脫硫塔內(nèi)增設(shè)噴嘴切圓噴淋層的數(shù)值模擬及應(yīng)用

秦方博，韓鳳琴，林 濤，劉定平

(1.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510000)

0 引言

2014年，國(guó)家出臺(tái)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020)》，提出了部分地區(qū)SO2排放濃度不得高于35mg/m3的超低排放要求。然而傳統(tǒng)的脫硫工藝技術(shù)已難以達(dá)到這一嚴(yán)格的SO2排放標(biāo)準(zhǔn)新要求。因此，在脫硫系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行超低排放改造，進(jìn)一步提高脫硫效率，降低SO2排放濃度是目前電廠環(huán)保領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。

陳飛等[1]針對(duì)新疆地區(qū)電廠的超低排放要求，提出了在原有脫硫塔基礎(chǔ)上增加托盤(pán)和噴淋層的改造方法。方志強(qiáng)等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)單塔雙循環(huán)煙氣脫硫系統(tǒng)的結(jié)晶過(guò)程展開(kāi)研究，分析了相對(duì)過(guò)飽和度、晶種濃度等對(duì)硫酸鈣晶體粒徑、結(jié)垢特性的影響。余昭等[3]分析了pH值、煙氣流速、液氣比等相關(guān)因素對(duì)串聯(lián)脫硫塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的影響，并提出了相關(guān)建議。

上述常見(jiàn)的加裝托盤(pán)法、單塔雙循環(huán)法和雙塔串聯(lián)法均能提高原脫硫塔的脫硫效率。但加裝托盤(pán)法對(duì)脫硫效率提升有限，不能保證能夠完全滿足超低排放要求，單塔雙循環(huán)法和雙塔串聯(lián)法占地面積和前期投資都較大[4-10]。而對(duì)于已投入運(yùn)行的脫硫塔而言，直接在脫硫塔吸收區(qū)增設(shè)噴淋層是一種經(jīng)濟(jì)可行的改造方法[11]?；诖耍疚脑谠鲈O(shè)噴淋層法的基礎(chǔ)上提出將新增噴淋層的噴嘴切圓布置的新方法，切圓布置的噴嘴能在塔內(nèi)形成切圓流場(chǎng)，進(jìn)而卷吸帶動(dòng)煙氣，不僅能夠引導(dǎo)煙氣螺旋上升，還能增強(qiáng)氣液間的擾動(dòng)和混合程度。此外，上述研究的研究對(duì)象均為常見(jiàn)的圓形塔，目前針對(duì)方形脫硫塔的超低排放改造數(shù)值模擬研究鮮有報(bào)道。本文以某電廠方形脫硫塔為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)改造前后方形脫硫塔內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，以期為方形脫硫塔的超低排放改造提供數(shù)值模擬參考。

1 物理模型

本文研究對(duì)象為某電廠330MW機(jī)組所配置的石灰石-石膏濕法煙氣方形脫硫噴淋塔。方形脫硫塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，自上而下依次為除霧區(qū)、吸收區(qū)、漿液區(qū)。吸收區(qū)布置有四層常規(guī)噴淋層ABCD，經(jīng)過(guò)改造后，在AB層常規(guī)噴淋層之間、D層常規(guī)噴淋層與煙氣入口之間分別增設(shè)E、F層噴淋層。不同于ABCD常規(guī)噴淋層，EF噴淋層的噴嘴切圓布置。EF層噴嘴的布置情況如圖2所示，在EF層高度上的塔壁四周增設(shè)噴嘴，使其噴出的石灰石漿液在塔內(nèi)形成切圓。方形脫硫塔的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行等相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 方形脫硫塔結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)

圖1 方形脫硫塔結(jié)構(gòu)

圖2 E、F層噴嘴布置示意

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本守恒方程

大部分流體流動(dòng)都遵守以下三個(gè)基本守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

質(zhì)量守恒方程：

本文將方形脫硫塔內(nèi)的煙氣視為不可壓縮流體，即將煙氣密度視為常數(shù)，則其質(zhì)量守恒方程可簡(jiǎn)化為：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：ρ為煙氣密度，kg/m3；u為速度矢量，m/s；u、v和w分別為速度矢量u在x、y和z方向的分量，m/s；μ為煙氣動(dòng)力粘度，Pa·s；p為流體微元體上的壓力，Pa；Su，Sv，Sw為廣義源項(xiàng)。T為溫度，K；k為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；cp為比熱容，J/(kg·K)；ST為粘性耗散項(xiàng)。

2.2 湍流模型

本文將脫硫塔中的煙氣流動(dòng)視為高雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)，綜合考慮計(jì)算機(jī)計(jì)算速度與精度等因素，選擇兩方程模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。

2.3 離散型模型

離散相模型基于歐拉—拉格朗日方法，以單個(gè)顆粒為研究對(duì)象，連續(xù)相的守恒方程在歐拉框架下求解，顆粒相的守恒方程在拉格朗日框架下求解。本文在對(duì)煙氣與吸收劑之間的相互作用進(jìn)行模擬時(shí)，將煙氣視為連續(xù)相，將吸收劑視為離散的顆粒相，即采用離散相模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

本文的顆粒尺寸按照Rosin-Rammler分布設(shè)置，其粒徑大小滿足以下公式：

(4)

2.4 SO2吸收模型

2.4.1 模型假設(shè)

本文基于雙膜理論對(duì)SO2脫除過(guò)程進(jìn)行研究，為便于計(jì)算，需要對(duì)塔內(nèi)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)：

(1)忽略石灰石溶解對(duì)SO2吸收過(guò)程的影響，即將塔內(nèi)氣、液、固三相反應(yīng)簡(jiǎn)化為氣液兩相反應(yīng)；

(2)根據(jù)雙膜理論，忽略氣液交界面、氣相主體和液相主體對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的影響，認(rèn)為脫硫塔內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程由氣膜和液膜控制；

(3)SO2吸收對(duì)液滴質(zhì)量、體積影響很小，假定整個(gè)傳質(zhì)過(guò)程中，液滴質(zhì)量、體積均不變；

(4)由空氣和SO2代替煙氣；

(5)不考慮CaSO3的氧化過(guò)程和CaSO4晶體生成過(guò)程；

(6)忽略化學(xué)反應(yīng)熱。

2.4.2 SO2吸收模型的建立

根據(jù)以上假設(shè)，脫硫塔內(nèi)的SO2吸收速率可表示為[12-18]：

NA=K·α△PSO2

(5)

3.前奏與尾聲的乏味性。這是我們教師缺乏對(duì)教材、教法的深入研究。這樣的準(zhǔn)備活動(dòng)與結(jié)束部分：一是內(nèi)容枯燥、一般化，不能很好地體現(xiàn)出每個(gè)教材類型的特點(diǎn)；二是形式單一化，不能適應(yīng)不同年段學(xué)生的身心特點(diǎn)。因此被視為前奏與尾聲的乏味性。

(6)

△PSO2=PSO2,g-PSO2,l

(7)

式中：NA為SO2吸收速率，mol/(m3·s)；K為總傳質(zhì)系數(shù)，mol/(m2·s·Pa)；α為單位體積內(nèi)氣液傳質(zhì)面積，m2/m3；Kg為氣相傳質(zhì)系數(shù)，mol/(m2·s·Pa)；Kl為液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；H為亨利常數(shù)，mol/(Pa·m3)；E為化學(xué)增強(qiáng)因子，無(wú)量綱；PSO2,g為SO2在氣相中的分壓，Pa；PSO2,l為SO2在液相中的壓力，Pa。

本文通過(guò)添加質(zhì)量源項(xiàng)來(lái)模擬SO2脫除過(guò)程，所有源項(xiàng)的單位規(guī)定以生成率/體積的格式呈現(xiàn)，因此連續(xù)性方程的源項(xiàng)具有kg/(m3·s)的單位。則SO2的吸收源項(xiàng)可表示為：

Ms=-NAms

(8)

式中：Ms為SO2吸收源項(xiàng)，kg/(m3·s)；ms為SO2的摩爾質(zhì)量，g/mol。

將Ms與其他變量的關(guān)系以用戶自定義函數(shù)的形式加載到SO2的質(zhì)量源項(xiàng)中，與其他控制方程一起進(jìn)行迭代計(jì)算。

3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

3.1 網(wǎng)格劃分

本文在計(jì)算時(shí)將漿液池液面以上部分作為計(jì)算區(qū)域，并忽略了除霧器、噴淋層漿液管等對(duì)流場(chǎng)的影響。同時(shí)，為便于Fluent進(jìn)行計(jì)算在建模時(shí)將出口部分延長(zhǎng)。

本文利用ICEM網(wǎng)格劃分軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型計(jì)算區(qū)域結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 方形脫硫塔計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件

(1)煙氣入口采用速度入口，速度大小通過(guò)煙氣量與入口截面積確定，速度方向與煙道平行；離散相邊界條件設(shè)為escape；

(2)煙氣出口采用自由出流；離散相邊界條件設(shè)為escape；

(3)塔壁設(shè)為壁面條件，并設(shè)為絕熱條件，即煙氣與漿液之間的傳熱過(guò)程與壁面無(wú)關(guān)；離散相邊界條件設(shè)為reflect，法向和切向恢復(fù)系數(shù)均設(shè)為0.2；

(4)液面設(shè)為壁面條件，離散相邊界條件設(shè)為escape；

(5)壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法；

(6) EF層噴嘴的設(shè)置采用空心錐噴嘴。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 煙氣運(yùn)動(dòng)軌跡

煙氣運(yùn)動(dòng)軌跡能夠直觀的反映塔內(nèi)煙氣的運(yùn)行情況，圖4(a)、4(b)分別為改造前后方形脫硫塔內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖4 煙氣軌跡圖

對(duì)比圖4(a)、4(b)發(fā)現(xiàn)，改造后煙氣在塔內(nèi)螺旋上升，延長(zhǎng)了煙氣在塔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖5為改造后塔中間部位縱向截面的速度矢量圖，從圖5可以清晰地看到煙氣在塔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這是由于改造后，切圓布置的噴嘴使?jié){液在塔內(nèi)形成切圓流場(chǎng)，進(jìn)而卷吸帶動(dòng)煙氣造成的。

圖5 縱向截面速度矢量圖

4.2 煙氣速度場(chǎng)

塔內(nèi)煙氣速度的變化對(duì)氣液傳質(zhì)面積和脫硫塔阻力均有較大影響[19-20]，因此有必要對(duì)方形脫硫塔內(nèi)的煙氣速度分布進(jìn)行分析。超低排放改造前后塔內(nèi)煙氣速度分布如圖6、7所示，圖6(a)、7(a)為y=0截面的煙氣速度云圖，圖6(b)、7(b)為x=0截面的煙氣速度云圖。其中，速度單位為m/s。

圖6 改造前煙氣速度云圖

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，超低排放改造后，煙氣沿塔徑方向的速度分布變得均勻，尤其是入口兩側(cè)壁面處煙氣均速下降到6m/s，煙氣逃逸現(xiàn)象消失。通過(guò)對(duì)比圖6、7可知，超低排放改造后，塔內(nèi)速度流場(chǎng)均勻性得到改善，塔體中間部位的低速區(qū)縮小，入口兩側(cè)壁面煙氣逃逸消失，這說(shuō)明切圓布置噴嘴的E、F層整流效果明顯，對(duì)煙氣具有較好的均布作用,有利于SO2的吸收[21-22]。對(duì)比圖6、7還發(fā)現(xiàn)，改造后塔內(nèi)整體煙氣速度高于改造前塔內(nèi)煙氣速度，這是由于E、F層的切圓流場(chǎng)及卷吸作用加強(qiáng)了煙氣擾動(dòng)，從而使煙氣流速增大。由參考文獻(xiàn)[10]可知，煙氣速度越大，越有利于傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行。

圖7 改造后煙氣速度云圖

4.3 煙氣溫度場(chǎng)

脫硫塔內(nèi)煙氣的溫度分布在一定程度上反應(yīng)了煙氣與脫硫劑液滴之間的混合程度[23]，因此，有必要對(duì)塔內(nèi)煙氣溫度分布情況進(jìn)行分析。改造前后塔內(nèi)煙氣溫度分布如圖8、9所示，圖8(a)、9(a)為y=0截面的煙氣溫度云圖，圖8(b)、9(b)為x=0截面的煙氣溫度云圖。其中，溫度單位為K。

圖8 改造前煙氣溫度云圖

觀察圖9發(fā)現(xiàn)，超低排放改造后，入口段的高溫滯留區(qū)縮小，入口高度兩側(cè)壁面處的溫度波動(dòng)區(qū)范圍明顯縮小，略高于入口的塔中間部位的溫度波動(dòng)區(qū)消失。入口段高溫滯留區(qū)的縮小可以避免由局部高溫引起的噴淋漿液水分蒸發(fā)從而造成漿液質(zhì)量濃度降低的問(wèn)題，有利于脫硫效率的提高[25]。入口高度兩側(cè)壁面處和略高于入口的塔中間部位的溫度波動(dòng)區(qū)縮小，說(shuō)明塔內(nèi)溫度分布更加均勻，煙氣與漿液的混合程度加強(qiáng)。

圖9 改造后煙氣溫度云圖

4.4 SO2濃度場(chǎng)

改造前后塔內(nèi)SO2濃度分布如圖10、11所示，圖10(a)、11(a)為y=0截面的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖，圖10(b)、11(b)為x=0截面的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖。

觀察圖10、11發(fā)現(xiàn)，超低排放改造前后塔內(nèi)SO2濃度變化區(qū)均集中在入口段和入口高度兩側(cè)壁面處。改造后上述兩處的SO2濃度變化區(qū)均縮小，入口段液面附近的SO2濃度變化區(qū)明顯縮小，這是由于E、F層產(chǎn)生的切圓流場(chǎng)卷吸帶動(dòng)煙氣，使煙氣螺旋上升，避免了煙氣在液面附近聚集，使液面附近的煙氣量減少，因此SO2吸收較快。入口高度兩側(cè)壁面處的SO2濃度變化區(qū)濃度降低，且向塔體中部移動(dòng)。這是因?yàn)楦脑旌笏?nèi)煙氣螺旋上升，延長(zhǎng)了氣液接觸時(shí)間，同時(shí)塔內(nèi)氣液混合程度更加均勻，增大了氣液接觸面積，因此脫硫效果更好，塔內(nèi)SO2濃度變化區(qū)濃度降低。入口高度兩側(cè)壁面處的SO2濃度變化區(qū)向塔體中部移動(dòng)，表明入口兩側(cè)壁面處的煙氣聚集現(xiàn)象得到改善，避免了煙氣沿塔壁逃逸，與塔內(nèi)煙氣速度分布情況對(duì)應(yīng)。

圖10 改造前SO2濃度圖

圖11 改造后SO2濃度圖

4.5 模型驗(yàn)證

試驗(yàn)采用原脫硫系統(tǒng)的原煙氣CEMS、凈煙氣CEMS。為保證測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性，將原煙氣的測(cè)點(diǎn)布置于引風(fēng)機(jī)出口遠(yuǎn)離脫硫塔入口15m的煙道上，將凈煙氣的測(cè)點(diǎn)布置于脫硫塔出口至煙囪的水平煙道上，距離脫硫塔出口20m。試驗(yàn)前對(duì)溫度、壓力、流量、液位等測(cè)量裝置重新標(biāo)定，保證DCS顯示示數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定一致。

為驗(yàn)證所選取數(shù)學(xué)模型的合理性，將超低排放改造前實(shí)際工況的脫硫效率(脫硫效率：進(jìn)出口SO2濃度之差與入口SO2濃度的比值)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。從圖12看出，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)較為吻合，脫硫效率最大誤差不超過(guò)1%。脫硫效率隨入口煙氣量的變化規(guī)律也與文獻(xiàn)[16]一致。因此，認(rèn)為本文選取的數(shù)學(xué)模型及編寫(xiě)的UDF是合理的。

圖12 實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果對(duì)比

在對(duì)該方形脫硫塔進(jìn)行超低排放改造后，按照表1中參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)以考察超低排放改造對(duì)方形脫硫塔脫硫效率及出口SO2濃度的影響。首先僅開(kāi)啟ABCD層常規(guī)噴淋層，待方形脫硫塔運(yùn)行穩(wěn)定后，開(kāi)始讀取并記錄接下來(lái)六小時(shí)的脫硫效率和出口SO2濃度，并將出口SO2濃度轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)含氧量6%條件下的數(shù)值。然后開(kāi)啟EF層，依然在方形脫硫塔運(yùn)行穩(wěn)定后記錄接下來(lái)6h的相關(guān)變量。測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

從圖13可知，改造前脫硫塔的平均脫硫效率為96.02%，出口SO2面平均濃度在55mg/m3上下波動(dòng)。改造后脫硫塔的平均脫硫效率為98.36%，較改造前提高了2.3個(gè)百分點(diǎn)，出口SO2面平均濃度約為23mg/m3，達(dá)到國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≤35mg/m3(標(biāo)干態(tài)，6%O2)的要求。這說(shuō)明增設(shè)噴嘴切圓布置的噴淋層可有效提高原方形脫硫塔的脫硫效率，降低出口SO2濃度。

圖13 改造前后的脫硫效率對(duì)比

同時(shí)，將改造前后模擬計(jì)算結(jié)果與電廠試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比情況如表2所示。

表2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表2可知，超低排放改造前脫硫塔的模擬脫硫效率為97.11%，出口SO2面平均濃度約為51mg/m3。超低排放改造后脫硫塔的模擬脫硫效率為99.41%，出口SO2面平均濃度約為21mg/m3。改造前脫硫效率模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為1.14%，改造后脫硫效率模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為1.07%，結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)方形脫硫塔進(jìn)行超低排放改造，在原方形脫硫塔內(nèi)增設(shè)噴嘴切圓布置的噴淋層。新增的噴淋層卷吸帶動(dòng)煙氣，可有效降低出口SO2濃度。

(2)新增的噴嘴切圓布置的噴淋層對(duì)方形脫硫塔內(nèi)的煙氣軌跡、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及SO2濃度場(chǎng)均有顯著影響。

(3)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在合理范圍內(nèi)，表明本文選取的數(shù)學(xué)模型及編譯的UDF函數(shù)可以用于實(shí)際電廠方形脫硫塔內(nèi)脫硫過(guò)程的預(yù)測(cè)。