基于计算机仿真解决铝冶炼装置中SO2洗涤塔（脱硫塔）问题

英文原文由Chang-LI Hsieh，Frank Hartgers，Peter Mihalik，Greg Boles著。

试验表明，在所需的高气体流量条件下，除雾器无法完全去除气流中的细雾和液滴。从而导致潜在的酸性液滴被排放到大气中。工程师们使用CFD仿真洗涤塔的运行过程，发现吸收塔中气体明显分布不均。这与塔和进气管道的几何形状有很大关系。在下一步的CFD工作中，工程师们（包括Hoogovens和Koch的工程师）评估了其他几个塔和管道设计方案，并选择了一个能以最低的费用解决气体分布不均匀问题的设计方案。

由Hoogovens技术服务公司设计和安装，用于铝冶炼厂的脱硫塔由两个51英尺、直径6英寸的不锈钢立式吸收塔组成，该吸收塔逆气流喷射硫酸钠/碳酸钠溶液。气体与溶液接触后，通过除雾器除去气流中残余的细雾和液滴。本应用中使用的FLEXICHEVRON®除雾器由Koch-Glitsch旗下分公司KochOtto York生产。该除雾器由一组旋转叶片组成，这些叶片迫使气体改变运动方向，然后利用惯性使液滴撞击叶片，从而在气流中去除这些液滴。这些除雾器基本上（99%以上）可以收集直径为8至40微米之间的颗粒，这最终取决于设计参数。

图1：洗涤塔图像

水气携带问题

当其中一个吸收塔不运作时，则指定单个吸收塔处理2,034,870 ACFM。在空气/水试运行期间，目测水气流量为1,300,000 ACFM，远低于单台机组运行的规定设计条件。

Hoogovens要求邀请除雾器制造商来帮助解决问题。需要注意的是，只有当速度保持在或低于其设计极限时（在这种情况下气体流速为每秒17-18英尺），除雾器才能有效地去除液滴。虽然该洗涤塔的设计使平均速度完全控制在此范围内，但Hoogovens和Koch-Glitsch的工程师仍担心不规则几何可能导致该洗涤塔内的某些区域的流速超过FLEXICHEVRON®除雾器的速度限制。

使用传统的物理测试方法很难解决这个问题。

CFD的发展

使用CFD能使工程师获得复杂几何和边界条件问题的计算结果，包括整个计算区域的流体速度值和温度值。在此基础上，设计人员或工程师可以通过调整系统的几何形状或边界条件（如入口速度/温度和壁面热流）来优化流动形态及温度分布。

Koch-Glitsch的工程师选择了FLUENT公司（该公司位于新罕布什尔州黎巴嫩市）的FLUENT CFD软件来进行分析。之所以选择FLUENT，是因为它有一个丰富的湍流模型库，可用来仿真在洗涤塔和其他工艺设备中看到的湍流。

图2：原始设计分析表明水气速度超过除雾器的最大限制

仿真匹配实验

逆流液体喷雾本身并不能提供足够的压降以平衡水气流，也无法稳定随后通过除雾器的水气速度。从而导致，在进入除雾器之前，水气速度每秒超过20英尺。分析表明，高速气流主要集中在与入口管道正相对的区域。这些结果与Hoogovens和Koch-Glitsch工程师获得的证据相吻合，即湿气从该区域的烟囱中流出。

CFD结果进一步证实和量化了研究团队怀疑的导致流动不均匀的各种设计特征。特别是，他们在洗涤塔和管道系统的对称平面上检查了速度矢量分布图。该图提供了一个极好的流经洗涤塔的鸟瞰图，工程师几乎能立即对问题的起因获得一个直观的理解。

该图显示，洗涤塔入口周围的“防雨罩”有助于将流经管道的气体集中到高速流动的路径中，该路径沿洗涤塔宽度方向流动，直到它撞上对面的墙壁。一旦它撞到墙上，气流就被迫向上直接进入除雾器。了解洗涤塔以及进出口管道内的流动情况有助于团队将注意力集中在入口管道系统和到洗涤塔的入口过渡段上。Hoogovens的工程师们意识到，改变进气道内部以及进气道和洗涤塔连接处的气流将极大地影响Koch Otto-York除雾器的性能。

图3：洗涤塔中气流的整体视图有助于工程师了解问题

迭代到解决方案

既然已清楚了解防雨罩是导致速度分布不均的主要原因，那第一件要尝试的事就是从模型中移除防雨罩并重新运行分析。这一变化大大改善了速度分布，并将最大速度降低到仅低于除雾器的极限速度值。从施工的角度考虑，Hoogovens的工程师还建议将过渡管道降至允许的最大打开位置，从而使过渡管道底部变平滑。工程师们尝试了其他各种变化，以进一步改善速度分布，并获得更大的安全边际。为了扩散进入洗涤塔的气流，他们在进气道中尝试了各种不同的挡板。

挡板最有效的位置就在入口平面上，分析表明这种几何形状在降低最大速度方面非常有效。

图4：对最终几何形状的分析表明当气流到达除雾器时，不均匀分布已经消除