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李恋，李录芬，杨仲曹，张侠挺，沙策
（浙江安防职业技术学院，浙江 温州 325016）
随着我国经济的快速发展，大气污染问题日益得到人们的广泛关注。2021 年12 月15 日，生态环境部、国家发展和改革委员会和工业和信息化部等18 部门联合印发《“十四五”时期“无废城市”建设工作方案》。《工作方案》指出，到2025 年，主要大气污染物排放量大幅降低，无害化处置能力得到有效保障[1]。长期以来，工业烟气的排放一直是大气污染的一个主要原因。湿法烟气处理技术由于反应速度快、脱除效率高、不易结垢等优点，逐渐成为工业烟气处理的一个重要手段[2]。喷淋塔作为湿法烟气处理的核心，其内部流场对于脱除效率及运行成本有着重要影响。
当前国内外对烟气处理喷淋塔都进行了一些相关研究，主要集中在喷淋塔的工艺参数[3]，尺寸[4]及结构[5]等。薄佳燕[6]等人研究了有无喷淋对于塔内烟气流场的影响。马如[2]等人发现喷淋塔内的阻力受到喷淋层数的影响最为显著。杨丁[7]通过在吸收塔进出口处设置导流板，使塔内流场得到了明显改善。此外，当前国外对于喷淋塔所涉及的烟气脱硫机理及浆液液滴的运动方面亦有研究[8-9]，而国内的相关研究则不多见。
本文利用Ansys Fluent 进行数值模拟，对某湿法烟气处理喷淋塔内的流场进行了研究，分析了喷淋浆液、入口角度、喷淋粒径大小及速度对塔内流场的影响，从而对工程实践提供一定的指导意义。
以某项目湿法烟气处理喷淋塔为研究对象，其简化的物理模型及各尺寸参数如图1 所示（其中θ为烟气入口角度）。为简化计算，根据研究重点，作出如下假设：
图1 喷淋塔物理模型Fig.1 Physical model of spray tower
（1）浆液池液面设为静止液面，忽略液面起伏变化带来的影响；
（2）忽略喷嘴上方除雾器对塔内流场产生的影响；
（3）忽略喷嘴自身对塔内流场的影响，模拟时采用坐标喷淋的方式；
（4）忽略浆料和烟气之间的化学反应及浆料的蒸发作用。
2.1 烟气连续相湍流模型
本文将烟气视为连续、定常、不可压缩流体，采用标准的k-ε模型，湍流黏性系数为：
其中，等式右端项分别表示生成项、耗散项及壁面项。各常数的值如下：
Cμ= 0.09，cε1= 1.45，cε2= 1.92，σk= 1.0，σε= 1.3，Prt= 0.9
雷诺应力的涡黏性：
式中us——平行于壁面的流动速度。
2.2 液滴离散项模型
本文中浆液所采用的模型为DPM 离散项模型：
式中 右端第一、二项分别表示单位颗粒质量所受阻力、流体对液滴颗粒的重力项，N；
fx——附加加速度项，m/s2；
u、up——分别为连续相速度及颗粒速度，m/s；
ρp——液滴颗粒密度，kg/m3。
2.3 初始条件及边界条件
根据该项目实际使用场景，烟气的密度为0.95 kg/m3，黏度为2.04×10-5pa·s，浆液的流量为10 kg/s，密度为1 126 kg/m3。喷淋塔壁面定义为无滑移壁面，液滴在壁面处设置为escape，在浆液液面处定义为trap。烟气入口处为压力入口，表压25 Pa，出口处为压力出口，表压为0。喷雾液滴粒径定义为0.001 m。本文建立喷淋塔的二维模型，坐标系如图1 所示。利用ICEM 软件进行网格划分，整个模型均采用了四边形网格。
3.1 喷淋浆液对塔内流场的影响
在未加喷淋与加入喷淋两种情况下分别进行模拟，塔内烟气迹线如图2 所示。通过对比，显然加入喷淋后迹线发生明显变化。相较于未加喷淋，加入喷淋后右上角的大涡旋消失，左下角的涡旋状况有明显改善，塔内流线变得比较均匀。另外，在未加喷淋时，烟气直接冲击壁面，不利于烟气的脱除。出现这种现象的原因主要在于，在喷淋浆液的作用下，进入塔内的高速烟气被迫减速，从而使得高速气流带收窄，不能形成“封闭区域”，涡旋减弱。还有少量的烟气流向浆液池液面，受阻后改变方向，与撞击塔壁的气流“对冲”，从而削弱了对塔壁的冲击。总的来说，喷淋的浆液具有改善塔内流场的作用。
图2 两种情况下塔内流场迹线Fig.2 Flow field trace in the tower under two conditions
3.2 入口角度对塔内流场的影响
烟气入口角度作为实际生产中易于控制的结构参数，本文选择45°、60°、75°及90°四个不同的角度，对塔内流动效果进行模拟研究。图3 为不同烟气入口角度下塔内速度分布，可以看出，整体而言，不同入口角度下，速度分布规律整体趋于一致，差异主要在左侧壁面附近处。在烟气入口角度为45°和60°时，左侧壁面附近速度波动较大，而对于75°和90°入射时，情况则有明显改善。进一步观察，可以发现，烟气入口角度为75°时，速度分布整体比较均匀，速度变化范围较90°更窄，总体速度值低于90°入射时，这将导致烟气在塔内停留时间更长，有利于提高脱除效率。因此，综合来看，烟气的入口角度不宜过小，设置在75°附近较为合适，本文后续均采用75°作为烟气入口角度进行研究。
图3 不同烟气入口角度下y = 18 m 处塔内速度分布Fig.3 Velocity distribution in the tower at y = 18 m under different flue gas inlet angles
3.3 喷淋液滴粒径对塔内流场的影响
喷淋的液滴粒径对塔内烟气的减速至关重要。因此，本文选择喷淋液滴粒径为1 mm、1.5 mm、2 mm 三种情况，对塔内流场进行模拟研究。图4 ～ 5反映了不同液滴粒径下，浆液粒子运动的时间及质量浓度分布云图。随着粒径的增加，浆液粒子的运动时间从3.06 s 逐渐下降至2.18 s，而塔内浆料浓度整体分布较为均匀，最大浓度维持在6.1 kg/ m3左右。一般情况下，液滴粒径越小，与烟气接触面积越大，热湿交换效果越好，但是从图4 ～ 5 来看，浆液粒径越小，其“逃逸”的数量越多，且存在进入烟道的可能，会对烟道的防腐层造成破坏。因此，综合来看，为保证浆液的停留时间，同时避免对烟道造成破坏，粒径宜选取在1.5 ～ 2 mm 之间，本文后续均采用1.8 mm粒径进行研究。
图4 浆液粒子运动的时间（s）Fig.4 Time of slurry particle movement （s）
图5 浆液粒子质量浓度（kg/m3）Fig. 5 Slurry particle mass concentration （kg/m3）
3.4 喷淋液滴速度对塔内流场的影响
有研究[10]表明，合适的喷淋液滴速度对于喷淋塔的性能具有较大影响。因此，本文选择喷淋液滴速度为3 m/s、5 m/s 及7 m/s 三种情况，对塔内流场进行模拟研究。图6 ～ 7 反映了不同液滴速度下，浆液粒子运动的时间及塔内流场迹线。随着喷淋液滴速度的增大，浆液粒子的运动时间从2.44 s 逐渐下降至2.14 s，而在此过程中浆液粒子运动轨迹及场内流场总体变化不大，只在速度为7 m/s 时，左下角处涡旋情况有所改善。这主要是因为当喷淋浆液速度较大时，使得烟气湍流流动增强，气液之间撞击现象更加严重，从而使得气流无法形成“闭环”。另外，考虑到流速的增加有利于气液两相间的热湿交换。因此，结合3.3 节喷淋液滴粒径的影响，在工程实际中可通过适当增大喷淋液滴粒径及流速的方法改善喷淋塔的性能，减少烟气回流区，提高塔内空间利用率。
图6 浆液粒子运动的时间（s）Fig.6 Time of slurry particle movement （s）
图7 液滴速度对烟气流场分布的影响（m/s）Fig.7 Influence of droplet velocity on flue gas flow field distribution （m/s）
（1）喷淋浆液对塔内流场具有整合作用。在未加入喷淋浆液时，塔内流场中存在多个大涡旋，流速分布不均匀，有烟气“短路”现场。加入喷淋浆液后，塔内的高速气流被迫减速，使得塔内流场分布较为均 匀。
（2）烟气入口角度对塔内速度分布具有重要影响。通过对不同烟气进口角度下的塔内流动进行数值模拟，发现烟气入口角度设置过小时，塔内烟气速度波动范围广，当入口角度为75°时，塔内气液两相流动较为稳定，流速比较均匀。
（3）喷淋液滴粒径大小对其在塔内的停留时间具有较大影响，且对喷淋液滴的“捕捉”影响较大。应尽量控制液滴粒径在1.5 ～ 2 mm 之间时，可保证浆液的停留时间，同时避免对烟道造成破坏。
（4）喷淋液滴速度具有一定的整合流场的作用。应尽量控制喷淋液滴速度在7 m/s，同时结合控制合适的液滴粒径大小，以此在保证停留时间的基础上，减少烟气回流区，提高塔内空间利用率。
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