燃煤鍋爐導(dǎo)流板型脫硫煙塔的煙氣流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周贊慶，孫勤賀

(1.青島能源熱電有限公司，山東青島266021;2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061)

燃煤鍋爐導(dǎo)流板型脫硫煙塔的煙氣流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周贊慶1，孫勤賀2

(1.青島能源熱電有限公司，山東青島266021;2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061)

針對(duì)工業(yè)鍋爐現(xiàn)有脫硫煙塔存在的脫硫效果不佳現(xiàn)象，研究工業(yè)鍋爐脫硫煙塔的流場(chǎng)優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。提出內(nèi)徑漸縮管段和內(nèi)壁非連續(xù)螺旋上升導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，解決高位脫硫漿液噴淋不均和塔內(nèi)流場(chǎng)不均、脫硫反應(yīng)不足等問題?；趯?duì)塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的優(yōu)化，確定塔內(nèi)導(dǎo)流板的數(shù)量和結(jié)構(gòu)參數(shù)。模擬分析改造前后脫硫煙塔的煙氣流場(chǎng)，結(jié)果表明合理布置非連續(xù)螺旋上升導(dǎo)流板后，塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的均勻性與脫硫反應(yīng)時(shí)間均得以有效改善，從而提高煙塔的脫硫效率。

脫硫煙塔;導(dǎo)流板;流場(chǎng)優(yōu)化

0 引言

近幾年，大型火電廠煙氣脫硫工程強(qiáng)力推進(jìn)并取得了一定成效，中小型鍋爐的煙氣治理也在跟進(jìn)啟動(dòng)［1－2］。有機(jī)熱載體鍋爐廣泛應(yīng)用于化工、印染、制藥等，因具有低壓高溫的工作特性而得到各領(lǐng)域用戶青睞［3］。

某印染企業(yè)9.3MW有機(jī)熱載體燃煤鍋爐，液相工質(zhì)為導(dǎo)熱油，排煙溫度為350～380℃，前期煙氣僅采用多管除塵器除塵、脫硫吸收塔脫硫后經(jīng)煙囪排出，系統(tǒng)運(yùn)行不足半年，經(jīng)常出現(xiàn)煙囪出力不足、脫硫塔堵塞等問題，更因煙塵、SO2排放濃度不達(dá)標(biāo)而停機(jī)整頓。該印染企業(yè)決定對(duì)導(dǎo)熱油鍋爐機(jī)組現(xiàn)有脫硫煙塔存在的問題進(jìn)行改進(jìn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，企業(yè)鍋爐機(jī)組場(chǎng)地面積較小，煙氣進(jìn)入脫硫吸收塔時(shí)溫度較高，煙氣存在余熱回收的必要，為此在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了余熱回收裝置，同時(shí)采用脫硫煙塔代替原煙囪和脫硫吸收塔，所有裝置(鍋爐除外)均放置在高5m的平臺(tái)上。

本文設(shè)計(jì)基于“煙塔合一”技術(shù)的脫硫煙塔裝置，即將煙囪和脫硫吸收塔合二為一，并引入導(dǎo)流板改善流場(chǎng)分布，強(qiáng)化脫硫過程。因其工藝簡(jiǎn)單，投資節(jié)省，日常運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，非常適用于中小型鍋爐機(jī)組［4－5］。由于脫硫煙塔進(jìn)口煙氣溫度在80℃左右，容易在煙囪內(nèi)壁上凝結(jié)成腐蝕性酸液，加速了對(duì)煙囪的腐蝕，為解決此問題，全塔采用復(fù)合材料玻璃鋼，它集中了玻璃纖維和合成樹脂的特性，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、絕緣隔熱、耐瞬時(shí)高溫?zé)g、強(qiáng)度和形狀可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［6－8］?；诓煌Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件下的模擬計(jì)算，優(yōu)化塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)，確定塔內(nèi)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過與未加裝導(dǎo)流板脫硫空塔的煙氣流場(chǎng)對(duì)比分析，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)提高煙塔的脫硫效率的可行性，同時(shí)指出煙氣流場(chǎng)數(shù)值模擬對(duì)布置噴淋層的重要指導(dǎo)意義。

1 設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)參數(shù)

脫硫煙塔本質(zhì)上是一種噴淋塔，和噴淋塔一樣，塔內(nèi)煙氣和漿液的流場(chǎng)分布直接決定著塔內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱及反應(yīng)進(jìn)行，特別是煙氣的流動(dòng)特性直接影響到煙塔幾何尺寸的確定及塔內(nèi)噴嘴數(shù)量、噴嘴型式和噴嘴的布置方式等［9－11］。

通過對(duì)脫硫煙塔的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)煙氣流動(dòng)不均、氣流偏轉(zhuǎn)，而噴淋層布置采用同心圓方式，且噴嘴數(shù)量較少，從而導(dǎo)致了煙塔脫硫效率嚴(yán)重下降的問題。文中涉及的煙塔優(yōu)化設(shè)計(jì)著眼點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn):(1)提高脫硫煙塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的均勻性;(2)在脫硫反應(yīng)全高度段保持噴淋液的霧化效果;(3)使煙氣具有旋流板塔的流動(dòng)特性以增加噴淋漿液在煙塔內(nèi)的行程及與煙氣的接觸反應(yīng)時(shí)間［12－14］;(4)避免噴淋液在塔內(nèi)壁和導(dǎo)流板表面的附著與堆積?；谏鲜隹紤]，在不改變脫硫煙塔主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用變直徑高度段噴淋液上升管設(shè)計(jì)，在噴淋層和煙氣進(jìn)口之間嵌裝螺旋上升的非連續(xù)導(dǎo)流板，如圖1所示。

經(jīng)過多次改變導(dǎo)流板數(shù)量、結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置，最終得到了合理優(yōu)化的煙氣流場(chǎng)。本設(shè)計(jì)在塔內(nèi)布置3塊導(dǎo)流板，高度均為100cm，均旋轉(zhuǎn)180°，導(dǎo)流板自下至上的寬度分別為62、62、55cm，相鄰兩導(dǎo)流板在垂直方向間距15cm，在水平方向有10～20°的重合部分。第1塊導(dǎo)流板安裝位置的起點(diǎn)與煙氣入口正對(duì)，高度距煙道上邊垂直高度為25cm。

圖1 脫硫煙塔模型

在7～12m的位置，均勻間隔1m布置四層噴淋層，每層布置6個(gè)噴淋支管，螺旋噴嘴布置在噴淋支管末端，每層6個(gè)噴嘴，噴淋支管直徑和中間管道的直徑見表1。

表1 噴淋支管直徑和中間管道的直徑

2 煙塔內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬與優(yōu)化

根據(jù)脫硫系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，對(duì)改造前后脫硫煙塔內(nèi)煙氣流動(dòng)狀況作如下假設(shè):煙速較低，可以將煙氣視為不可壓縮性牛頓流體;忽略重力和煙溫對(duì)煙氣流動(dòng)的影響;不考慮塔內(nèi)噴嘴、除霧器和小部件對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響;不考慮漿液噴淋對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響。

基于FLUENT平臺(tái)模擬確定導(dǎo)流板最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置。因?yàn)闊熕?nèi)嵌有導(dǎo)流板，煙氣流場(chǎng)湍流程度劇烈，且流動(dòng)呈現(xiàn)旋流和回流，計(jì)算區(qū)域較大。而RNG k－ε模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，它在復(fù)雜剪切流動(dòng)、旋流和分離流場(chǎng)中的預(yù)測(cè)比標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型要好［15］。故本文采用重整化RNG k－ε模型，顯示格式和Simple算法。

入口邊界為速度入口，出口邊界為自由出流，壁面邊界采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

網(wǎng)格化分時(shí)，在噴淋層和導(dǎo)流板處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，圖2、3分別顯示了導(dǎo)流板和噴淋管的加密劃分情況。劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為838735，單元網(wǎng)格數(shù)為4752861。對(duì)網(wǎng)格的縱橫比、偏斜率、壓扁程度等進(jìn)行分析，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。

圖2 導(dǎo)流板處網(wǎng)格加密

圖3 噴淋層網(wǎng)格加密

3 結(jié)果分析

本文對(duì)比分析改造前后脫硫煙塔的煙氣速度流場(chǎng)，圖4是改造前后煙氣在整個(gè)脫硫煙塔內(nèi)和噴淋區(qū)的流線分布情況。圖4表明，改造后脫硫煙塔內(nèi)部煙氣的均勻性、充滿度要高于改造前的脫硫煙塔。改造前，煙氣在脫硫煙塔內(nèi)發(fā)生偏離且集中在遠(yuǎn)離煙氣進(jìn)口側(cè)，在噴淋區(qū)存在煙氣盲區(qū)，通過加裝導(dǎo)流板，這種現(xiàn)象得到有效改善。

圖4 改造前后脫硫煙塔整體煙氣流線

從改造前后脫硫煙塔內(nèi)第一噴淋層橫截面煙氣速度矢量圖可知，改造前脫硫煙塔在相同位置的煙氣均勻性較差，且存在渦旋區(qū)，而改造后塔內(nèi)煙氣螺旋勢(shì)頭十分有序，流場(chǎng)均勻充滿整個(gè)橫截面。還表明，無論改造前后，脫硫煙塔煙氣都密集分布在噴淋支管末端(即噴嘴處)，說明此處安裝噴嘴的正確性。然而煙氣在每層的噴淋支管處都較為密集，所以只在噴淋支管末端安裝噴嘴，若噴淋重疊覆蓋面積不足，則脫硫效果受到極大影響，尤其是在噴淋層的中心位置。

通過軟件的計(jì)算可知，在不加導(dǎo)流板的工況下，噴淋層附近煙氣沿?zé)焽栎S向的速度為4.5m/s，加入導(dǎo)流板之后的速度為3.6m/s。煙氣沿著軸向的速度明顯降低，因此煙氣與噴淋液接觸的時(shí)間會(huì)明顯增加，有利于煙氣脫硫反應(yīng)的充分進(jìn)行。

4 結(jié)語

針對(duì)某印染企業(yè)導(dǎo)熱油鍋爐機(jī)組現(xiàn)有脫硫煙塔存在的脫硫效果不佳問題，提出內(nèi)徑漸縮管段和內(nèi)壁非連續(xù)螺旋上升導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，解決高位脫硫漿液噴淋不均和塔內(nèi)流場(chǎng)不均、脫硫反應(yīng)不足等問題。

借助FLUENT軟件平臺(tái)，通過數(shù)次改變導(dǎo)流板的數(shù)量、結(jié)構(gòu)參數(shù)和導(dǎo)流板在塔內(nèi)的位置，得到了煙氣在塔內(nèi)的最優(yōu)流場(chǎng)。對(duì)比改造前后脫硫煙塔的煙氣流場(chǎng)，結(jié)果表明導(dǎo)流板型脫硫煙塔塔內(nèi)煙氣均勻地分布在整個(gè)煙塔內(nèi)，和未加導(dǎo)流板的脫硫煙塔相比，煙氣與噴淋液有效的接觸面積變大，這促進(jìn)了脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。另外，改造塔的煙氣在近壁處仍呈現(xiàn)良好的均勻性和旋轉(zhuǎn)性，使得煙氣能沖刷壁面上的噴淋液，有效減少壁面處的結(jié)垢問題，這也為采用石灰－石膏法的大型噴淋塔所出現(xiàn)的結(jié)垢問題，提供實(shí)用的解決方法。

［1］曹文忠.中小型鍋爐煙氣脫硫的技術(shù)探討［J］.山西建筑，2004，30(12):96－97.

［2］胡園桃.玻璃鋼在中小型鍋爐煙氣脫硫裝置中的應(yīng)用［J］.山西化工，2007，27(4):67－68.

［3］張忠鑾.導(dǎo)熱油鍋爐系統(tǒng)介紹及安裝監(jiān)檢過程中應(yīng)注意的問題［J］.廣東科技，2013(10):198－199.

［4］魏宇，郭士義，代偉偉.煙囪－脫硫塔“煙塔合一”技術(shù)在中小型鍋爐煙氣脫硫工程中的應(yīng)用［J］.上海電氣技術(shù)，2010，3(3): 43－47.

［5］韓月榮.煙塔合一技術(shù)的環(huán)保優(yōu)勢(shì)［J］.河北電力技術(shù)，2005 (3):36－39.

［6］楊小兵，田樹桐.玻璃鋼在燃煤電廠濕煙囪中的應(yīng)用研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2011(2):39－42.

［7］Don Kelley.The use of FRP in FGD applications［J］.Reinforced Plastics，2007，5(1):14－19.

［8］薛忠民.中國(guó)復(fù)合材料/玻璃鋼工業(yè)50年［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2009，208(5):84－88.

［9］JB/T 10991－2010，濕法煙氣脫硫裝置專用設(shè)備噴淋管［S］.

［10］張力，鐘毅，施平平.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)噴淋塔噴嘴特性與布置研究［J］.湖南電力，2007，27(5):43－50.

［11］林永明，高翔，施平平.濕法煙氣脫硫(WFGD)噴淋塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究［J］.熱力發(fā)電，2006(4):6－9.

［12］史少軍，吳玉祥，錢秉鈞.旋流板塔技術(shù)在鍋爐煙氣脫硫除塵中的應(yīng)用［J］.上海環(huán)境科學(xué)，1997，16(11):38－39.

［13］施耀，吳忠標(biāo)，李松.2×25MW機(jī)組旋流板塔雙堿法煙氣脫硫除塵［J］.環(huán)境污染與防治，2000，22(4):28－30.

［14］吳順志.燃煤鍋爐旋流板塔煙氣脫硫技術(shù)研究［J］.煤礦環(huán)境保護(hù)，1995，10(2):18－22.

［15］李鵬飛，徐敏義.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

Design on optimization of gas flow field in stack－desulfarization absorber with deflectors

The stack－desulfarization absorber is designed and built based on the unification technique on stack and absorber and used to remove SO2in the flue gas of oil boiler.To make the spray liquid in the upper layer evenly and better atomization，different but smaller diameter pipes are used to take the place of sprinkler pipes of the same diameter.In order to improve the flow filed of gas，the stack－desulfarization absorber is transformed by installation of some swirling but discontinuous deflectors.The quantity，structure parameters and the positions of the deflectors under the best flow field are identified.Comparison of the flow fields of gas in the stackdesulfarization absorber before and after the transformation，a conclusion is that the use of deflectors makes the flow field better.

stack－desulfarization absorber;deflectors;flow field optimization

X701.3

B

1674－8069(2015)05－032－03

2015-03-12;

2015-05-27

周贊慶(1976-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)楦咝С龎m脫硫技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用。E－mail:zhouzq76@sohu.com