濕法煙氣脫硫吸收塔煙氣流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

高 原

(哈爾濱電氣股份有限公司 環(huán)保事業(yè)部，黑龍江 哈爾濱 150046)

石灰石—石膏濕法煙氣脫硫是目前國內(nèi)外煙氣脫硫所采用的主流工藝方法。此脫硫技術(shù)中的核心設(shè)備為噴淋吸收塔［1－2］。脫硫的主要傳質(zhì)、傳熱及化學(xué)反應(yīng)均在吸收塔內(nèi)發(fā)生。相對(duì)于其它反應(yīng)設(shè)備，噴淋吸收塔除了具有脫硫效率高的優(yōu)點(diǎn)外，還具有壓阻小，內(nèi)構(gòu)件相對(duì)較少且不易結(jié)垢等優(yōu)勢(shì)［3－4］。目前，國內(nèi)外對(duì)濕法煙氣脫硫中噴淋吸收塔進(jìn)行了大量的研究，本文主要采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，對(duì)某項(xiàng)目燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)不同條件下吸收塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的分布進(jìn)行了模擬研究和分析。驗(yàn)證了該項(xiàng)目吸收塔設(shè)計(jì)的合理性及實(shí)際運(yùn)行時(shí)對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性，為吸收塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行奠定了理論基礎(chǔ)。

1 模擬對(duì)象及數(shù)學(xué)模型

1.1 模擬對(duì)象

本文的模擬對(duì)象為某項(xiàng)目的噴淋吸收塔，該項(xiàng)目所采用的脫硫方法為石灰石－石膏濕法煙氣脫硫方法，此脫硫方法為國外引進(jìn)技術(shù)。吸收塔為整個(gè)脫硫系統(tǒng)關(guān)鍵的核心設(shè)備，石灰石溶解、二氧化硫吸收、亞硫酸鈣強(qiáng)制氧化等反應(yīng)過程均在吸收塔內(nèi)發(fā)生。采用先進(jìn)可靠的噴淋空塔，系統(tǒng)阻力小，塔內(nèi)氣液接觸區(qū)無任何填料部件，有效地杜絕了塔內(nèi)堵塞結(jié)垢現(xiàn)象。根據(jù)具體的工藝計(jì)算，對(duì)吸收塔進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 吸收塔外形結(jié)構(gòu)圖

原煙氣從入口進(jìn)入吸收塔，與向下噴淋的漿液逆行接觸，發(fā)生脫硫反應(yīng)。脫硫后的凈煙氣經(jīng)過除霧器和出口煙道排出吸收塔。

吸收塔設(shè)計(jì)考慮主要的因素有:幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)［5］。其中結(jié)構(gòu)參數(shù)包括吸收塔直徑及高度，入口角度，入口及出口形式等;運(yùn)行參數(shù)指對(duì)負(fù)荷及入口煙速的適應(yīng)能力。本文僅考慮燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)的塔徑，不同負(fù)荷下吸收塔正常液位之上的煙氣流場(chǎng)。

圖2 吸收塔計(jì)算模型

1.2 模型假設(shè)與簡(jiǎn)化

從WFGD系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的角度出發(fā)，對(duì)噴淋吸收塔內(nèi)煙氣流動(dòng)狀況作了如下假設(shè)［6］:

(1)由于吸收塔內(nèi)煙氣流速較低，認(rèn)為煙氣為不可壓縮性牛頓流體;

(2)忽略重力和煙溫對(duì)煙氣流動(dòng)的影響;

(3)暫不考慮塔內(nèi)噴嘴，除霧器和小部件對(duì)流場(chǎng)的影響;

(4)暫不考慮漿液噴淋對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響。

1.3 基本控制方程

吸收塔內(nèi)的氣相流動(dòng)幾乎處于湍流狀態(tài)，考慮到模型的可靠性及工程應(yīng)用的可能行，本文選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型對(duì)爐內(nèi)氣相流動(dòng)進(jìn)行模擬。在正交的直角坐標(biāo)系下，標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型的基本控制方程可表示如下［7－9］:

連續(xù)性方程

式中 p——流體壓力;

ρ——?dú)怏w密度;

φ——代表所有的流體變量;

Γφ——各方程變量的輸運(yùn)系數(shù)(擴(kuò)散系數(shù));

Sφ——因變量的守恒方程中所對(duì)應(yīng)的源項(xiàng)。

式中 S——平均應(yīng)力變化率張量的模。

在 Fluent中，作為默認(rèn)值常數(shù)，C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為 σk=1.0，σε=1.3。

本文模擬所采用的計(jì)算軟件為Fluent6.0。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;計(jì)算區(qū)域?yàn)槲账Ｒ何恢系牟糠?邊界條件，速度入口，壓力出口;SIMPLE算法，差分方程的求解是求解某變量的迭代及基于SIMPLE算法的各變量求解迭代的總和，直到達(dá)到收斂準(zhǔn)則為止。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 設(shè)計(jì)塔徑下的模擬結(jié)果

吸收塔塔徑是設(shè)計(jì)中最為重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，不僅決定整個(gè)脫硫反應(yīng)發(fā)生空間的大小，而且影響工程成本。本文針對(duì)某項(xiàng)目的吸收塔，進(jìn)行了設(shè)計(jì)塔徑下塔內(nèi)流場(chǎng)的模擬計(jì)算。根據(jù)引進(jìn)技術(shù)工藝計(jì)算，選取的設(shè)計(jì)塔徑為11.3 m。分別對(duì)燃用設(shè)計(jì)煤種和校核煤種進(jìn)行了模擬計(jì)算，驗(yàn)證了兩種工況下所選取的塔徑大小的適應(yīng)性。選取吸收塔豎直斷面進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 設(shè)計(jì)塔徑下100%負(fù)荷下的模擬結(jié)果(設(shè)計(jì)煤種)

從圖3可以看出，煙氣具有足夠的動(dòng)量穿過整個(gè)吸收塔，未有直接沖刷壁面的現(xiàn)象，而是從塔中心開始折轉(zhuǎn)向上，最后均勻從出口離開吸收塔［10］。綜合看來，塔內(nèi)吸收區(qū)流場(chǎng)均勻性較差，這對(duì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的脫硫反應(yīng)影響較大。除霧器區(qū)及出口處有漩渦產(chǎn)生，這勢(shì)必會(huì)使除霧器的阻力加大，建議實(shí)際運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)好此區(qū)域的壓差，并對(duì)除霧器的沖洗順序進(jìn)行調(diào)整，防止堵塞。

圖4 設(shè)計(jì)塔徑下100%負(fù)荷下的模擬結(jié)果(校核煤種)

從圖4可以看出，塔內(nèi)吸收反應(yīng)區(qū)域及除霧器區(qū)域流場(chǎng)較均勻，煙氣速度相對(duì)較低，這有利于延長煙氣與漿液液滴之間的接觸時(shí)間，提高了脫硫效率。

綜合比較看來，對(duì)于設(shè)計(jì)塔徑的吸收塔，設(shè)計(jì)和校核工況下二者流場(chǎng)的趨勢(shì)大致相同。但設(shè)計(jì)塔徑對(duì)校核煤種而言，具有很好的適應(yīng)性。

2.2 不同負(fù)荷下的模擬結(jié)果

吸收塔設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)需要考慮對(duì)機(jī)組負(fù)荷的適應(yīng)性，本文考察30% ～100%BMCR工況下煙氣流場(chǎng)的變化，結(jié)果見圖3，圖5和圖6?？梢?，流場(chǎng)趨勢(shì)大致相同，這表明設(shè)計(jì)塔徑的吸收塔對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性較好。由此，在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，在不同負(fù)荷的情況下，在保證煙氣與漿液良好接觸的前提下，可以通過調(diào)整噴淋層投入的方式，降低實(shí)際運(yùn)行成本。

2.2 吸收塔進(jìn)出口處煙氣流場(chǎng)分布模擬結(jié)果

吸收塔進(jìn)出口設(shè)計(jì)通常是根據(jù)保證此部位的實(shí)際煙氣流速而確定其尺寸的，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)通常是保證煙氣流速在15 m/s以內(nèi)。另外，考慮到氣流分布，入口選用矩形幾何形狀;考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工和成本因素，出口選用矩形幾何形狀。綜合比較模擬結(jié)果可以看出，煙氣經(jīng)過入口進(jìn)入吸收塔內(nèi)，有足夠的動(dòng)量和很好的貫穿性，這確保煙氣進(jìn)入噴淋區(qū)有很好的均勻分布，對(duì)后續(xù)的吸收反應(yīng)有利;對(duì)于圓錐矩形平出口煙道，對(duì)氣流分布有一定的影響，氣流進(jìn)入出口區(qū)，受到錐頂部位的限制，勢(shì)必產(chǎn)生渦流，這對(duì)除霧器有些影響。但考慮到此種出口形式施工方便、節(jié)約成本，故選用了此型出口。如果現(xiàn)場(chǎng)施工隊(duì)伍加工安裝能夠做到，采用鵝頸管形式的出口，會(huì)對(duì)煙氣分布極為有利。

圖5 設(shè)計(jì)塔徑下70%負(fù)荷下的模擬結(jié)果(設(shè)計(jì)煤種)

圖6 設(shè)計(jì)塔徑下30%負(fù)荷下的模擬結(jié)果(設(shè)計(jì)煤種)

3 結(jié)語

本文通過采用Fluent數(shù)值模擬軟件，對(duì)某項(xiàng)目燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)不同條件下吸收塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的分布進(jìn)行了模擬研究和分析。結(jié)果顯示吸收塔設(shè)計(jì)對(duì)脫硫校核煤種適應(yīng)性好，驗(yàn)證了該項(xiàng)目吸收塔設(shè)計(jì)的合理性及實(shí)際運(yùn)行時(shí)對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性，同時(shí)分析了吸收塔進(jìn)出口型式的優(yōu)劣之處，為后續(xù)工程項(xiàng)目吸收塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)有力的理論依據(jù)。

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