氨法煙氣脫硫噴淋塔煙氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬

洪文鵬，高天聰，張偉玲

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

煤燃燒的過(guò)程中會(huì)形成煙塵、SO2、NOx、CO2以及微量重金屬等多種有害物質(zhì)，引起酸雨、溫室效應(yīng)、陰霆天氣、臭氧層破壞等諸多環(huán)境問題［1］。雖然二氧化硫的任意排放會(huì)造成酸雨等嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，但二氧化硫也是生產(chǎn)硫酸和化肥的重要原料之一。中國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，氨法脫硫的副產(chǎn)品硫酸銨、亞硫酸銨均是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的化肥，其出售的收入能大幅降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了硫資源的回收利用，更加符合國(guó)家建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策。因此，氨法煙氣脫硫作為一種適合我國(guó)實(shí)際國(guó)情的脫硫技術(shù)日益得到國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注［2］。

在氨法脫硫領(lǐng)域涉及火電廠脫硫裝置的研究較少，其中有如南京理工大學(xué)的賈勇等對(duì)填料塔氨法脫硫模型研究［3］，浙江大學(xué)丁紅蕾對(duì)氨基濕法煙氣脫硫的機(jī)理及工業(yè)試驗(yàn)研究［4］，浙江大學(xué)的郭瑞堂等采用優(yōu)化構(gòu)件對(duì)濕法煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)流場(chǎng)的優(yōu)化［5］等，現(xiàn)有文獻(xiàn)中涉及氨法脫硫噴淋塔的數(shù)值模擬較少。對(duì)于濕法脫硫通用的噴淋塔煙氣流場(chǎng)模擬，有浙江大學(xué)的林永明對(duì)300 MW機(jī)組WFGD煙氣流場(chǎng)的模擬［6］，王旭等對(duì)入口位置對(duì)噴淋塔流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬［7］的結(jié)果可以對(duì)脫硫塔的設(shè)計(jì)起一定的指導(dǎo)作用。但是前人針對(duì)大型噴淋塔，特別是600 MW機(jī)組，煙氣量達(dá)到2×106以上的噴淋塔進(jìn)行模擬和幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較少。本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)際采用WFGD噴淋塔通用的研究方法，對(duì)煙氣入口角、徑高比、出口方式、流體優(yōu)化環(huán)位置這幾種幾何結(jié)構(gòu)影響的煙氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬，為噴淋塔的幾何尺寸以及塔內(nèi)噴嘴的布置設(shè)計(jì)提供參考，并為氣液兩相模擬和流場(chǎng)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 模擬對(duì)象與方法

1.1 模擬對(duì)象

本文依照某600 MW機(jī)組WFGD系統(tǒng)的噴淋塔為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴淋塔分為上、下兩個(gè)部分，即煙氣流通部分和氨液部分，其中煙氣流通部分為主要反應(yīng)區(qū)域，帶有SO2的煙氣由煙氣入口進(jìn)入噴淋塔，在塔內(nèi)向上流動(dòng)與向下噴淋的氨液充分混合發(fā)生脫硫反應(yīng)，反應(yīng)后夾雜液滴的煙氣進(jìn)入除霧器除去液滴，最后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的煙氣從煙氣出口排出噴淋塔進(jìn)入煙囪。同時(shí)回收的氨液可以經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)析出產(chǎn)物(NH4)2SO4。

本文所模擬的噴淋塔幾何參數(shù)有:煙氣入口角，塔徑與煙氣流通高度比，側(cè)出口方式和頂出口方式，流體優(yōu)化環(huán)位置。

1.2 模型假設(shè)與簡(jiǎn)化

根據(jù)脫硫噴淋塔內(nèi)煙氣流動(dòng)的實(shí)際情況，做如下模型假設(shè):

(1)將煙氣視為不可壓縮牛頓流體;

(2)不考慮塔內(nèi)噴淋管、除霧器等組件對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響;

(3)入口邊界條件認(rèn)為來(lái)流速度充分發(fā)展且分布均勻;

(4)暫不考慮塔氨液噴淋對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響。

圖1 脫硫噴淋塔結(jié)構(gòu)

1.3 計(jì)算網(wǎng)格劃分

為了取得更高計(jì)算精度，本文采用ICEM商用網(wǎng)格劃分軟件，全部計(jì)算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圓形塔體采用O型網(wǎng)格劃分策略的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在計(jì)算上可以有效的減少網(wǎng)格數(shù)并增加計(jì)算精度，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性討論后，確定總體網(wǎng)格數(shù)量40萬(wàn)。網(wǎng)格劃分見圖2。

1.4 數(shù)學(xué)模型及控制方程

本文進(jìn)行迭代求解所使用的方法采用有限體積法［8］，建立數(shù)學(xué)模型的控制方程包括三維的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能k和耗散率ε的兩個(gè)輸運(yùn)方程，它們的通用形式如下:

式中:φ為通用變量，代表不同的求解變量，速度u、v、w;湍動(dòng)能k;耗散率ε;壓力p;φ=1時(shí)方程為連續(xù)性方程;Гφ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Sφ為廣義源相。

圖2 網(wǎng)格劃分

對(duì)于噴淋塔內(nèi)復(fù)雜的湍流，湍流的流動(dòng)表示為時(shí)均值和脈動(dòng)值之和，采用由Launder和Spalding［9］提出的標(biāo)準(zhǔn)k–ε模型對(duì)時(shí)均雷諾項(xiàng)進(jìn)行封閉［10］。標(biāo)準(zhǔn)k–ε模型是基于Boussinesq假設(shè)的渦粘模型，即雷諾應(yīng)力通過(guò)求解渦流粘性μT(湍流粘性)來(lái)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，其中在標(biāo)準(zhǔn)k–ε模型中μT是湍動(dòng)能k和耗散率ε的函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)k–ε模型的穩(wěn)定性較高，且具有較高的計(jì)算精度和較少的計(jì)算量，對(duì)于脫硫塔尺寸較大、塔內(nèi)煙氣雷諾數(shù)較大的情況下適用。近壁面處選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行修正。差分格式采用二階迎風(fēng)格式，邊界條件為速度入口，壓力出口。

1.5 模擬參數(shù)

采用個(gè)人電腦，奔騰雙核E6300處理器，2G內(nèi)存，F(xiàn)LUENT13軟件進(jìn)行模擬?；灸M參數(shù)見表1，對(duì)比模擬參數(shù)見表2。

表1 基本模擬參數(shù)

表2 對(duì)比模擬參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

煙氣入口角是噴淋塔設(shè)計(jì)中關(guān)鍵得幾何參數(shù)。從圖3的煙氣跡線圖可以看出。煙氣由入口進(jìn)入噴淋塔后，沿右側(cè)壁上升，左側(cè)氣流形成旋渦，其旋渦的大小隨入口角度的增大而增大;在一定的角度范圍內(nèi)，右側(cè)煙氣垂直上升區(qū)域的到大小隨入射角度增大而增大，這是由于煙氣入口角度增大，入射煙氣的切向速度增大，利于旋流擴(kuò)散，故旋渦縮小，煙氣流動(dòng)區(qū)域增大，同時(shí)對(duì)液體層的液面的擾動(dòng)作用增大。

由圖4高度8 m處水平面速度矢量圖可以看出煙氣在剛剛進(jìn)入塔后有右側(cè)沖壁現(xiàn)象，這種沖壁現(xiàn)象容易導(dǎo)致表面溫度過(guò)高析出晶體，導(dǎo)致脫硫塔結(jié)垢。在右側(cè)壁中心處產(chǎn)生兩個(gè)相對(duì)的旋轉(zhuǎn)渦流，整個(gè)截面中心速度高、兩側(cè)速度低。在該高度，隨著煙氣入口角的增大，煙氣軸向速度增加，分布更加均勻。

圖3 不同煙氣入口角的煙氣跡線圖

圖4 不同煙氣入口角水平速度矢量圖

由圖5平均壓力圖可得到:當(dāng)煙氣入口角度為7°、10°、15°、20°時(shí)空塔壓降分別為116 Pa、121 Pa、126 Pa、138 Pa。前三種入口角差別不大，而20°入口角度的壓降升幅更明顯，壓降的增加導(dǎo)致風(fēng)機(jī)負(fù)荷的增加，不利于脫硫經(jīng)濟(jì)性。

綜合考慮，隨煙氣入口角的增大有利于脫硫效率，但不利于經(jīng)濟(jì)性，選取入口角度15°較合理。

圖5 入口壓力隨煙氣入口角變化

圖6 煙氣高速區(qū)域所占比例

塔徑和塔高是兩個(gè)相關(guān)的設(shè)計(jì)噴淋塔的幾何參數(shù)，由圖7可以看出，煙氣進(jìn)入噴淋塔后煙氣隨著徑高比的增大煙氣流動(dòng)變化不大，都有較明顯的沖壁現(xiàn)象，在噴淋塔中間高度15 m處截取橫截面得到速度等值線圖，分析軸向的煙氣速度大10 m/s的區(qū)域所占整個(gè)區(qū)域的百分比。由圖6中可以得知，在一定范圍內(nèi)隨著噴淋塔徑高比的增加高速煙氣區(qū)域面積縮小，有煙氣聚集現(xiàn)象，造成煙氣短路，不利于脫硫，短路區(qū)域位于噴淋塔右側(cè)，在布置噴淋設(shè)備時(shí)應(yīng)做相應(yīng)考慮。

圖7 不同徑高比的煙氣跡線圖

圖8為不同徑高比噴淋塔截面平均壓力隨高度變化曲線，可以看出，在忽略塔內(nèi)構(gòu)件的情況下隨著徑高比的增加，在0.487～0.552時(shí)，主要區(qū)域壓力隨徑高比增大而增大;在0.552～0.584時(shí)，主要區(qū)域壓力隨徑高比增大而減小，且減小的幅度更大。

圖8 不同徑高比壓力隨高度變化

圖9 不同出口方式跡線圖

綜合考慮，噴淋塔徑高比增大的不利于煙氣流場(chǎng)的均勻化，但是徑高比減小，塔內(nèi)壓力增大。徑高比為0.552附近時(shí)為更好的選擇。

噴淋塔出口的設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中一般分為兩種，側(cè)出和頂出。圖9為不同出口方式的跡線圖，由圖中可以看出頂出口比側(cè)出口的左側(cè)旋渦中心向上偏移，旋渦增大。分析流動(dòng)形態(tài)可以知頂出口方式相當(dāng)于拉長(zhǎng)了流動(dòng)區(qū)域，即縮小了塔徑比。對(duì)比圖10速度分布圖可以得到相同的結(jié)論，頂出口方式較側(cè)出口方式煙氣速度分布更均勻，曲線峰值無(wú)論正負(fù)均較小，更不容易出現(xiàn)煙氣短路現(xiàn)象。

圖10 不同出口方式速度分布

圖11 有無(wú)流場(chǎng)優(yōu)化環(huán)煙氣跡線圖

在工程實(shí)際中小型的脫硫噴淋塔均采用頂出口方式，而大型脫硫塔則普遍采用側(cè)出口方式，主要是因?yàn)閷?shí)際施工和材料的限制，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)給予綜合考慮。

為了使煙氣流場(chǎng)流動(dòng)均勻化，一般采用兩種不同的優(yōu)化構(gòu)件，即整體優(yōu)化［11-12］(如多孔板或柵格)，和局部?jī)?yōu)化［5］(優(yōu)化環(huán))。本文采用局部?jī)?yōu)化，采用文獻(xiàn)5中的流通截面傾為81%、傾斜角為40°的優(yōu)化環(huán)。從圖11可以看出煙氣流經(jīng)優(yōu)化環(huán)后主流區(qū)域向塔中心偏移，這將有助于煙氣均勻，有利于氣液交換反應(yīng)。圖12是優(yōu)化環(huán)在塔內(nèi)不同安裝高度的情況下噴淋層下1m處的速度分布，其中位置1、2、3分別對(duì)應(yīng)測(cè)速區(qū)下1 m、2 m、3 m。安裝優(yōu)化環(huán)后，速度曲線右側(cè)的峰值向左偏移且有所降低，流場(chǎng)更加均勻。對(duì)比位置1、2、3可知位置3曲線在X方向上4 m到2 m處可知位置3和無(wú)優(yōu)化環(huán)相似，位置1、2均較均勻呈線性分布，這是由于近壁面處優(yōu)化環(huán)阻礙作用導(dǎo)致的，位置1、2時(shí)近壁面處的煙氣流動(dòng)稀薄不利氣液接觸，所以在布置局部?jī)?yōu)化環(huán)的時(shí)候，在條件允許的情況下優(yōu)化環(huán)的安裝距離噴淋液膜區(qū)［13］最好應(yīng)大于3 m。

圖12 不同流場(chǎng)優(yōu)化環(huán)速度分布

圖13 不同流場(chǎng)優(yōu)化環(huán)速度云圖

由圖13速度云圖可知隨著優(yōu)化環(huán)離液膜區(qū)越來(lái)越遠(yuǎn)，液膜區(qū)的軸向速度逐漸在截面內(nèi)均勻，速度峰值平緩。左側(cè)回流速度在位置1、2時(shí)逐漸減少，即旋渦變小，位置3處旋渦再次增大。這將有利于氨液與煙氣充分接觸，提高脫硫效率。

由圖14塔內(nèi)平均壓力圖可知，隨著位置的降低，即遠(yuǎn)離液膜區(qū)，塔內(nèi)壓力降低。

綜合以上分析可知，在無(wú)噴淋情況下優(yōu)化環(huán)位置離反應(yīng)區(qū)越遠(yuǎn)，流場(chǎng)越均勻，整體壓力值越低，有利于脫硫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖14 不同流場(chǎng)優(yōu)化環(huán)壓力變化

3 結(jié) 論

(1)隨著煙氣入口角的增大，煙氣流動(dòng)越均勻，但其壓力損失增大;考慮到氣液反應(yīng)和能量損失，入口角為15°時(shí)較理想。

(2)噴淋塔徑高比的不利于煙氣流場(chǎng)的均勻化，但是徑高比減小，塔內(nèi)壓力增大。徑高比為0.552附近時(shí)為更好的選擇。

(3)頂煙氣出口方式相當(dāng)于減小噴淋塔徑高比，有助于流場(chǎng)均勻。

(4)局部流場(chǎng)優(yōu)化構(gòu)件可以使流場(chǎng)更加均勻，其安裝距液膜反應(yīng)區(qū)3 m以上，隨著距離的增加，軸向速度均勻性更好有助于脫硫效率，同時(shí)壓降更低，有利于脫硫經(jīng)濟(jì)性。

［1］焦紅光，胡正彬.淺談我國(guó)燃煤污染危害及其防治［J］.選謀技術(shù)，2004(2):3-6.

［2］賈勇，鐘秦，杜冬冬，等.氨法煙氣脫硫模型的研究［J］.動(dòng)力工程，2009，29(10):960-965.

［3］賈勇，鐘秦，杜冬冬，等.填料塔氨法脫硫模型研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(14):52-57.

［4］丁紅蕾.氨基濕法煙氣脫硫的機(jī)理及工業(yè)試驗(yàn)研究［D］.浙江:浙江大學(xué)，2006.

［5］郭瑞堂，高翔，丁紅蕾，等.濕法煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)流場(chǎng)的優(yōu)化［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，28(29):70-77.

［6］林永明，高翔，施平平，等.濕法煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的數(shù)值模研究［J］.熱力發(fā)電，2006，35(4):6-10.

［7］王旭，陳宏偉.入口位置對(duì)噴淋塔流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(3):40-43.

［8］王福軍.CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［9］Launder B E，Spalding D B.Lectures in mathematical models of turbulence［M］.Academic Press，London，England，1972.

［10］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.2版.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

［11］過(guò)小玲，金保升，孫志翱.托盤式煙氣脫硫噴淋塔空塔冷態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.江蘇環(huán)境科技，2006，19(5):37-39.

［12］過(guò)小玲，金保升，沈丹.裝有多孔板的脫硫噴淋塔流場(chǎng)數(shù)值模擬研究［J］.鍋爐技術(shù)，2007，38(6):5-9.

［13］洪文鵬，劉廣林，裴彩鋒，等.入口角度對(duì)氨法煙氣脫硫塔內(nèi)氣液流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬［J］.動(dòng)力工程，2012，32(4):326-331.