、A2、C2值均為顯著。該模型的判定系數R2為0.968 7，說明截面速度標準差由噴淋流速、噴淋錐角、噴淋流量引起的變異至少有96.87%，從統計學上說明該模型的設計具有可靠性。綜上所述，經過對該模型的F 值、P 值以及判定系數R2的分析，說明該模型擬合度好，可以作為真實的實驗點來對數據進行試驗研究。

5 煙氣脫硫塔噴淋系統參數優化與驗證

5.1 優化方法選擇

選擇遺傳算法進行煙氣脫硫塔噴淋系統參數的優化。遺傳算法是基于自然選擇和遺傳理論，將生物進化過程中 “適者生存、優勝劣汰的進化規則”與“群體內部染色體信息隨機交換的機制”相結合的高效全區域尋優搜索算法。遺傳算法按照進化論，把待解問題（截面速度標準偏差最小值）中的可能解（噴淋流速、噴淋錐角和噴淋流量3 個因素的可能取值）當做群體的某個個體，并對其進行編碼，對群體反復進行遺傳、交叉和變異等操作。遺傳算法流程見圖5。

圖5 遺傳算法流程示圖

5.2 方法應用及結果評價

5.2.1 數據回歸分析

對煙氣脫硫塔噴淋系統中噴淋流速、噴淋錐角、噴淋流量3 個變量因素依次表示為符號x1、x2和x3，各截面流速標準偏差均表示為y。采用Design Expert 軟件對試驗數據進行二次回歸分析，得到簡化后的目標函數關系式及其約束條件如下：

Miny(x)=-0.772 575+0.396 219x1+0.07 9 11×x2x3-0.000 573x1x2+0.101 825x1x3+0.009 103x2x3-0.030 469x12-0.000 269x22-0.265 800x32

上式中x1∈(4,8)、x2∈(90,120)、x3∈(0.5,1.5)。

5.2.2 優化結果及其驗證

利用Matlab 軟件中的遺傳算法工具箱對上述目標函數關系式進行優化計算，求取最小截面流速標準偏差均值目標函數下對應的噴淋流速、噴淋錐角及噴淋流量數值，得到截面流速標準偏差均值隨遺傳代數變化曲線，見圖6。

圖6 遺傳算法目標函數優化結果

利用Fluent 對優化后的煙氣脫硫塔噴淋系統3 參數數值進行模擬驗證，結果見表5。

表5 影響因素優化值與驗證值比較

由表5 可知，當各截面流速標準偏差均值最小時，噴淋流速為4 m/s，噴淋錐角為90°，噴淋質量流量為1.5 kg/s，結合前文對3 個因素設定的取值范圍可知，噴淋流速與噴淋錐角均為最小值，而噴淋質量流量為最大值。這是因為當噴淋流速越大時，噴淋液滴與煙氣在塔內接觸或碰撞時對塔內流場造成的擾動越大。當噴淋錐角變大時，部分噴淋液滴與脫硫塔壁面接觸而未與塔內煙氣碰撞造成煙氣的流動不均勻程度隨之增加。當噴淋質量流量不斷增加時，噴淋液滴的數量隨即增加，液滴與煙氣的接觸面積不斷增大，因而塔內煙氣流場的均勻性越好，與真實工況吻合。

用優化值真實度評價優化結果可靠性。優化值真實度= 優化值/ 驗證值×100%，用表5 數據計算的優化結果真實度為97.40%，說明得到的Matlab 遺傳算法優化結果可靠。

6 結束語

噴淋系統是煙氣脫硫塔的重要功能結構。提高噴淋效果是提高煙氣脫硫塔脫硫效率的重要條件和途徑。噴淋流速、噴淋錐角和噴淋流量是影響噴淋效果的主要因素，這3 個因素的影響具有交互性，需要采取多因素多水平試驗方法進行研究。文中以甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司特色產品船用煙氣脫硫塔為基礎模型，綜合運用Design Expert 軟件、ANSYS 軟件中的BBD 試驗方法、SCDM 建模、Fluent meshing 網格劃分、Fluent 數值模擬驗證等方法和功能完成了船用煙氣脫硫塔噴淋系統數值模擬、二次響應面回歸模型方差分析、目標函數優化以及優化結果的驗證研究，形成了完整的研究方法，獲得了可靠的研究結果，可為船用煙氣脫硫塔的設計和應用提供理論依據和參考。