濕法煙氣脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)模擬及優(yōu)化

藺海艷，雷本喜

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇鹽城224051）

濕法煙氣脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)模擬及優(yōu)化

藺海艷，雷本喜

（江蘇科行環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇鹽城224051）

以某熱電廠脫硫裝置為模擬對(duì)象，采用CFD流場(chǎng)模擬軟件對(duì)脫硫裝置進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值模擬及計(jì)算等，分析脫硫裝置內(nèi)的速度分布、溫度分布、煙氣入射角及壓損等，并進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳結(jié)構(gòu)及內(nèi)部導(dǎo)流板布置形式。

脫硫；CFD；流場(chǎng)分布；托盤

引言

電廠燃煤鍋爐要達(dá)到ρ（SO2）≤35mg/Nm3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)仍將是首選技術(shù)。該技術(shù)脫硫裝置內(nèi)煙氣流場(chǎng)既能影響脫硫效率，也會(huì)影響除霧效率。

本文運(yùn)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)出口煙道、脫硫塔內(nèi)部煙氣分布進(jìn)行數(shù)字模擬分析，預(yù)測(cè)脫硫系統(tǒng)的煙氣分布，優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)流板、聚氣環(huán)等裝置，從而使煙氣能夠充分均勻混合，保證流場(chǎng)的均勻性，并有效降低系統(tǒng)的阻力。同時(shí)對(duì)吸收塔內(nèi)部托盤、噴淋層、除霧器等進(jìn)行近似模擬計(jì)算，探討吸收塔內(nèi)部流場(chǎng)分布，為脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1　模型建立與計(jì)算

1.1幾何建模及網(wǎng)格劃分

按照某熱電廠脫硫系統(tǒng)裝置建立1∶1比例的三維幾何模型。模型建立之后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分將模型離散化，即通過(guò)有限的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來(lái)描述實(shí)際的空間連續(xù)實(shí)體?？紤]到模型復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，計(jì)算區(qū)域需采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，整個(gè)模型總網(wǎng)格數(shù)約460萬(wàn)。

模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，做如下簡(jiǎn)化：

1）以空氣代替煙氣，進(jìn)入除霧器通道可把氣體視為不可壓縮氣體。

2）以水代替漿液。

3）忽略漿池部分，忽略煙氣流經(jīng)漿池液面時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)容流動(dòng)，將漿池液面作為固定、絕熱壁面來(lái)處理。

4）不考慮漿液池上方氣液兩相區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)。

5）將托盤簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型。

6）除霧器部分簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型。

7）將各噴淋層中的主管和支管簡(jiǎn)化為粗細(xì)均勻的圓柱管體。

8）忽略漿池部分，忽略煙氣流經(jīng)漿池液面時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)容流動(dòng)，將漿池液面作為固定、絕熱壁面來(lái)處理。

1.2數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.2.1湍流模型

脫硫系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的湍流流動(dòng)過(guò)程，考慮到數(shù)學(xué)模型的可靠性和工程應(yīng)用的可行性，本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-?雙方程模型來(lái)模擬脫硫裝置內(nèi)部的煙氣流動(dòng)情況。在直角坐標(biāo)系下，基本控制微分方程如下：

以上控制方程求解時(shí)，采用了求解壓力耦合方程的全隱算法SIMPLE算法。

1.2.2多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)模型可以應(yīng)用于很多問(wèn)題，如通過(guò)充滿的介質(zhì)、通過(guò)濾紙、穿孔圓盤、流量分配器以及管道堆的流動(dòng)。對(duì)于本模型中托盤和除霧器的模擬，將由多孔介質(zhì)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)使用這一模型時(shí)，就定義了一個(gè)具有多孔介質(zhì)fluid單元區(qū)域，而且流動(dòng)的壓力損失由多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程中所輸入的內(nèi)容來(lái)決定。事實(shí)上多孔介質(zhì)不過(guò)是在動(dòng)量方程中具有了附加的動(dòng)量損失而已。因此，多孔介質(zhì)模型具有以下限制：

1）流體通過(guò)介質(zhì)時(shí)不會(huì)加速，因?yàn)槭聦?shí)上出現(xiàn)的體積阻塞并沒(méi)有在模型中出現(xiàn)。這對(duì)于過(guò)渡流是有很大影響的，因?yàn)樗馕吨鳩LUENT不會(huì)正確地描述通過(guò)介質(zhì)的過(guò)渡時(shí)間。

2）多孔介質(zhì)對(duì)于湍流的影響只是近似的。在多孔介質(zhì)中，默認(rèn)的情況下FLUENT會(huì)求解湍流量的標(biāo)準(zhǔn)守恒方程，因此介質(zhì)中的湍流被這樣處理：固體介質(zhì)對(duì)湍流的生成和耗散速度沒(méi)有影響。

多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程具有附加的動(dòng)量源項(xiàng)。該源項(xiàng)由兩部分組成，一部分是粘性損失相（Darcy），另一部分是內(nèi)部損失項(xiàng)，如下：

其中：Si是i向（x、y或z動(dòng)量源項(xiàng)），D和C是規(guī)定的矩陣。在多孔介質(zhì)單元中，動(dòng)量損失對(duì)于壓力梯度有貢獻(xiàn)，壓降和流體速度（或速度平方）成比例。

對(duì)于簡(jiǎn)單的均勻多孔介質(zhì)：

其中：α是滲透因子，C2是內(nèi)部阻力因子。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次模擬托盤阻力設(shè)定△P=500 Pa，除霧器阻力設(shè)定為△P=200 Pa，進(jìn)而得到計(jì)算時(shí)內(nèi)部阻力系數(shù)（y方向即為煙氣流動(dòng)方向）：

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1速度分布

對(duì)比脫硫裝置內(nèi)導(dǎo)流板前后煙氣速度分布，分析可知，通過(guò)在入口煙道拐角處增設(shè)導(dǎo)流板，可合理調(diào)節(jié)煙氣的分布，改善煙氣速度流場(chǎng)，減緩高速煙氣流對(duì)煙道的沖刷。

脫硫裝置內(nèi)煙氣速度分布，在脫硫塔內(nèi)部增設(shè)托盤之后，塔盤下方的煙氣在托盤壓力作用下自動(dòng)調(diào)整，使得塔盤下煙氣速度分布均勻。

除霧器內(nèi)流速不均會(huì)造成局部堵塞或液滴逃逸，嚴(yán)重影響除霧器的效果，所以頂吸收塔內(nèi)除霧器上游的速度均勻性是影響脫硫性能的重要指標(biāo)。頂層除霧器上游截面煙氣流速均勻，流速處于3.2～4 m/s之間，經(jīng)計(jì)算，該截面平均煙氣流速約3.44m/s，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.47，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.66%。一般認(rèn)為速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%即滿足行業(yè)內(nèi)速度均勻指標(biāo)。

2.2壓力分布

增加導(dǎo)流板后，煙氣速度分布更加均勻，高速流區(qū)得到緩解，整個(gè)系統(tǒng)阻力減小，經(jīng)計(jì)算，增設(shè)導(dǎo)流板后煙道系統(tǒng)阻力減小約100 Pa。

主要的壓力損失集中在彎道、托盤和除霧器層阻力。經(jīng)計(jì)算，100%負(fù)荷時(shí)，總壓降約1 045 Pa，其中托盤層壓降約占500 Pa，除霧器層的阻力約150 Pa，進(jìn)口煙道阻力約100 Pa，出口煙道阻力180 Pa，脫硫塔本體約115 Pa，4層噴淋層約1 000 Pa，可算出脫硫塔煙道系統(tǒng)阻力為280 Pa，脫硫塔阻力為1 750 Pa，滿足該項(xiàng)目壓力損失要求。

2.3煙氣流動(dòng)方向

在導(dǎo)流板的合理布置條件下，各段煙道內(nèi)的煙氣均能保證良好的方向均勻性，回流漩渦少，可有效避免煙氣沖刷和局部積灰現(xiàn)象。煙氣經(jīng)過(guò)托盤后，煙氣流向得到明顯矯正。經(jīng)計(jì)算，來(lái)流煙氣入射角與豎直方向夾角均小于10°，有利于煙氣與噴淋漿液形成對(duì)流，充分接觸混合，提高反應(yīng)效率。

3　結(jié)語(yǔ)

1）在脫硫系統(tǒng)煙道內(nèi)優(yōu)化設(shè)置導(dǎo)流板可優(yōu)化流場(chǎng)，減小系統(tǒng)阻力。

2）脫硫塔內(nèi)增設(shè)托盤，可使塔內(nèi)流場(chǎng)均勻，煙氣流向得到矯正，對(duì)提高脫硫效率和除霧效率有很大的幫助。

（編輯：賈娟）

The Flow Field Simulation and Optim ization of theW et Flue Gas Desulfurization

Lin Haiyan，Lei Benxi
（Jiangsu Cohen Environmental Protection of Science and Technology Co.，Ltd.，Yancheng Jiangsu 224051）

Based on a thermal power plant desulphurization device as simulation objects，the CFD flow field simulation softwarewas carried outon the desulfurization device geometrymodeling，meshing，numerical simulation and calculation，the velocity distribution in the analysis of desulfurization device，the temperature distribution and pressure loss of the incidence Angle and the flue gas，and optimize it，get the bestguide plate structure and the internal layout.

desulfurization；CFD；flow field distribution；tray

X701.3

A

2095-0748（2016）17-0026-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.17.10

2016-07-29

藺海艷（1986—），女，山西呂梁人，研究生，助理工程師，研究方向：大氣污染物治理。