活性焦干法脫硫塔煙氣流場分析

胡 珊，鄭 陽，顧禮新，李衛(wèi)衛(wèi)

(上?？肆颦h(huán)?？萍脊煞萦邢薰灸暇┓止?，江蘇 南京 210009)

工業(yè)煙氣中的SO2、NOx等大氣污染物大量排放是造成大氣污染的首要原因，其主要來自于化石燃料的燃燒，特別是煤炭的燃燒[1]。在我國的能源消費(fèi)和構(gòu)成中，1978～2019年煤炭消耗雖然逐年下降，但所占比例仍然很高，2019年為57.7%[2]。同時(shí)，隨著消費(fèi)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的比重逐步增加，導(dǎo)致一次能源需求到2050年將達(dá)到30.4億t標(biāo)煤，占全社會能源需求的52.4%[3]。因此，解決日益嚴(yán)重的SO2，NOx大氣污染問題已刻不容緩，而煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization，簡稱FGD)是目前世界上大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的脫硫方式，是控制SO2污染的主要技術(shù)手段[4]。目前，工業(yè)應(yīng)用的煙氣脫硫技術(shù)可分為干法(含半干法)和濕法脫硫[5]。干法脫硫主要以活性焦干法脫硫?yàn)橹?，其在工業(yè)煙氣干法脫硫方面具有明顯的優(yōu)勢，可以聯(lián)合脫除污染物(如NOx、重金屬、二噁英等)，使用溫度較低，占地面積少，還能實(shí)現(xiàn)硫硝的資源化利用[6]。

活性焦煙氣脫硫技術(shù)采用多孔介質(zhì)活性焦，通過吸附作用將煙氣中的SO2脫除，吸附飽和的活性焦，通過加熱再生實(shí)現(xiàn)硫回收[7]。影響活性焦脫硫效率的因素，除了活性焦自身制備原料和工藝、機(jī)械性能等外，還包括煙氣分布的均勻性。煙氣分布的均勻性決定了脫硫塔內(nèi)活性焦是否能按照設(shè)計(jì)要求得到充分利用[8]。在實(shí)際運(yùn)行過程中，煙氣量是一個(gè)瞬間波動量。分析波動的煙氣量對塔內(nèi)煙氣流場分布的影響，對于保證脫硫塔的脫硫效率有重要的意義。

CFD(Computational Fluid Dynamics，即計(jì)算流體動力學(xué))模擬技術(shù)作為越來越重要的分析方法，與試驗(yàn)相比，具有經(jīng)濟(jì)性、高效和快捷的特點(diǎn)[9]。近年來，很多研究都成功地通過CFD模擬對工業(yè)設(shè)備的性能進(jìn)行了優(yōu)化[10，11]。本文主要應(yīng)用CFD模擬軟件FLUENT對某項(xiàng)目中的單臺脫硫塔進(jìn)行數(shù)值模擬，分析煙氣在塔內(nèi)的分布情況，通過在脫硫塔內(nèi)添加導(dǎo)流構(gòu)件，改善分布的均勻性；同時(shí)，還分析了不同煙氣量對脫硫塔內(nèi)煙氣流場分布的影響。

1 活性焦干法脫硫塔數(shù)值模擬

1.1 錯(cuò)流雙級床結(jié)構(gòu)脫硫塔

目前，活性焦干法脫硫塔通常采用移動床結(jié)構(gòu)，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)部煙氣和活性焦運(yùn)動方向的不同，移動床可分為錯(cuò)流、并流和逆流3種形式[12]。曹晏[13]等通過建立3種反應(yīng)器動力學(xué)模型，分析比較得出錯(cuò)流床可以采用較大的通氣截面，在相同床層阻力下，實(shí)際處理煙氣量較大，同時(shí)能簡化工業(yè)放大過程，實(shí)現(xiàn)氣相和固相分流，故實(shí)際應(yīng)用中，選擇錯(cuò)流移動床為宜。目前，國內(nèi)外建設(shè)的活性焦煙氣凈化裝置多采用錯(cuò)流床結(jié)構(gòu)脫硫塔，其中，錯(cuò)流雙級床結(jié)構(gòu)應(yīng)用成熟[14]。本文以某工程單臺錯(cuò)流雙級床結(jié)構(gòu)脫硫塔為例，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析塔內(nèi)煙氣流場分布規(guī)律。

錯(cuò)流雙級床脫硫塔結(jié)構(gòu)見圖1，煙氣由進(jìn)氣室進(jìn)入，向左右兩側(cè)擴(kuò)散，依次穿過一級床焦層、過渡氣室和二級床焦層，最終匯集于出氣室排出脫硫塔。一級床焦層內(nèi)主要進(jìn)行脫硫反應(yīng)，二級床焦層內(nèi)主要進(jìn)行脫硝反應(yīng)。而活性焦顆粒從二級床頂部注入，緩慢向下流動，不斷更新[15]。

圖1 錯(cuò)流雙級床結(jié)構(gòu)脫硫塔示意

1.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬時(shí)，進(jìn)行如下假設(shè)：①煙氣為不可壓縮的牛頓流體；②忽略煙氣的組成成分，將煙氣視為干空氣；③忽略煙道以及脫硫塔內(nèi)部構(gòu)件對煙氣流場的影響；④假定活性焦層為均勻的多孔介質(zhì)；⑤假定煙氣的流動為穩(wěn)態(tài)流動，忽略系統(tǒng)內(nèi)部的傳熱與傳質(zhì)。

計(jì)算煙氣特性參數(shù)如下：煙氣量為24.8萬m3/h；煙氣溫度為20～130℃。

計(jì)算活性焦特性參數(shù)如下：結(jié)構(gòu)尺寸為φ9mm×12mm；密度為0.75t/m3；空隙率為35%。

計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來描述湍流流動，采用多孔介質(zhì)來描述活性焦層。

對于模擬結(jié)果，選擇進(jìn)出氣室中心面作為進(jìn)出氣室煙氣流場的分析截面，選擇脫硫塔左側(cè)距離進(jìn)氣室與一級床焦層交界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm時(shí)的截面為活性焦層煙氣流場的分析截面。

2 活性焦干法脫硫塔煙氣流場分析

對活性焦干法脫硫塔進(jìn)行數(shù)值模擬，分析煙氣在塔內(nèi)的流場分布規(guī)律，通過在塔內(nèi)添加導(dǎo)流構(gòu)件，改善煙氣流動的均勻性，使煙氣與活性焦充分接觸，活性焦的利用率更高，從而保證脫硫系統(tǒng)的脫硫效率。

2.1 脫硫塔內(nèi)煙氣流場分析

(1)進(jìn)出氣室內(nèi)流場分析。圖2為脫硫塔進(jìn)出氣室中心面速度云圖和矢量圖，由進(jìn)氣室中心面速度云圖可看出，煙氣進(jìn)入進(jìn)氣室時(shí)，由于喇叭口長度有限，高度方向煙氣并未隨著漸擴(kuò)的喇叭口均勻擴(kuò)散，且煙氣被明顯劃分為3個(gè)區(qū)域。高流速煙氣主要集中在與進(jìn)氣口垂直高度相同的一段區(qū)域內(nèi)，而進(jìn)氣室上部和下部均存在因旋渦所導(dǎo)致的低流速區(qū)域。進(jìn)氣室中心面速度矢量圖顯示，上部和下部的旋渦是由中部高流速煙氣回流聚集而產(chǎn)生，這些會影響煙氣在活性焦層截面上的均勻分布，尤其是旋渦中心處的煙氣量會明顯比其他區(qū)域少，以至于進(jìn)入一級床焦層后，低速區(qū)域與活性焦接觸的煙氣極少，活性焦的利用率低；而高速區(qū)域煙氣過量，必會導(dǎo)致脫硫不充分，從而影響脫硫效率。出氣室煙氣流速高的區(qū)域主要集中在出氣口一端，受出氣喇叭口結(jié)構(gòu)影響明顯。

圖2 脫硫塔進(jìn)出氣室中心面速度云圖及矢量圖(單位：m/s)

(2)活性焦層流場分析?；钚越箤訜煔饬鲌龅木鶆虺潭戎苯雨P(guān)系著脫硫塔脫硫效率的高低。若煙氣在焦層分布不均，某一區(qū)域的煙氣量過多，反應(yīng)放出的熱量不斷聚集，則會導(dǎo)致焦層局部溫度過高而著火，對脫硫塔有一定的損傷，所以，焦層內(nèi)的煙氣流動越均勻，不僅有利于脫硫效率，而且有利于延長脫硫塔的使用壽命。

活性焦層核心區(qū)域呈現(xiàn)一維流動，煙氣以平推流流型穿過活性焦反應(yīng)層[7]。一、二級床焦層截面上只有在頂部和底部受脫硫塔錐斗的影響，會出現(xiàn)局部二維流動，但這些區(qū)域內(nèi)的二維流動也會隨著焦層自身的整流作用慢慢消失。圖3所示的云圖均為進(jìn)出氣室左側(cè)一、二級床焦層內(nèi)的截面云圖，分別為脫硫塔左側(cè)距離進(jìn)氣室與一級床焦層交界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm時(shí)的截面上煙氣速度云圖，可看出6個(gè)截面上大部分區(qū)域煙氣都能達(dá)到相對均勻。由于一級床焦層內(nèi)煙氣流場主要受進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)影響，剛進(jìn)入焦層時(shí)(截面200mm和300mm)，在水平方向上，與進(jìn)氣口相反一端的煙氣流速較高；在垂直方向上，上端和下端也出現(xiàn)高流速。隨著煙氣穿過焦層深度的增加，高流速區(qū)域面積越來越小。二級床焦層內(nèi)煙氣流場受過渡氣室內(nèi)煙氣流場以及出氣口結(jié)構(gòu)影響，其煙氣流場變化趨勢和一級床焦層內(nèi)呈相反的變化趨勢，且煙氣高流速區(qū)域的位置也相反。

圖3 脫硫塔左側(cè)焦層距離進(jìn)氣室出氣面不同深度截面速度云圖(單位：m/s)

2.2 添加導(dǎo)流構(gòu)件后煙氣流場分析

(1)進(jìn)出氣室流場分析。漸擴(kuò)喇叭口里添加了3塊導(dǎo)流板，根據(jù)圖4的描述，添加導(dǎo)流板后，圖2進(jìn)氣室速度云圖顯示的中部高流速區(qū)域得到有效地分散，雖然沒有完全避免漩渦的存在，但煙氣不再直接沖入進(jìn)氣室，大量聚集于與喇叭口相反的一端。

圖4 添加導(dǎo)流板后脫硫塔進(jìn)出氣室中心面速度云圖及矢量圖(單位：m/s)

在進(jìn)氣室添加導(dǎo)流板主要會對進(jìn)氣室流場產(chǎn)生較大影響，經(jīng)過兩級活性焦床的整流，出氣室的煙氣流場在添加導(dǎo)流板前后沒有明顯變化。

(2)活性焦層流場分析。根據(jù)圖5的描述，進(jìn)氣喇叭口添加導(dǎo)流板主要對進(jìn)氣室以及一級床的煙氣流場分布有明顯改善，對二級床的影響微乎其微。圖5所示的云圖均為進(jìn)氣室左側(cè)一、二級床焦層內(nèi)截面速度云圖，分別為脫硫塔左側(cè)距離進(jìn)氣室與一級床焦層分界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm時(shí)的截面上煙氣速度云圖。圖5中不同焦層深度截面的速度云圖顯示：一級床活性焦層煙氣流場變化趨勢和未加導(dǎo)流板時(shí)一致，均反映出活性焦層的整流作用。但添加導(dǎo)流板后，一級床焦層內(nèi)與進(jìn)氣喇叭口相對一端的煙氣流速高的區(qū)域面積明顯縮小，隨著焦層深度的增加，在距離進(jìn)氣室出氣面1 500mm處的截面上，煙氣分布基本達(dá)到均勻。添加導(dǎo)流板后的變化均有利于保證脫硫塔脫硫效率。

2.3 脫硫塔阻力

未添加導(dǎo)流構(gòu)件和添加導(dǎo)流構(gòu)件時(shí)，煙氣在單臺脫硫塔內(nèi)流動的阻力見表1。

表1 兩種工況下的脫硫塔阻力

比較兩種工況脫硫塔阻力發(fā)現(xiàn)，添加導(dǎo)流構(gòu)件并未明顯增加脫硫塔的阻力。

3 煙氣量對脫硫塔內(nèi)流場的影響

脫硫系統(tǒng)在工程運(yùn)行過程中，煙氣量并非按設(shè)計(jì)值一成不變，而是在一定范圍內(nèi)波動。煙氣量的波動是否對脫硫塔內(nèi)流場均勻性有影響，也可以通過數(shù)值模擬計(jì)算分析。本文還是以單臺脫硫塔為例，分別計(jì)算煙氣量在120%、100%、70%、50%負(fù)荷的工況下，對比脫硫塔內(nèi)流場分布情況以及塔內(nèi)阻力。

3.1 不同負(fù)荷工況下煙氣流場分析3.1.1 進(jìn)出氣室流場分析

圖6描述的為不同煙氣量工況下脫硫塔進(jìn)出氣室中心面的流場分布情況。比較幾種計(jì)算工況結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，進(jìn)出氣室的速度云圖和速度矢量圖的分布規(guī)律基本一致，導(dǎo)流板對進(jìn)氣室內(nèi)流場影響較大，而對出氣室基本沒影響。進(jìn)氣室有多個(gè)旋渦存在，不同煙氣量時(shí)，旋渦的數(shù)量以及影響范圍基本相同，所以煙氣量對于進(jìn)出氣室煙氣均勻性的影響不太明顯。

3.1.2 活性焦層流場分析

圖7描述的為不同煙氣量工況下焦層不同深度截面的速度云圖。同一工況下活性焦層的阻力對煙氣進(jìn)行整流，隨著煙氣進(jìn)入焦層深度的增加，相應(yīng)截面上煙氣的分布越來越均勻。但不同煙氣量計(jì)算結(jié)果顯示：煙氣量減少，流速降低，活性焦層對于煙氣的整流效果越顯著。當(dāng)120%負(fù)荷時(shí)，煙氣在1 500mm深度，一級床焦層截面也沒有達(dá)到均勻；在70%負(fù)荷時(shí)，煙氣在900mm深度，一級床焦層截面達(dá)到完全均勻；50%負(fù)荷時(shí)，僅600mm深度，一級床焦層截面就能完全均勻。因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該適當(dāng)降低煙氣穿過焦層的流速，合理選擇單臺脫硫塔的煙氣處理量，有利于提高活性焦利用率，且保證脫硫效率。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，還需綜合考慮實(shí)際運(yùn)行過程中瞬間波動的煙氣量對于脫硫塔的影響。

圖7 不同負(fù)荷下脫硫塔左側(cè)焦層距離進(jìn)氣室出氣面不同深度截面速度云圖(單位：m/s)

3.2 脫硫塔阻力

不同煙氣量工況下，脫硫塔運(yùn)行阻力匯總見表2。

表2 不同負(fù)荷下脫硫塔阻力

煙氣的流速直接影響著脫硫塔的阻力，進(jìn)入塔內(nèi)的煙氣量越小，流速越低，則阻力也就越小。

4 模擬結(jié)果與實(shí)際工程比較

針對本文所研究的某工程，其運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，每臺脫硫塔的運(yùn)行阻力波動范圍為800～1 500Pa，系統(tǒng)的脫硫效率在98%以上。而對于目前正在運(yùn)行中的其他工程，脫硫塔進(jìn)氣喇叭口都會添加一定數(shù)量的導(dǎo)流板，其運(yùn)行阻力范圍為800～1 500Pa，且系統(tǒng)脫硫效率也能達(dá)到98%以上。

由于實(shí)際運(yùn)行中煙氣量的瞬間波動(一般負(fù)荷控制在70%～110%)，脫硫塔的阻力也是波動的，其波動范圍和本文所模擬的不同煙氣量時(shí)的阻力基本一致。同時(shí)，不論運(yùn)行過程中煙氣量如何波動，系統(tǒng)的脫硫效率始終能保持在98%以上，滿足排放要求。

5 結(jié)語

煙氣在脫硫塔內(nèi)的流動均勻性對脫硫塔的使用壽命以及脫硫效率都有直接的影響。本文以某工程為例，采用FLUENT軟件對單臺活性焦干法脫硫塔進(jìn)行模擬計(jì)算，分析煙氣在塔內(nèi)的流動特性，添加適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流構(gòu)件，以改善煙氣流動均勻性，使煙氣與活性焦充分接觸，活性焦的利用率更高，從而保證系統(tǒng)的脫硫效率。

(1)對脫硫塔進(jìn)行數(shù)值模擬，不添加導(dǎo)流構(gòu)件時(shí)，煙氣從進(jìn)氣喇叭口水平?jīng)_入進(jìn)氣室，導(dǎo)致中部聚集大量煙氣，而上部和下部煙氣量較少，且上部和下部均有一個(gè)大的旋渦形成。添加導(dǎo)流構(gòu)件后，能夠有效地分散進(jìn)氣室中部高流速的煙氣，即使不能完全避免進(jìn)氣室內(nèi)的旋渦，但能盡量減小旋渦影響面積。進(jìn)氣室內(nèi)煙氣產(chǎn)生的旋渦對煙氣在一級床焦層內(nèi)均勻分布有直接影響，旋渦中心同位置處，煙氣量少，活性焦利用率低；高流速煙氣同位置處，煙氣過量，脫硫不充分，進(jìn)而影響脫硫效率，所以在脫硫塔進(jìn)氣喇叭口添加合適的導(dǎo)流板能改善煙氣在塔內(nèi)流動的均勻性，在不明顯增加系統(tǒng)阻力的情況下保證系統(tǒng)的脫硫效率。

(2)煙氣從進(jìn)氣室向兩側(cè)分散進(jìn)入一級床活性焦層時(shí)，焦層產(chǎn)生的阻力對煙氣有整流作用，隨著焦層深度的增加，相應(yīng)截面上煙氣的分布越來越均勻。

(3)煙氣量對脫硫塔內(nèi)流場分布均勻性也有顯著的影響。煙氣量多，進(jìn)入焦層的煙氣流速高，焦層截面上煙氣分布均勻性較差；煙氣量少，進(jìn)入焦層的煙氣流速低，焦層截面上煙氣分布均勻性較好。同時(shí)煙氣量高，脫硫塔阻力增加較多。

(4)在脫硫塔的設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)煙氣在塔內(nèi)的流場分布和阻力值，確定每臺脫硫塔的處理煙氣量，綜合考慮實(shí)際運(yùn)行中瞬間波動煙氣量的影響，以保證每臺脫硫塔的脫硫效率。

(5)應(yīng)用FLUENT軟件對活性焦干法脫硫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠有效地節(jié)約時(shí)間和成本，該方法給實(shí)際工程提供了較好的理論參考。