基于CFD技術(shù)的鎂法脫硫塔入口煙道流場優(yōu)化分析

鞠鎧陽，李 威，王 欣，洪文鵬

(1.天津國投津能發(fā)電有限公司，天津 300480；2.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

基于CFD技術(shù)的鎂法脫硫塔入口煙道流場優(yōu)化分析

鞠鎧陽1，李 威2，王 欣2，洪文鵬2

(1.天津國投津能發(fā)電有限公司，天津 300480；2.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

以某300 MW機組鎂法脫硫塔為研究對象，針對入口煙道內(nèi)存在的氣流沖壁現(xiàn)象，利用計算流體動力學(xué)軟件Ansys13.0，對其進行了流場數(shù)值模擬。塔內(nèi)煙氣采用Reynolds時均Navier-Stokes方程描述，離散相采用拉格朗日模型描述。通過對布置不同導(dǎo)流板的方案分析表明，在煙道內(nèi)布置若干數(shù)量的導(dǎo)流板，可以有效地緩解入口煙道內(nèi)壁的氣流沖刷現(xiàn)象；同時導(dǎo)流板的布置使得塔內(nèi)煙氣流場分布更加均勻，氣液兩相混合更的均勻，并提高了吸收效率。綜合考慮入口導(dǎo)流板數(shù)量以及塔內(nèi)流場分布，布置三塊導(dǎo)流板最為合理；另外針對入口處布置不同數(shù)量導(dǎo)流板的模擬結(jié)果對鎂法噴淋塔的現(xiàn)場運行以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

鎂法煙氣脫硫；導(dǎo)流板；優(yōu)化；Ansys13.0

中國是一個以煤炭為主要能源的國家，并且大部分煤炭品位低，原煤中灰分和硫含量較高[1]，煤炭燃燒生成的SO2已成為中國大氣污染的主要污染物?；痣姀S排放的SO2約占全國SO2排放量的1/3[2]。我國在1995年SO2排放量嚴重超出環(huán)境的自凈能力，其總量達到2370萬噸，超越歐洲和美國等地區(qū)。目前我國發(fā)電企業(yè)仍以火電為主，控制SO2排放成為我國發(fā)電企業(yè)面臨的重大問題。自2002年，中國在電力行業(yè)內(nèi)開展了大規(guī)模的SO2治理工程。為控制以SO2排放為主造成酸雨污染的惡化趨勢，脫硫工藝的發(fā)展也越來越成熟，這其中應(yīng)用比較廣泛的是鎂法、鈣法、氨法等工藝[3-4]。鎂法脫硫技術(shù)的優(yōu)點有：占地面積小、綜合效益好、運行費用低、安全可靠、脫硫效率高、沒有二次污染、副產(chǎn)品能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益等，同時又避免了大型濕法脫硫的諸多缺點，因此鎂法脫硫?qū)⒅鸩降玫礁鼮閺V泛的應(yīng)用[5]。

多數(shù)濕法噴淋塔在設(shè)計和運行時均沒有充分考慮煙道的優(yōu)化，噴淋塔內(nèi)氣液兩相流場以及進口煙道內(nèi)的流場分析對于整個系統(tǒng)的可靠性及安全運行具有重要的意義。本文針對某300MW機組鎂法脫硫塔入口煙道存在的氣流沖刷內(nèi)壁面的現(xiàn)象進行分析，采取噴淋塔入口煙道處布置不同導(dǎo)流板的方案作為應(yīng)對策略，運用Ansys13.0軟件，對其導(dǎo)流板的數(shù)量以及塔內(nèi)流場進行了三維數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果與原塔進行對比分析，選出最優(yōu)方案，期望對系統(tǒng)的實際運行及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 噴淋塔內(nèi)部煙氣流場數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 煙氣相流場的控制方程

在脫硫塔內(nèi)，煙氣向上流動，液體向下流動，屬于三維非定常氣液兩相流動，氣液兩相在塔內(nèi)的運動過程中伴隨著質(zhì)量和動量方面的交換，這些交換是一直存在的。歐拉坐標系下的煙氣流場方程為

(1)

式中：φ為通用變量(可以是湍動能、耗散率和速度等的求解變量)；Γφ為廣義擴散系數(shù)；U為速度矢量；Sφp為液滴對煙氣的作用源項。在此方程的基礎(chǔ)上氣相的模擬采用標準k-ε雙方程模型實現(xiàn)方程的封閉[6-7]。同時，近壁面選用壁面函數(shù)法來修正[8]。因為Launder等[9]人提出的k-ε雙方程模型有較高的計算精度且計算量較小的優(yōu)點，所以雷諾應(yīng)力項的封閉采用k-ε雙方程。

1.2 液相控制方程

由于Lagrangian顆粒軌道模型可以完整地考慮顆粒與流體間的相互作用，采用隨機軌道方法進行修正，并且在計算過程中跟蹤計算顆粒沿軌道的動量增加與損失，與此同時所得計算結(jié)果方便用于后續(xù)的連續(xù)相計算中，因此液相模擬采用Lagrangian顆粒隨機軌道模型。

液滴相控制方程

(2)

(3)

(4)

式中：dp為粒徑；u為速度，m/s；μ為動力粘度，Pa·s；ρ為密度，kg/m3；d為粒徑，m；CD為同ReD有關(guān)的函數(shù)。

2 脫硫塔內(nèi)煙氣流場的模擬計算

2.1 建立脫硫塔模型及假設(shè)

本文模擬的噴淋塔模型如圖1所示(簡化后模型)，其模型為逆流噴淋塔。煙氣從脫硫塔入口進入塔內(nèi)，塔內(nèi)噴嘴向下噴淋液滴，煙氣與液滴互相接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進而達到凈化煙氣的目的，被凈化后的煙氣從塔內(nèi)上部的除霧器排出噴淋塔。

圖1 噴淋塔結(jié)構(gòu)示意圖

由于采取以下假設(shè)能使建模以及計算過程得到簡化[10-13]，同時結(jié)果的精確性受到略微的影響。因為本文主要的研究是對脫硫塔內(nèi)的流場作定性分析而非定量分析，略微的誤差是可以接受的。

針對本文的模擬，對煙氣與液滴兩相作如下假設(shè)：

(1)噴淋塔模擬區(qū)域為除霧器以下至漿液面部分；

(2)煙氣可看作是不可壓縮流體；

(3)暫不考慮塔內(nèi)噴嘴等部件對煙氣流場的影響；

(4)脫硫塔內(nèi)進行的過程復(fù)雜多變，其內(nèi)部的流場是非穩(wěn)態(tài)的，本次模擬假定為穩(wěn)態(tài)。

表1 煙氣與液滴的參數(shù)及邊界條件

2.2 氣液兩相流場參數(shù)及邊界條件

煙氣與液滴的參數(shù)及邊界條件，如表1所示。

2.3 網(wǎng)格的無關(guān)性討論

本文分別選取了67萬、82萬、109萬以及134萬數(shù)量的網(wǎng)格分別對四類幾何模型進行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)格數(shù)增加，相鄰網(wǎng)格數(shù)間相對誤差逐漸減小，直至網(wǎng)格數(shù)達到109萬左右，再增加網(wǎng)格數(shù)目，其模擬結(jié)果基本不變，經(jīng)考慮最終選取109萬網(wǎng)格方案，由于4種幾何模型相差不大，故均采用109萬網(wǎng)格，這種做法不但運算簡潔，結(jié)果的精確性也得到了保證。

3 計算結(jié)果與討論

通過對在噴淋塔入口布置不同數(shù)量的導(dǎo)流板進行模擬，其模擬結(jié)果與原塔進行對比分析，選出一個最優(yōu)的布置方案。頂層噴淋層上方1m處的截面的速度云圖，如圖2所示。

從圖2(a)中可以看出，原塔截面的速度不規(guī)整，中部左側(cè)速度比右側(cè)大，說明經(jīng)過噴淋層的煙氣與噴淋液滴接觸不充分，直接影響吸收效率；而圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)中布置導(dǎo)流板后，速度分布逐步得到了改善，圖2(d)中改善最為明顯，速度分布趨于均勻。比較分析得出，脫硫塔入口處布置三塊導(dǎo)流板的方案中煙氣經(jīng)過噴淋層到達出口時速度比較均勻，說明氣液兩相在這之前接觸的比較充分，這種布置方案對于增強漿液與煙氣的傳質(zhì)交換，優(yōu)化氣液分布均勻性，提高系統(tǒng)SO2的吸收率都有很大的意義。

圖2 頂層噴淋層上方1m處的截面的速度云圖

不同入口條件下的噴淋塔系統(tǒng)的氣流速度云圖，如圖3所示。從圖3(b)中看出布置一塊導(dǎo)流板時，入口內(nèi)壁的氣流沖刷現(xiàn)象沒有得到改善，還是存著沖刷現(xiàn)象；圖3(c)中布置兩塊導(dǎo)流板時較之前的方案內(nèi)壁面沖刷現(xiàn)象有所緩解；而圖3(d)中布置三塊導(dǎo)流板時，沖刷現(xiàn)象得到了明顯改善。比較分析得出，布置三塊導(dǎo)流板在很大程度上對流經(jīng)該區(qū)域的氣流進行了疏導(dǎo)，減少了氣流對該區(qū)域的沖刷。

圖3 不同入口條件下的氣流速度云圖

圖4給出了底層噴淋層下方1 m處截面的速度等值圖，圖中數(shù)值代表速度，此處的截面比較具有代表性，由于該截面是煙氣與液相的主要反應(yīng)區(qū)域，SO2吸收的好壞跟該截面有很大關(guān)系。因此，煙氣在此橫截面上均勻性以及氣液混合均勻程度的好壞均可由該截面上的速度分布的好壞來反映。另外，從圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中可以看出，截面中間區(qū)域主流速度為1 m/s，與塔的設(shè)計煙氣速度3 m/s-5 m/s相差很大，反而越靠近壁面速度越大，與設(shè)計速度比較接近；而圖4(d)中布置三塊導(dǎo)流板的截面速度分布比較均勻，整個截面的速度基本在3 m/s-5 m/s左右，這是最有利于脫硫反應(yīng)的速度。通過上述分析得出，在噴淋塔入口處布置三塊導(dǎo)流板時，在同一截面里，煙氣速度分布較為均勻，因此有利于氣液兩相很好的混合，增加接觸時間，從而提高SO2吸收率。

圖4 底層噴淋層下方1m處截面的速度等值圖

圖5 不同入口條件下吸收塔內(nèi)壓力沿塔高的變化曲線

圖6 中空錐形噴嘴噴淋效果圖

對于脫硫系統(tǒng)來說，研究脫硫塔阻力特性是比較有意義的。不同入口條件下吸收塔內(nèi)壓力沿塔高的變化曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，三種方案的曲線的下降趨勢與原塔大致相同，沒有出現(xiàn)突然下降和或者突然上升的趨勢，也說明布置導(dǎo)流板的幾種方案都是可行的，影響壓降的主要因素是噴淋層的層數(shù)[14]，本次為三層噴淋層?？紤]到之前討論的合理性，認為布置三塊導(dǎo)流板是最優(yōu)方案。

塔內(nèi)噴淋的效果圖，如圖6所示。一般情況下，噴嘴噴出的漿液有很多種形態(tài)，此次模擬中，噴淋塔噴嘴為實體錐形，基本上噴淋形成的錐體可以認為是以噴嘴位置為頂點的錐體。這樣的噴淋能全面覆蓋煙氣，使?jié){液與煙氣能更好的接觸，利于SO2吸收，從而提高其脫除率。

4 結(jié) 論

對比結(jié)果可知，在噴淋塔入口煙道內(nèi)合理地布置導(dǎo)流板，能夠有效的改善入口煙道以及塔內(nèi)流場分布狀況，有利于兩側(cè)的煙氣平衡，使得氣液兩相在塔內(nèi)更好地接觸，提高SO2吸收率；同時，從壓力曲線也可以看出，幾種方案的下降趨勢和原塔相近，說明幾種方案都是可行的，但相比其他方案，入口處布置三塊導(dǎo)流板的優(yōu)化結(jié)果更為明顯。與此同時，幾何模型中也布置了四塊甚至更多導(dǎo)流板，并對其進行數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，布置四塊或更多導(dǎo)流板時，其模擬結(jié)果與三塊導(dǎo)流板的結(jié)果相差無幾，非常接近；另外，綜合考慮成本的問題，認為方案d(布置三塊導(dǎo)流板)為最優(yōu)方案。期望本次模擬的結(jié)果能對系統(tǒng)的實際運行及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

[1] 國家環(huán)境保護總局.中國環(huán)境統(tǒng)計公報[M].北京：國家環(huán)境保護總局，2009.

[2] 中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會.中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)技術(shù)裝備水平評價[M].1版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2000，131.

[3] 秦宏，孫佰仲，柏靜儒，等.氣化爐內(nèi)鈣基脫硫劑硫化反應(yīng)的研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2007，27(6)：5-8.

[4] 洪文鵬，高天聰，張偉玲.氨法煙氣脫硫噴淋塔煙氣流場的數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2014，34(1)：10-15.

[5] 張廣文，孫墨杰，張蒲璇，等.燃煤火力電廠脫硫廢水零排放可行性研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2014，34(5)：87-91.

[6] 曾芳.用數(shù)值模擬方法進行脫硫塔的優(yōu)化設(shè)計[J]，華北電力大學(xué)學(xué)報，2010，37(2)：94-97.

[7] 魏星，李偉力，凡鳳仙，等.脫硫塔氣固兩相流場優(yōu)化的數(shù)值模擬研究[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26(7)：12-18.

[8] B.E.Launder， D.B.Spalding.The numerical computation of turbulent flows[J].Computer Methods in Applied Mechanies and Engineering， 1974，3(2)：269-289.

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

[10] 張建文，楊振亞，張政，等.流體流動與傳熱過程的數(shù)值模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：121-130.

[11] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：63-125.

[12] 白云峰，崔一塵，汪洋，等.660MW機組濕法脫硫雙入口吸收塔內(nèi)氣液流場模擬[J].熱力發(fā)電，2009，38(1)：14-17.

[13] 趙拮，田賀忠，阿慶興，等.濕式煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005，6(5)：16-20.

[14] 林永明，高翔，施平平，等.大型濕法煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)阻力特性數(shù)值模擬[J].中國電機工程學(xué)報，2008，28(5)：28-32.

Optimization on the Entry Section of Magnesium Desulfurization Scrubber Based on CFD

Ju Kaiyang1，Li Wei2，Wang Xin2，Hong Wenpeng2

(1.Tian Jin SDIC Jinneng Electric Power Company Ltd.,Tianjin 300480；2.Energy Resource and Power Engineering College， Northeast Electric Power University， Jilin Jilin 132012)

Taking the magnesium 300MW units desulfurization scrubber as an object of study，to solve the entry of scouring wall by the gas stream，numerical simulation was carried out with computational fluid dynamics theory and Ansys13.0 software.The turbulent flow of gas in the scrubber was described by Reynolds-averaged Navier-Stokes equations，and the discrete phase was described by Lagrangian discrete phase model.Through the arrangement of the different options of the deflectors showed that compared with the original scrubber，by arrangement of different deflector in the entry section，gas stream scouring in the entry section was effectively weakened;Meanwhile，flue gas flow field distribution in scrubber was more uniform by arrangement of deflector，the gas and liquid could contact with each other more sufficiently，and Increase the absorption efficiency.Considering the flow distribution in the entry section and scrubber，the arrangement of three deflectors was the most reasonable option.As a result，references and advices were given to site operation and optimization of magnesium desulfurization scrubber.

Magnesium FGD;Deflector;Optimization;Ansys13.0

2016-08-09

鞠鎧陽(1991-)，男，助理工程師，主要研究方向：火力發(fā)電廠節(jié)能減排.

1005-2992(2017)01-0029-05

X511

A

電子郵箱： 54279312@qq.com(鞠鎧陽)；vly1314@163.com(李威)；616382040@qq.com(王欣)；274960220@qq.com(洪文鵬)