鈉基干法脫硫塔數(shù)值模擬優(yōu)化分析

黃乃金，解彬，何向成

(安徽威達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，安徽合肥，230000)

0 引言

為貫徹落實我國全面加強生態(tài)環(huán)境保護，堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的要求。鋼鐵行業(yè)應在嚴格遵守國家政策規(guī)定的前提下有序推進行業(yè)污染氣體排放技術的改造，加強對燒結煙氣凈化及煙氣排放控制技術的研究，使我國鋼鐵企業(yè)與節(jié)能減排相結合，進一步開發(fā)適合我國國情，適應如今國際、國內新環(huán)境與技術要求的燒結煙氣凈化工藝，如此，才能實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1］。我國燃煤SO2排放量占總排放量的50%以上［2］。除燃煤電廠外，鋼鐵、建材等重工業(yè)行業(yè)，也都面臨硫氧化物排放問題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，我國對SO2等硫氧化物的排放控制標準越來越嚴格，目前實施的超凈排放要求煙氣中SO2排放濃度不得高于35 mg/m3［3,4］。因此，控制SO2排放是當前我國能源和環(huán)境領域亟待解決的一個重大課題。

脫硫塔作為廣泛使用的煙氣二氧化硫脫除裝置，目前脫硫技術在煙氣治理中仍存在一定的不足，脫硫效率有待進一步提高。鈉基干法脫硫（SDS）工藝因其工藝系統(tǒng)簡單、占地面積較少、投資運營成本低，以及具有較高的脫硫效率、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，已被廣泛應用于中小型火力發(fā)電廠、鋼鐵燒結等行業(yè)［5］。工程中煙氣經(jīng)引風機引出，脫硫劑被噴射到脫硫塔前的煙道中，在煙道中與SO2進行中和反應，實現(xiàn)SO2的初步脫除［6］，脫硫反應后顆粒產(chǎn)物隨著氣流進入布袋除塵器進一步反應并除塵，再經(jīng)過增壓風機由原有煙囪排入大氣［7］。

本文以某具體工程項目為例，針對引風機出口至脫硫塔出口段的煙道進行數(shù)值模擬。本項目給出了三種不同的脫硫塔設計方案，在統(tǒng)一工況下根據(jù)流場模擬試驗結果對比各種工況下的流場及壓力損失，得出各脫硫塔內工質平均停留時間，并對進一步工程改造給出具體建議。

1 物理模型

物理模型圖如下圖1 所示。含硫煙氣由引風機進口進入脫硫塔，經(jīng)過內置式文丘里收縮段加速混合擾動，到達塔上部后隨彎道折流向下，增強脫硫劑與煙氣的充分混合，提高脫硝效率。本文使用Solidworks17.0 繪圖軟件進行建模，將繪制完成的3D 脫硫塔模型導入ANSYS前處理軟件ICEM CFD19.2 進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的質量決定著計算結果是否精確，扭曲的網(wǎng)格甚至會引起模擬結果失真。

圖1 物理模型及網(wǎng)格劃分圖

采用ICEMCFD 網(wǎng)格劃分工具生成非結構化四面體網(wǎng)格，將網(wǎng)格質量控制在0.3 以上，網(wǎng)格生成總數(shù)量大約為120 萬。

2 數(shù)學模型及邊界條件

2.1 氣相控制方程

流體的流動規(guī)律始終著遵循質量守恒、動量守恒、能量守恒三大守恒方程。

（1）質量守恒方程

質量守恒方程其表達式如式1 所示。

式中：ρ是流體的密度，kg/m3；t為流動的時間，s；u是流體速度，m/s；?為哈密爾算子。

（2）動量守恒方程

動量守恒方程是通過方程式的形式對流體流動規(guī)律進行表達，其表達式如式2 所示。

式中：P是控制體上的壓力，N；τ為單位體積上流體所受粘性應力，N/m3；f表示單位體積上的質量力，N/m3。

（3）能量守恒方程

能量守恒方程是根據(jù)熱力學第一定律推導得出，它是將能量守恒定律通過方程式的形式將流體流動進行表達，其表達式如式3 所示。

式中，P為單位體積流體所受壓力，N；f為單位體積流體的質量力，N；e,ui2/2 分別為單位質量流體的內能和動能，J；k為熱傳導系數(shù)，W/(m2·K)；T為溫度，K；q為單位質量流體在單位時間內傳遞的熱量函數(shù)。

2.2 湍流模型

由于本文所模擬的脫硫塔內的氣相場雷諾數(shù)大于臨界值，因此在進行數(shù)值模擬時所采用的模型為湍流模型。通過對比發(fā)現(xiàn)，標準k-ε模型因具有適用性強，且計算精準度高等優(yōu)點而被廣泛使用，因此本文選擇使用標準k-ε 模型進行數(shù)值模擬。標準k-ε 模型是基于湍動能和湍流耗散擴散率的半經(jīng)驗公式，湍動能kf和湍流耗散率ε公式分別為：

式中，Gk表示由平均速度梯度所引起的湍流動能；σk和σε分別是湍動能kf和湍流擴散率的Prandt 數(shù)；Sk和Sε是用戶自定義源項；C1ε=1.44、C2ε=1.92、σk=1.0、σk=1.3。

2.3 邊界條件

根據(jù)工程實際運行情況，對入口煙道的假設如下：煙氣為理想氣體；流體是定常流動；系統(tǒng)絕熱；不考慮化學反應。模型內部流體為各向同性的均勻湍流，對連續(xù)相進行穩(wěn)態(tài)計算時采用Standardk-ε 湍流模型，流體介質假設為不可壓縮流體。模擬采用Pressure-based 求解器，穩(wěn)態(tài)計算；速度壓力采用SIMPLE 求解器，湍流動能和湍流耗散率采用二階迎風求解器；采用速度入口邊界條件、自由出流的出口邊界條件，壁面均為無滑移壁面。數(shù)值模擬參數(shù)表如表1 所示。

圖3 脫硫塔縱向截面（X=0）速度分布云圖

3 模擬結果及分析

結合圖2、3 可看出，煙氣在內置式文丘里喉管處靠近出口側存在較大的高速區(qū)，其中工況三與其余工況相比具有較長的套管，對氣流有更強的加速混合作用，高速區(qū)范圍最小。

圖2 脫硫塔縱向截面（Z=0）速度分布云圖

如圖4 所示，煙氣從脫硫塔導流板處截面速度分布可看出，在此處三種工況的速度分布較不均勻，在近套管處速度低，遠離套管處速度高，氣流呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象。在實際工程中可以考慮在脫硫塔上部添加一定數(shù)量的導流板輔助煙氣折流向下，消除混合煙氣在套管內的分層現(xiàn)象，從而提高脫硫效率，節(jié)約脫硫劑。

圖4 脫硫塔導流板處截面速度分布云圖

如圖5 所示，對于煙道出口，從速度分布云圖可看出在出口煙道上部存在小范圍死區(qū)，且隨著出煙斜擋板角度的增大，該死區(qū)范圍增大。因此在實際工程中可適當選用小的出煙斜擋板角度、大的出口截面尺寸。若存在場地限制等施工問題，可考慮在出口位置添加導流裝置。

圖5 脫硫塔出口速度分布云圖

結合云圖及圖6 可以看出，工況一壓降最大，工況二壓降次之，工況三的系統(tǒng)壓降最?。还r一煙氣平均停留時間最短，工況二煙氣平均停留時間次之，工況三煙氣平均停留時間最長。綜上，工況三系統(tǒng)壓降最小、煙氣平均停留時間最長，因此工況三較為合理。

圖6 脫硫塔各工況壓降與煙氣停留時間對比

4 結論

綜上所述，本文得出如下結論：

（1）有較長套管的內置式文丘里對氣流有更強的加速混合作用，高速區(qū)范圍小，有利于脫硫劑與煙氣的加速混合。

（2）在脫硫塔頂部可添加一定數(shù)量的導流板用來輔助煙氣折流向下，或在套管與脫硫塔本體夾層的環(huán)形流域內設置氣流均布器，消除混合煙氣在套管內的分層現(xiàn)象，可提高煙氣混合程度并延長煙氣停留時間。

（3）出口死區(qū)范圍隨著出煙斜擋板角度的增大而增大，在實際工程中應適當選用小的出煙斜擋板角度、大的出口截面尺寸。