脫硫吸收塔煙氣量減半加均布板改造分析

馬英

摘 要：基于某發(fā)電廠脫硫塔兩爐一塔改為一爐一塔的實(shí)際工程問題，通過吸收塔全尺寸數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)煙氣量減半后吸收塔內(nèi)部煙氣充滿度差且在進(jìn)風(fēng)口上方存在煙氣渦旋，致使脫硫效率低下。針對吸收塔煙氣進(jìn)口上方存在煙氣稀相區(qū)，大量浪費(fèi)吸收劑致使脫硫效率較低的問題，提出在煙氣進(jìn)口上方加裝孔徑為100～150mm、開孔率40%的均布板，模擬結(jié)果顯示加裝均布板可以大幅提升吸收區(qū)的煙氣分布均勻性，有效提高脫硫效率。

關(guān)鍵詞：濕法脫硫；吸收塔；煙氣量減半；均布板

某發(fā)電廠2X300MW機(jī)組的脫硫系統(tǒng)吸收塔設(shè)計之初是一個吸收塔承擔(dān)兩臺300MW發(fā)電機(jī)組的煙氣脫硫任務(wù)。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)脫硫效果不佳，個別工況下脫硫效率甚至低于90%，該發(fā)電廠決定將原先的兩爐一塔改為一爐一塔。由于脫硫塔煙氣處理量減半，煙氣在脫硫塔水平截面內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重分布不均。通過對煙氣量減半后的吸收塔內(nèi)氣液兩相流流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析氣流沿吸收塔水平截面的煙氣分布狀況。并針對吸收塔煙氣進(jìn)口上方存在煙氣稀相區(qū)，提出在煙氣進(jìn)口上方加裝均布板的改造方案，并通過三維模擬驗(yàn)證改造的有效性。

1 吸收塔幾何模型

本文選取該電廠300MW機(jī)組濕法脫硫吸收塔為研究對象展開全尺寸數(shù)值模擬研究，各部分結(jié)構(gòu)按照實(shí)際尺寸建立幾何模型，以保證最后的計算結(jié)果對實(shí)際工程具有指導(dǎo)作用。漿液池內(nèi)部區(qū)域不納入計算區(qū)域，漿液池表面視為靜止液面。為最大減小計算量，用多孔介質(zhì)模型對除霧器進(jìn)行等效果簡化[1]。只考慮其主要管道對流場的干擾作用，忽略噴嘴的幾何尺寸，噴淋采取指定噴射角度的點(diǎn)噴射，液滴粒徑分布采用均勻粒徑分布代替噴頭的作用[2]。模擬計算結(jié)果表明以上簡化可行且有效。

濕法脫硫吸收塔直徑為17m，高度為42.7m，采用離心雙向空心錐型噴嘴，配備2個屋脊式除霧器，由濕法脫硫吸收塔的煙氣入口截面至出口截面。漿液池不計在內(nèi)，漿液池的操作液面視為固體壁面，作為計算域的下邊界。用Solidworks建立幾何模型，圖1為吸收塔和噴淋層三維形狀。對幾何模型進(jìn)行區(qū)域劃分，對噴淋層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行以尺寸函數(shù)為引導(dǎo)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，對煙氣出口區(qū)域根據(jù)預(yù)測的煙氣流向進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[3]。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性結(jié)果驗(yàn)證后計算域網(wǎng)格共約100萬。

2 模擬邊界設(shè)置

數(shù)值計算以fluent 軟件為平臺，采用顯式差分格式，SIMPLE 算法，k-ε雙方程realizable模型求解。模擬中邊界條件設(shè)置如下：

（1）吸收塔入口邊界條件認(rèn)為來流速度充分發(fā)展且分布均勻，改造前煙氣來自兩臺鍋爐，煙氣流速為12m/s，改造后煙氣來自一臺鍋爐，煙氣量為6m/s，入口煙氣溫度130攝氏度，入口k 值為來流速度平均動能的0.5%，入口湍流強(qiáng)度：I=0.016（Re）-0.125；

（2）煙氣黏度采用定值：1.9894 ×10-5 kg/（m·s）；

（3）塔及煙道外壁為絕熱邊界，噴淋管外壁溫度取漿液溫度，漿液溫度為50℃；

（4）出口設(shè)置為自由出流邊界條件。

動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程的離散均采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。計算過程中，能量離散方程殘差控制在10-6以下，其他方程殘差控制在10-4以下[4]。

3 流量減半改造前問題分析

吸收塔進(jìn)口管道以一定角度向下傾斜送風(fēng)，依靠氣流自身擴(kuò)容、擴(kuò)散和慣性作用進(jìn)行氣流分布，但這樣的氣流均布效果是有限的，塔內(nèi)氣流分布依舊很不均勻，入口對面塔壁一側(cè)局部風(fēng)速過大，而這部分區(qū)域噴淋的漿液密度小，多為貼壁流，所以造成部分氣流中SO2未完全脫除就被排出，同時，局部風(fēng)速過大也會使得除霧器不能很好的發(fā)揮作用，造成煙囪出口帶液嚴(yán)重的現(xiàn)象，既污染了周圍環(huán)境也浪費(fèi)了吸收劑。

為單獨(dú)分析煙氣量減半前后吸收塔內(nèi)煙氣橫截面上的均勻性的變化，在空塔情況下對吸收塔進(jìn)行原尺寸模擬，圖2為一爐一塔和二爐一塔（煙氣流速分別6m/s、12m/s）吸收塔空塔模擬結(jié)果流線圖展示。由于二爐一塔煙氣速度大，煙氣剛性大，煙氣沿著吸收塔進(jìn)出口外側(cè)流動，但是由于二爐一塔煙氣量為一爐一塔的兩倍，吸收塔內(nèi)部煙氣充滿度比一爐一塔好，由圖2一爐一塔流線圖可以看出，噴淋層下方靠近煙氣進(jìn)口側(cè)煙氣流線較少，說明經(jīng)過該區(qū)域煙氣量較少，導(dǎo)致該區(qū)域脫硫效率極低，其他區(qū)域脫硫負(fù)荷被迫升高。

煙氣量減半后，吸收塔煙氣進(jìn)口上方存在煙氣稀相區(qū)，導(dǎo)致吸收塔內(nèi)局部煙氣速度過大，脫硫效率低。提出在煙氣進(jìn)口上方加裝孔徑為100–150mm、開孔率40%的均布板，使吸收區(qū)的煙氣分布更加均勻。

4 加裝均布板改造效果分析

吸收塔進(jìn)口管道以一定角度向下傾斜送風(fēng)，依靠氣流自身擴(kuò)容、擴(kuò)散和慣性作用進(jìn)行氣流分布，但這樣的氣流均布效果是有限的，塔內(nèi)氣流分布很不均勻，入口對面塔壁一側(cè)局部風(fēng)速過大，而這部分區(qū)域噴淋的漿液密度小，多為貼壁流，所以造成部分氣流中SO2未完全脫除就被排出。同時，局部風(fēng)速過大和過小也會使得除霧器不能很好的發(fā)揮作用，造成煙囪出口帶液嚴(yán)重的現(xiàn)象，既污染了周圍環(huán)境也浪費(fèi)了吸收劑。

針對該問題，采用均布板加以改造，所采用的均布板為圓盤狀，其上開有若干圓形孔洞，圓形孔洞分布均勻，孔洞的孔徑100–150mm，開孔率40%，安裝在吸收塔煙氣入口正上方1m處。對安裝均布板之后的吸收塔進(jìn)行數(shù)值模擬，在額定工況下，均布板煙氣壓降為298pa，圖3是均布板下橫截面和均布板上橫截面的速度場比較。可以看到，經(jīng)過均布板，速度分布均勻性大幅提高。煙氣在塔內(nèi)的平均停留時間大幅延長，脫硫反應(yīng)時間更加充裕，有利于提高脫硫效率。另一方面，煙氣從入口進(jìn)入塔內(nèi)，通過均布板的調(diào)節(jié)作用，使得均布裝置上部的塔內(nèi)煙氣能夠均勻分布，有效地減少了局部氣速過大的問題，避免了因氣速過大或過小導(dǎo)致的除霧效果不佳的問題，提高了除霧效率，減少了吸收液的浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]曾芳.用數(shù)值模擬方法進(jìn)行脫硫塔的優(yōu)化設(shè)計[J].華北電力大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，37（2）：94-98.

[2]展錦程，冉景煜，孫圖星.煙氣脫硫吸收塔反應(yīng)過程的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J].動力工程學(xué)報，2008，28（3）：433-437.

[3]鄧佳佳.燃煤電廠煙氣脫硫吸收塔內(nèi)過程優(yōu)化及脫硫廢水的零排放處理[D].重慶大學(xué)，2015.

[4]宋健斐，彭園園，郭本玲，等.循環(huán)流化床煙氣脫硫塔入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)值模擬[J].環(huán)境工程學(xué)報，2010，（10）：2283-2286.