基于計(jì)算機(jī)仿真解決鋁冶煉裝置中SO2洗滌塔（脫硫塔）問(wèn)題

上海安世亞太

2021年9月6日 10:28

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英文原文由Chang-LI Hsieh，F(xiàn)rank Hartgers，Peter Mihalik，Greg Boles著。

編者按

計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)幫助一些公司解決了洗滌塔（用于去除鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化硫）中的一個(gè)挑戰(zhàn)性難題。在下一步的CFD工作中，工程師們?cè)u(píng)估了其他幾個(gè)塔和管道設(shè)計(jì)方案，并選擇了一個(gè)能以最低的費(fèi)用解決氣體分布不均勻問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案。

計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)幫助一些公司（如Reynolds Metal Company，St. Lawrence Reduction Plant，Massena, N.Y）解決了洗滌塔（用于去除鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化硫）中的一個(gè)挑戰(zhàn)性難題。

試驗(yàn)表明，在所需的高氣體流量條件下，除霧器無(wú)法完全去除氣流中的細(xì)霧和液滴。從而導(dǎo)致潛在的酸性液滴被排放到大氣中。工程師們使用CFD仿真洗滌塔的運(yùn)行過(guò)程，發(fā)現(xiàn)吸收塔中氣體明顯分布不均。這與塔和進(jìn)氣管道的幾何形狀有很大關(guān)系。在下一步的CFD工作中，工程師們（包括Hoogovens和Koch的工程師）評(píng)估了其他幾個(gè)塔和管道設(shè)計(jì)方案，并選擇了一個(gè)能以最低的費(fèi)用解決氣體分布不均勻問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案。

由Hoogovens技術(shù)服務(wù)公司設(shè)計(jì)和安裝，用于鋁冶煉廠的脫硫塔由兩個(gè)51英尺、直徑6英寸的不銹鋼立式吸收塔組成，該吸收塔逆氣流噴射硫酸鈉/碳酸鈉溶液。氣體與溶液接觸后，通過(guò)除霧器除去氣流中殘余的細(xì)霧和液滴。本應(yīng)用中使用的FLEXICHEVRON?除霧器由Koch-Glitsch旗下分公司KochOtto York生產(chǎn)。該除霧器由一組旋轉(zhuǎn)葉片組成，這些葉片迫使氣體改變運(yùn)動(dòng)方向，然后利用慣性使液滴撞擊葉片，從而在氣流中去除這些液滴。這些除霧器基本上（99%以上）可以收集直徑為8至40微米之間的顆粒，這最終取決于設(shè)計(jì)參數(shù)。

基于計(jì)算機(jī)仿真解決鋁冶煉裝置中SO2洗滌塔（脫硫塔）問(wèn)題的圖1

圖1：洗滌塔圖像

水氣攜帶問(wèn)題

根據(jù)除霧器規(guī)定，通過(guò)每個(gè)吸收塔（共兩個(gè)吸收塔）的正常氣體流量應(yīng)為1,099,600 ACFM（每分鐘立方英尺的實(shí)際流量）。

當(dāng)其中一個(gè)吸收塔不運(yùn)作時(shí)，則指定單個(gè)吸收塔處理2,034,870 ACFM。在空氣/水試運(yùn)行期間，目測(cè)水氣流量為1,300,000 ACFM，遠(yuǎn)低于單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的規(guī)定設(shè)計(jì)條件。

Hoogovens要求邀請(qǐng)除霧器制造商來(lái)幫助解決問(wèn)題。需要注意的是，只有當(dāng)速度保持在或低于其設(shè)計(jì)極限時(shí)（在這種情況下氣體流速為每秒17-18英尺），除霧器才能有效地去除液滴。雖然該洗滌塔的設(shè)計(jì)使平均速度完全控制在此范圍內(nèi)，但Hoogovens和Koch-Glitsch的工程師仍擔(dān)心不規(guī)則幾何可能導(dǎo)致該洗滌塔內(nèi)的某些區(qū)域的流速超過(guò)FLEXICHEVRON?除霧器的速度限制。

使用傳統(tǒng)的物理測(cè)試方法很難解決這個(gè)問(wèn)題。

首先，很難為洗滌塔配備足夠多的傳感器，以確定氣流速度是否超出了除霧器的速度限制以及是何處超出了除霧器的速度限制。
其次，假設(shè)測(cè)量結(jié)果表明流速過(guò)大是問(wèn)題所在，那么該測(cè)試結(jié)果對(duì)工程師確定原因只能提供很少的指導(dǎo)或根本沒(méi)有提供指導(dǎo)。
最后，使用物理測(cè)試方法設(shè)計(jì)和測(cè)試解決方案成本高昂且耗時(shí)。
此外，有必要對(duì)洗滌塔進(jìn)行修改，并對(duì)每個(gè)問(wèn)題的假設(shè)解決方案進(jìn)行另一系列測(cè)試。

基于以上原因，工程師們采用了CFD仿真方法來(lái)研究這一問(wèn)題，并對(duì)提出的解決方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

CFD的發(fā)展

近年來(lái)，CFD仿真技術(shù)的發(fā)展使工程師們能夠相對(duì)快速地建立一個(gè)關(guān)于洗滌塔內(nèi)流體流動(dòng)的廉價(jià)計(jì)算機(jī)模型。CFD是在一個(gè)特定的流動(dòng)域中，在計(jì)算網(wǎng)格成千上萬(wàn)個(gè)離散點(diǎn)上求解流體流動(dòng)、傳熱和化學(xué)的控制方程。

使用CFD能使工程師獲得復(fù)雜幾何和邊界條件問(wèn)題的計(jì)算結(jié)果，包括整個(gè)計(jì)算區(qū)域的流體速度值和溫度值。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員或工程師可以通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的幾何形狀或邊界條件（如入口速度/溫度和壁面熱流）來(lái)優(yōu)化流動(dòng)形態(tài)及溫度分布。

Koch-Glitsch的工程師選擇了FLUENT公司（該公司位于新罕布什爾州黎巴嫩市）的FLUENT CFD軟件來(lái)進(jìn)行分析。之所以選擇FLUENT，是因?yàn)樗幸粋€(gè)豐富的湍流模型庫(kù)，可用來(lái)仿真在洗滌塔和其他工藝設(shè)備中看到的湍流。

基于計(jì)算機(jī)仿真解決鋁冶煉裝置中SO2洗滌塔（脫硫塔）問(wèn)題的圖2

圖2：原始設(shè)計(jì)分析表明水氣速度超過(guò)除霧器的最大限制

仿真匹配實(shí)驗(yàn)

正如之前所懷疑的那樣，Koch-Glitsch的工程師對(duì)洗滌塔進(jìn)行的仿真結(jié)果表明，由于塔和入口管道的幾何結(jié)構(gòu)，吸收塔中存在明顯的水氣分布不均勻現(xiàn)象。

（1）水氣分布不勻

逆流液體噴霧本身并不能提供足夠的壓降以平衡水氣流，也無(wú)法穩(wěn)定隨后通過(guò)除霧器的水氣速度。從而導(dǎo)致，在進(jìn)入除霧器之前，水氣速度每秒超過(guò)20英尺。分析表明，高速氣流主要集中在與入口管道正相對(duì)的區(qū)域。這些結(jié)果與Hoogovens和Koch-Glitsch工程師獲得的證據(jù)相吻合，即濕氣從該區(qū)域的煙囪中流出。

（2）“防雨罩”集中氣體

CFD結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)和量化了研究團(tuán)隊(duì)?wèi)岩傻膶?dǎo)致流動(dòng)不均勻的各種設(shè)計(jì)特征。特別是，他們?cè)谙礈焖凸艿老到y(tǒng)的對(duì)稱平面上檢查了速度矢量分布圖。該圖提供了一個(gè)極好的流經(jīng)洗滌塔的鳥瞰圖，工程師幾乎能立即對(duì)問(wèn)題的起因獲得一個(gè)直觀的理解。

該圖顯示，洗滌塔入口周圍的“防雨罩”有助于將流經(jīng)管道的氣體集中到高速流動(dòng)的路徑中，該路徑沿洗滌塔寬度方向流動(dòng)，直到它撞上對(duì)面的墻壁。一旦它撞到墻上，氣流就被迫向上直接進(jìn)入除霧器。了解洗滌塔以及進(jìn)出口管道內(nèi)的流動(dòng)情況有助于團(tuán)隊(duì)將注意力集中在入口管道系統(tǒng)和到洗滌塔的入口過(guò)渡段上。Hoogovens的工程師們意識(shí)到，改變進(jìn)氣道內(nèi)部以及進(jìn)氣道和洗滌塔連接處的氣流將極大地影響Koch Otto-York除霧器的性能。

基于計(jì)算機(jī)仿真解決鋁冶煉裝置中SO2洗滌塔（脫硫塔）問(wèn)題的圖3

圖3：洗滌塔中氣流的整體視圖有助于工程師了解問(wèn)題

迭代到解決方案

既然目前對(duì)問(wèn)題已經(jīng)有了一個(gè)很好的了解，那迭代到解決方案相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較簡(jiǎn)單了。

（1）嘗試不同的擋板

既然已清楚了解防雨罩是導(dǎo)致速度分布不均的主要原因，那第一件要嘗試的事就是從模型中移除防雨罩并重新運(yùn)行分析。這一變化大大改善了速度分布，并將最大速度降低到僅低于除霧器的極限速度值。從施工的角度考慮，Hoogovens的工程師還建議將過(guò)渡管道降至允許的最大打開位置，從而使過(guò)渡管道底部變平滑。工程師們嘗試了其他各種變化，以進(jìn)一步改善速度分布，并獲得更大的安全邊際。為了擴(kuò)散進(jìn)入洗滌塔的氣流，他們?cè)谶M(jìn)氣道中嘗試了各種不同的擋板。

擋板最有效的位置就在入口平面上，分析表明這種幾何形狀在降低最大速度方面非常有效。

然而，Hoogovens的工程師排除了這一可能性，因?yàn)楹茈y在此安裝和支撐擋板。
隨后，Koch-Glitsch的工程師采取了Hoogovens的工程師的建議，嘗試了其他各種擋板位置，目的是找到一種低成本、維護(hù)簡(jiǎn)便的解決方案。
終于，他們?cè)诠艿老到y(tǒng)中找到了一個(gè)位置，正好在進(jìn)氣口的上游，該位置顯示速度分布非常均勻。

Hoogovens的工程師一致認(rèn)為，在這個(gè)位置安裝擋板很容易，幾乎任何類型的維護(hù)工作都可以在不拆除擋板的情況下進(jìn)行。對(duì)這種新結(jié)構(gòu)的分析表明，在除霧器入口處的洗滌塔橫截面的所有區(qū)域內(nèi)，流速為每秒16英尺甚至更小。工程師們接受了該結(jié)果，Hoogovens非常及時(shí)地進(jìn)行了必要的修改。

（2）以仿真結(jié)果為指導(dǎo)

原本耗時(shí)且昂貴的建造和測(cè)試過(guò)程的問(wèn)題在大約兩周內(nèi)得到了解決。如果采用傳統(tǒng)的方法，工程師們會(huì)浪費(fèi)幾個(gè)月的時(shí)間，通過(guò)改變分布不均區(qū)域的幾何形狀來(lái)解決問(wèn)題。相反，以仿真結(jié)果為指導(dǎo)，Hoogovens和Koch-Glitsch的工程師們立即將重點(diǎn)放在進(jìn)氣道區(qū)域，因?yàn)榉治鼋Y(jié)果表明進(jìn)氣道區(qū)域是問(wèn)題根源所在。除了獲得了快速廉價(jià)的解決方案外，客戶還對(duì)參與該項(xiàng)目的兩個(gè)供應(yīng)商的分析能力產(chǎn)生了新的敬意。

基于計(jì)算機(jī)仿真解決鋁冶煉裝置中SO2洗滌塔（脫硫塔）問(wèn)題的圖4