煙氣濕法脫硫噴淋塔導(dǎo)流板優(yōu)化

薛景巖，陳 陣，丁艷軍

（1.國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司，北京 100029；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084）

煤炭是我國(guó)當(dāng)前最重要的一次性能源，而且在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將會(huì)占據(jù)重要地位。我國(guó)煤炭利用以直接燃燒為主，排放了大量污染物，主要包括SO2、NOx、顆粒物、重金屬和有機(jī)物等[1]。近年來(lái)，我國(guó)大氣污染物排放水平正在逐漸降低，但環(huán)境問(wèn)題依然嚴(yán)重，燃煤過(guò)程仍是主要污染源[2]。濕法脫硫系統(tǒng)是處理燃煤煙氣最常用設(shè)備之一，在當(dāng)前我國(guó)燃煤煙氣超低排放的治理背景下，超低排放改造后脫硫系統(tǒng)運(yùn)行成本高是亟需解決的重要問(wèn)題[3]。

由于濕法脫硫噴淋塔的結(jié)構(gòu)比較大，而且為單側(cè)進(jìn)氣，所以很容易產(chǎn)生煙氣偏流現(xiàn)象，塔內(nèi)液氣比分布不均勻，導(dǎo)致脫硫漿液利用率低以及煙氣逃逸等問(wèn)題[4]。通過(guò)改變脫硫系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，組織氣-液兩相流場(chǎng)，可以起到改善氣液接觸條件的作用[4-5]。例如，為了解決脫硫噴淋塔內(nèi)煙氣偏流和氣液傳質(zhì)效果差的問(wèn)題，在噴淋塔內(nèi)增加了多孔托盤(pán)，在一定程度上改善了噴淋塔內(nèi)氣液接觸條件，提高了脫硫效率[5]。但是在實(shí)際操作中，一般需要雙塔串聯(lián)或者單塔雙循環(huán)的方法才能滿足超低排放的要求，運(yùn)行成本較高。張開(kāi)元[6]提出了一種旋匯耦合裝置，安裝于噴淋層下方，煙氣和漿液在該裝置內(nèi)形成一種劇烈的旋轉(zhuǎn)翻騰流動(dòng)狀態(tài)，起到了強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程的作用。而在實(shí)際過(guò)程中，旋匯耦合裝置對(duì)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷變動(dòng)的適應(yīng)性差，難以實(shí)現(xiàn)超低排放穩(wěn)定運(yùn)行。

本文在脫硫塔入口段增設(shè)導(dǎo)流板，組織噴淋塔內(nèi)氣相流場(chǎng)，可避免偏流現(xiàn)象，從而改善塔內(nèi)液氣比分布的均勻性與氣液接觸條件，在提升脫硫效果的同時(shí)，控制或者降低系統(tǒng)阻力。

1 數(shù)值計(jì)算方法

圖1為煙氣偏流現(xiàn)象與導(dǎo)流板式噴淋塔。

圖1 煙氣偏流現(xiàn)象與導(dǎo)流板式噴淋塔Fig.1 The flue gas deviation and the spraying tower equipped with deflectors

本文采用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)噴淋塔內(nèi)氣液流動(dòng)與脫硫過(guò)程進(jìn)行分析，考察導(dǎo)流板對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)分布與脫硫效率、系統(tǒng)阻力的影響規(guī)律。濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程包括SO2吸收、反應(yīng)、中和、氧化和結(jié)晶等過(guò)程，屬于多相流動(dòng)耦合傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程[7-8]。

噴淋塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)中煙氣為連續(xù)的攜帶相，采用歐拉方法描述，其控制方程與單相流動(dòng)方程類(lèi)似，只是需要在源項(xiàng)上加入液滴運(yùn)動(dòng)對(duì)連續(xù)相的影響。離散相的顆粒即漿液液滴，運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過(guò)拉格朗日方法進(jìn)行計(jì)算。流場(chǎng)中液滴主要受浮力、重力和曳力作用，忽略其他作用力，由曳力引起的氣相/液相的動(dòng)量源項(xiàng)可以表示為

式中，Smon、m和v分別表示動(dòng)量源項(xiàng)、質(zhì)量和速度，下標(biāo)g 和d 分別代表氣相與液滴。

式中，F(xiàn)D為曳力，CD為曳力系數(shù)[9]，μ、р和d分別為運(yùn)動(dòng)黏度、密度和粒徑，Re為雷諾數(shù)。

噴淋塔內(nèi)液滴粒徑為2～3 mm，可以認(rèn)為液滴內(nèi)溫度均勻分布，同時(shí)忽略輻射傳熱過(guò)程以及液滴中水分的蒸發(fā)和冷凝過(guò)程，因此相間傳熱過(guò)程僅包括對(duì)流換熱，相應(yīng)的能量源項(xiàng)表達(dá)式為

式中，Sen、h、A和T分別表示能量源項(xiàng)、相間對(duì)流換熱系數(shù)、表面積和溫度，對(duì)流換熱系數(shù)h可以根據(jù)Ranz 和Marshal 提出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算[10]。

SO2的吸收過(guò)程可根據(jù)雙膜理論[4]建立求解模型。在雙膜理論中，氣液交界面兩側(cè)存在液膜和氣膜。SO2組分在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)散至氣液交界面，溶于液膜，并與液相中的石灰石發(fā)生反應(yīng)。由于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程很快，所以SO2的吸收過(guò)程為氣膜控制，主要取決于在氣液交界面的傳質(zhì)過(guò)程。根據(jù)雙膜理論，相界面的SO2質(zhì)量源項(xiàng)等于SO2的傳質(zhì)速率，其表達(dá)式為

總傳質(zhì)系數(shù)K與氣膜、液膜中SO2的傳質(zhì)系數(shù)有關(guān)[12]，其表達(dá)式為

式中，kg和kl分別為膜、液膜中SO2的傳質(zhì)系數(shù)，E為增強(qiáng)因子[13]。

氣膜側(cè)傳質(zhì)系數(shù)通過(guò)計(jì)算舍伍德數(shù)求解[14]

式中，Sh、Sc分別為舍伍德數(shù)和施密特?cái)?shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)，R為通用氣體常數(shù)。

液膜側(cè)傳質(zhì)系統(tǒng)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[15]：

式中、分別為中間系數(shù)與表面張力。

2 物理模型與邊界條件

以某660 MW 燃煤機(jī)組鍋爐的濕法脫硫系統(tǒng)為例，其噴淋塔幾何模型與網(wǎng)格劃分如圖2所示。塔體內(nèi)徑16.4 m，高40.7 m，包括4 層噴淋層、2 層屋脊式除霧器，設(shè)計(jì)脫硫效率為82.2%，設(shè)計(jì)系統(tǒng)阻力為1 613 Pa，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 原噴淋塔幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.2 The geometric model and mesh generation of the original spraying tower

表1 660 MW 機(jī)組脫硫系統(tǒng)噴淋塔設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The design parameters of the wet FGD spraying tower in a 660 MW unit

由于塔體尺寸較大，內(nèi)部安裝有多種構(gòu)件，屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜幾何體，采用六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以實(shí)際脫硫塔液面高度為計(jì)算區(qū)域底面；簡(jiǎn)化噴淋層結(jié)構(gòu)，只考慮噴淋支管對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響；忽略噴淋塔內(nèi)導(dǎo)流環(huán)的影響，托盤(pán)和除霧器采用多孔介質(zhì)模型處理，網(wǎng)格劃分時(shí)不做單獨(dú)處理（圖2）。

進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，采取逐個(gè)加入噴淋點(diǎn)的方式對(duì)噴淋過(guò)程進(jìn)行處理，選擇中空-錐形噴淋模型，噴淋位置、擴(kuò)張角度、流量、粒徑分布等參數(shù)參考實(shí)際脫硫塔設(shè)計(jì)條件設(shè)定。噴淋液滴粒徑分布服從Rosin-Rammler 分布，平均粒徑為2.5 mm。采用隨機(jī)漫步模型（discrete random walk model）近似處理氣相湍流對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響；滴液設(shè)定為多組分顆粒，包括水分和SO2，不考慮水分的凝結(jié)與揮發(fā)過(guò)程。

噴淋塔內(nèi)除霧器和托盤(pán)對(duì)流場(chǎng)的影響，采用階躍型多孔介質(zhì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。階躍型多孔介質(zhì)模型中，多孔介質(zhì)假設(shè)為一定厚度的“阻力膜”。多孔介質(zhì)的阻力主要包括達(dá)西定律決定的阻力損失和慣性損失，表達(dá)式為

式中ΔP、α和分別為阻力、開(kāi)孔率和厚度。

除霧器和多孔托盤(pán)的阻力系數(shù)可根據(jù)不同風(fēng)速下的多孔介質(zhì)阻力試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果確定。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

選擇與入口方向平行的豎直剖面考察塔內(nèi)流動(dòng)與組分分布狀態(tài)，原塔模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：塔內(nèi)煙氣偏流現(xiàn)象明顯，靠近入口側(cè)煙氣速度較高；入口離散顆粒物（DPM）質(zhì)量濃度分布呈明顯的干濕分界面；阻力損失主要發(fā)生在噴淋區(qū)和兩層除霧器附近；煙氣進(jìn)入噴淋塔與漿液接觸后，溫度梯度較高，氣液兩相很快達(dá)到熱平衡狀態(tài)，最終與漿液溫度接近（322 K）。

圖3 原塔內(nèi)流場(chǎng)分布Fig.3 The flow field distribution inside the original spraying tower

模擬計(jì)算得到原噴淋塔入口脫硫效率和系統(tǒng)阻力分別為82.3%、1 617 Pa，與脫硫塔設(shè)計(jì)值82.2%、1 613 Pa 接近，驗(yàn)證了基于雙模理論所建立的脫硫模型準(zhǔn)確、有效。

3.2 導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案

在原噴淋塔內(nèi)加入不同設(shè)計(jì)方式的導(dǎo)流板，設(shè)計(jì)方案如圖4所示。原噴淋塔為Case 1，分別添加2、3、4、5 塊折板型導(dǎo)流板。導(dǎo)流板尺寸從噴淋塔入口向內(nèi)逐漸增加，上、下頁(yè)導(dǎo)流板夾角基本不變，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。導(dǎo)流板間距為l，上、下頁(yè)導(dǎo)流板剖面長(zhǎng)度分別為a和b，夾角為θ。

圖4 脫硫噴淋塔內(nèi)導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案Fig.4 The design schemes of the deflectors in wet FGD spraying tower of the 660 MW unit

表2 導(dǎo)流板參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameters setting for the deflectors

為比較4 種導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案的均流效果，對(duì)噴淋塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。采用六面體結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，4 種設(shè)計(jì)方案中，網(wǎng)格個(gè)數(shù)為2.07×106～2.34×106。圖5為加入4 塊導(dǎo)流板后噴淋塔結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分示意。

圖5 加入導(dǎo)流板后的噴淋塔幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.5 The geometric model and mesh generation of the wet FGD spraying tower equipped with deflectors

計(jì)算區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)流板設(shè)置為內(nèi)部壁面，顆粒與導(dǎo)流板接觸后響應(yīng)方式為顆粒逃逸，不再納入計(jì)算過(guò)程，忽略液滴在導(dǎo)流板壁面上的聚集過(guò)程與導(dǎo)流板上液膜的脫硫作用。該計(jì)算過(guò)程中的簡(jiǎn)化處理方法與參數(shù)設(shè)置與第2 節(jié)中SO2吸收模型驗(yàn)證過(guò)程一致。模擬計(jì)算得到原噴淋塔（Case 1）與加入不同結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)流板后的噴淋塔（Case 2—Case 5）的脫硫效率與系統(tǒng)阻力如圖6所示。

圖6 不同導(dǎo)流板方案脫硫效率及系統(tǒng)阻力ΔPFig.6 The desulfurization efficiency and system resistance ΔP with different deflector structures

由圖6可以看出：加入3 塊導(dǎo)流板后（Case 3），系統(tǒng)阻力最低（1 573 Pa），相比原塔降低了44 Pa，但脫硫效率比原塔降低了1.4%（脫除效率提升幅度的絕對(duì)量，下同）；加入4 塊導(dǎo)流板后（Case 4），脫硫效率最高87.1%，比原塔高4.9%，同時(shí)系統(tǒng)阻力與原塔相當(dāng)（僅提高了5 Pa）。因此，在當(dāng)前導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)參數(shù)下，加入4 塊導(dǎo)流板脫硫提效作用最為顯著，同時(shí)有效控制了噴淋塔的系統(tǒng)阻力。

選擇噴淋下方與入口方向平行的截面（22 m），對(duì)比Case 1 與Case 4 速度分布、DPM 質(zhì)量濃度及及SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 流場(chǎng)與DPM 質(zhì)量濃度和SO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.7 The distribution of flow field and mass concentrations of DPM and mass fractions of SO2

由圖7可見(jiàn)：不加導(dǎo)流板時(shí)，靠近噴淋塔入口側(cè)壁面處煙氣速度較高，最高煙氣速度約為15 m/s；加入4 塊導(dǎo)流板后，最高煙氣速度降低至12.5 m/s以下，說(shuō)明煙氣偏流問(wèn)題得到一定程度的緩解。

4 結(jié) 論

1）本文基于歐拉-拉格朗日模型和雙膜理論建立的噴淋塔內(nèi)多相流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)計(jì)算模型。并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2）針對(duì)某660 MW 機(jī)組濕法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)了4 種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板。模擬計(jì)算得到，在一定條件下，加入4 塊導(dǎo)流板后，脫硫效率提升效果最為明顯，脫硫效率由82.2%升至87.1%，同時(shí)系統(tǒng)阻力與原塔接近?？梢?jiàn)，在脫硫系統(tǒng)噴淋塔入口處適當(dāng)增加導(dǎo)流板，可緩解脫硫塔內(nèi)煙氣偏流現(xiàn)象，提高液氣比分布均勻性，從而增強(qiáng)脫硫效果，同時(shí)降低或控制了噴淋塔阻力損失。