雙接觸式液柱塔壓力特性研究

方立軍，常艷超，武 生，胡月龍

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

雙接觸式液柱塔壓力特性研究

方立軍，常艷超，武 生，胡月龍

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

通過(guò)對(duì)雙接觸式液柱塔塔內(nèi)床層壓降進(jìn)行試驗(yàn)研究，回歸了液柱塔干阻壓力損失計(jì)算公式。分析了不同管道布置情況下液柱塔床層壓降特性，發(fā)現(xiàn)床層壓降隨著液氣比的增大而增大，煙氣流量增大對(duì)塔體霧化床層高度具有一定推動(dòng)作用。相同液氣比和相同液柱塔高下，床層壓降隨著噴嘴數(shù)量的增加而增大。

雙接觸；液柱塔；床層壓降；液氣比

0 引言

在濕法煙氣脫硫技術(shù)中，雙接觸式液柱噴射煙氣脫硫是最先進(jìn)的一種，具有氣液交融更強(qiáng)烈、效率更高、處理量大、易控制和成本低等特點(diǎn)。

方立軍［1］等提出雙接觸式液柱塔霧化過(guò)程由撞擊霧化和碰壁霧化組成，分析了這兩個(gè)過(guò)程的霧化機(jī)理，并對(duì)霧化高度理論公式進(jìn)行了修正，修正之后的理論值和實(shí)際值基本吻合。萬(wàn)偉［2］對(duì)雙接觸式液柱塔液滴粒徑分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究，基于試驗(yàn)液滴部分特征尺寸提出了利用最大熵理論對(duì)液滴粒徑進(jìn)行預(yù)估，預(yù)估與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。何蘇浩［3］對(duì)下落液滴對(duì)SO2吸收進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬，試驗(yàn)結(jié)果表明，表面更新作用對(duì)于低濃度的強(qiáng)堿的吸收有顯著影響。浙江大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了液柱沖擊煙氣脫硫技術(shù)，即在液柱塔上部增加設(shè)置擋板撞擊破碎脫硫漿液柱，將漿液霧化為細(xì)小液滴，增大氣液接觸面積，提高煙氣脫硫效率。并利用PIV技術(shù)研究了液柱沖擊塔內(nèi)操作參數(shù)對(duì)液滴尺寸及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，認(rèn)為液滴霧化粒徑遵循 Rosin-Rammler分布［4，5］。

對(duì)于雙接觸式液柱塔的研究，前人進(jìn)行的理論分析以及試驗(yàn)大多集中在液柱塔的霧化機(jī)理以及傳質(zhì)吸收部分，而對(duì)床層壓降則較少涉及。而床層壓降是雙接觸液柱塔氣液兩相流霧化研究的重要流動(dòng)特性參數(shù)，也是工程應(yīng)用中主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一，涉及到對(duì)脫硫風(fēng)機(jī)的選取和整個(gè)脫硫系統(tǒng)的性能評(píng)估［6］。本文通過(guò)對(duì)雙接觸液柱塔試驗(yàn)研究，分析管道布置、煙氣流速、液氣比對(duì)液柱塔床層壓降的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。液柱射流塔高為1 750 mm，底截面為長(zhǎng)方形，尺寸為120×100 mm2。分別在距離塔底330 mm以及355 mm的位置錯(cuò)列布置3列與4列管徑為0.01 m的有機(jī)玻璃管，每只管子上面布置5個(gè)噴嘴。廢水收集部分是一個(gè)500×500×500 mm3的有機(jī)玻璃方盒，其底部分別連出兩個(gè)管道用于水量的排出，保證液面的平穩(wěn)，阻礙氣流流出反應(yīng)塔，從而保證參加反應(yīng)的空氣流量與氣體流量計(jì)讀數(shù)相吻合。

試驗(yàn)過(guò)程中，三種管道布置方式如圖2所示。試驗(yàn)采用微壓計(jì)對(duì)雙接觸式液柱塔塔體壓力進(jìn)行測(cè)定，依次在液柱塔塔體從下至上530 mm，630 mm，730 mm，830 mm，930 mm，1 030 mm，1 130 mm，1 230 mm，1 330 mm處開(kāi)9個(gè)測(cè)孔。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 無(wú)液柱射流時(shí)液柱塔床層壓降

圖3是無(wú)液柱射流時(shí)液柱塔的床層壓降。

圖3 無(wú)液柱射流時(shí)液柱塔床層壓降Fig.3 Pressure dropof liquid-column tower without jet

由圖3可以看出，不同煙氣速度下，液柱塔的阻力損失也不同，當(dāng)煙氣速度為3.5 m／s時(shí)，液柱塔阻力損失為6 Pa，液柱塔阻力損失隨著煙氣流速的增大而增大。當(dāng)氣體速度達(dá)到14.7 m／s時(shí)，阻力損失為15 Pa。根據(jù)液柱塔塔體結(jié)構(gòu)，將液柱塔看作一個(gè)內(nèi)部光滑的直管。由流體力學(xué)計(jì)算公式可得

將式 （1）代入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算ζ＝0.054 2，因此雙接觸式液柱塔干阻壓力損失計(jì)算公式為

2.2 液柱射流時(shí)床層壓降

2.2.1 噴嘴數(shù)量為15時(shí)液柱塔床層壓降

噴嘴布置方式如圖2（a）所示，以距離塔底部330 mm處布置三組管徑為10 mm的有機(jī)玻璃管，其中每?jī)晒苤g距離20 mm，兩側(cè)管分別距離塔壁30 mm，管上分別布置5個(gè)噴嘴，其距離分布為15 mm，20 mm，20 mm，20 mm，20 mm，35 mm。其床層壓降變化趨勢(shì)如圖4。

從圖4可以看出，不同液氣比下，液柱塔床層壓降也不同，隨著液氣比增大，液柱塔床層壓降也增大。床層壓降變化的主要原因在于氣液之間劇烈的湍流作用，上升過(guò)程中其速度逐漸減小，由壓力速度關(guān)系式p1v1＝p2v2可知塔內(nèi)混合物的運(yùn)動(dòng)速度減小，則壓強(qiáng)呈現(xiàn)增大狀態(tài)。液柱塔床層壓降在某一高度急劇增大，這與試驗(yàn)觀察到的液柱塔霧化床層高度相吻合。因此這一高度正是液柱達(dá)到最高點(diǎn)開(kāi)始霧化時(shí)的床層高度。當(dāng)氣流量從100 m3／h增大到150 m3／h，發(fā)現(xiàn)液柱塔的霧化床層高度升高，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是氣流量增大對(duì)液柱塔塔體霧化床層高度具有一定的推動(dòng)作用造成的。

2.2.2 噴嘴數(shù)量為20時(shí)液柱塔床層壓降

噴嘴布置如圖2（b）所示。距離塔底部355 mm處布置4組管徑為10 mm的有機(jī)玻璃管，每?jī)晒苤g距離20 mm，管上分別布置5個(gè)噴嘴，其距離分布為35 mm，20 mm，20 mm，20 mm，20 mm，15 mm。按照設(shè)計(jì)工況其床層壓降變化趨勢(shì)如圖5。

對(duì)比圖5（a）和圖4（a）兩圖，可以發(fā)現(xiàn)相同液氣比和相同液柱塔高下，床層壓降隨著噴嘴數(shù)量的增加而增大。如液氣比qL／qg＝0.003，液柱塔高為630 mm，噴嘴數(shù)量為15個(gè)時(shí)，床層壓降為22 Pa；當(dāng)噴嘴數(shù)量為20個(gè)時(shí)，床層壓降增大到32 Pa。同樣當(dāng)液氣比qL／qg＝0.002，液柱塔高為830 mm，床層壓降由噴嘴數(shù)量為15個(gè)時(shí)的25 Pa，增大到噴嘴數(shù)量為20個(gè)時(shí)的37 Pa。液氣比增加，實(shí)質(zhì)是煙氣氣體速度相對(duì)減小。液體動(dòng)量相對(duì)增加，氣液碰撞形成的湍動(dòng)減弱。與圖4相比，圖5同樣出現(xiàn)了霧化床層高度隨著氣流量增大而增高的情況，這也是氣流增大對(duì)霧化床層高度推動(dòng)作用造成的。

2.2.3 噴嘴數(shù)量為35時(shí)液柱塔床層壓降

噴嘴布置如圖2（c）所示。以距離塔底部355 mm及330 mm處，分別布置3組及4組管徑為10mm的有機(jī)玻璃管 （如圖6）。

在圖6中可以發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴數(shù)目增多，同一液柱塔高度的床層壓降進(jìn)一步增大，液氣比qL／qg＝0.003時(shí)，液柱塔塔高630 mm處的床層壓降增大至37 Pa。通過(guò)圖6（a）、（b）兩圖發(fā)現(xiàn)床層壓降曲線呈現(xiàn)了三個(gè)區(qū)間：緩慢增長(zhǎng)區(qū)間、急速增長(zhǎng)區(qū)間和穩(wěn)定區(qū)間。與前兩種管道布置情況不同的是，在床層曲線急速上升區(qū)間后，出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間。原因在于噴嘴數(shù)目的增加，不僅增大了噴液的范圍，而且不可避免的在塔體內(nèi)部增加了障礙，阻礙了氣流通過(guò)。

綜上三種管道布置情況下的床層壓降試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)同一液柱塔高度的床層壓降增大，可以通過(guò)增大噴嘴數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)噴嘴數(shù)目增多，更容易在較低的液柱塔高度下實(shí)現(xiàn)射流霧化。

3 結(jié)論

（1）發(fā)現(xiàn)液柱塔干阻壓力損失，隨著煙氣流速增加而增大?；貧w了無(wú)液柱射流時(shí)液柱塔干阻壓力損失計(jì)算公式。

（2）分析了不同噴嘴組合下液柱塔床層壓降特性，發(fā)現(xiàn)床層壓降隨著液氣比的增大而增大。氣流對(duì)塔體霧化床層高度具有一定推動(dòng)作用。相同液氣比和相同液柱塔高下，床層壓降隨著噴嘴數(shù)量的增加而增大。

（3）液柱塔床層壓降與噴嘴數(shù)目有關(guān)，當(dāng)噴嘴數(shù)量增加到一定時(shí)，床層壓降曲線會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定區(qū)間。

［1］方立軍，常艷超，胡月龍，等.液柱塔霧化特性研究［J］.電力科學(xué)與工程，2012，28 （2）：46-50.

Fang Lijun，Chang Yanchao，Hu Yuelong，et al.Study on atomization performance of liquid column tower［J］.Electric Power Science and Engineering，2012，28 （2）：46-50.

［2］萬(wàn)瑋.液柱式濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中液柱噴射性能研究［D］.北京：清華大學(xué)，2003.

［3］何蘇浩.下落堿性液滴對(duì)酸性氣體吸收的試驗(yàn)與建模［D］.北京：清華大學(xué)，2002.

［4］程峰.液柱沖擊塔濕法煙氣脫硫的試驗(yàn)與理論 ［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［5］王君，高翔，郭瑞堂，等.液柱沖擊塔霧化特性的試驗(yàn)研究 ［J］.熱能動(dòng)力工程，2006，21 （3）：275-278，282.

Wang Jun，Gao Xiang，Guo Ruitang，et al.Experimental study of the atomization characteristics of a liquid-column Impingement tower ［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2006，21 （3）：275-278，282.

［6］Thomas W，Wadie F Gohara.Experimental approach and techniques for the evaluation of wet flue gas desulfurization scrubber［J］.Chemical Engineering Science，1994，49 （24A）：4667-4679.

Pressure Characteristics of Double-contact Liquid Column Tower

Fang Lijun，Chang Yanchao，Wu Sheng，Hu Yuelong
（School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Dry resistive pressure loss formula of liquid-column tower is complied by studying bed pressure dropin the dual-contact liquid-column tower through test.It analysed pressure dropcharacteristics of the liquid-column tower bed under the condition of different piping arrangement，found that the pressure dropincreases as the liquid-gas ratio increases.To a certain extent，the increase of flue gas flow rate plays a promoting role on the height of the spray bed of tower body.Under the conditions of the same liquid-gas ratio and the same height of the liquid-column tower，the bed pressure dropincreases as the number of nozzles increases.

double contact；liquid-column tower；pressure drop；liquid-gas ratio

T M621.9

A

2012－05－23。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目 （916021106）。

方立軍 （1971-），男，副教授，研究方向?yàn)榇髿馕廴疚锟刂坪蜐崈裘杭夹g(shù)，通信作者常艷超，E-mail：changyanchao12345＠163.com。