濕法煙氣脫硫流場優(yōu)化數(shù)值模擬與模型試驗研究

楊 丁，葉興聯(lián)，郭 俊，蘇寅彪，張楚城

(1. 福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000；2. 東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

燃煤電廠排放的SO2是形成酸雨、霧霾等大氣問題的主要污染物來源，其對人類健康、自然生態(tài)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑結(jié)構(gòu)等多方面都會造成危害[1-2]。為了控制SO2排放，從2011年到2014年國家不斷提高燃煤電廠SO2排放標(biāo)準(zhǔn)，排放濃度限值由200mg/m3降低至35mg/m3[1-2]。

濕法煙氣脫硫是當(dāng)前燃煤電廠最主要煙氣脫硫技術(shù)，具有脫硫效率高、技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點，占據(jù)了80%以上的市場[3-4]。吸收塔是濕法脫硫的核心設(shè)備，在吸收塔內(nèi)含有SO2的煙氣與石灰石脫硫漿液一般逆向流動，通過氣液接觸完成SO2吸附脫除。為了達(dá)到SO2排放濃度小于35mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對濕法脫硫吸收塔進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計，除了增加噴淋層、提高液氣比外，還應(yīng)重視對流場進(jìn)行優(yōu)化。

流場是影響吸收塔脫硫效率的關(guān)鍵因素。在正常條件下，噴淋層的脫硫漿液按均勻噴淋設(shè)計，當(dāng)噴淋層煙氣分布不均時，高煙速區(qū)域吸收劑不足，而低煙速區(qū)域吸收劑又過量，從而降低了整體的脫硫效率。為獲得最佳的脫硫效果，在吸收塔各橫斷面上煙氣必須均勻分布，使通過各噴淋區(qū)的氣液充分接觸反應(yīng)。另外，流場對吸收塔除霧效率、流動阻力也會產(chǎn)生影響。當(dāng)除霧器區(qū)域煙氣速度分布不均時，煙速過高或過低均會造成液滴逃逸；流場不均、煙氣流動混亂將增加渦流耗散，使流動阻力上升。

研究吸收塔流場的方法主要CFD數(shù)值模擬和模型試驗兩種方法。王旭[5]將大型脫硫吸收塔進(jìn)行了簡化，采用CFD方法對濕法脫硫吸收塔空塔流場進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。林永明[6]、耿萍[7]、陳安新[8]、高原[9]等也對吸收塔空塔流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。閆娜[10]對吸收塔空塔流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并搭建了吸收塔模型測試了除霧器效率及阻力特性，分析了噴嘴性能及組合布置、煙氣出口位置、塔加高對流場的影響。陳鴻偉[11]、張冰潔[12]采用CFD方法對有、無噴淋條件下脫硫噴淋塔的流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了噴淋塔內(nèi)煙氣速度分布和阻力特性，但未涉及對流場進(jìn)行優(yōu)化，研究范圍內(nèi)僅從吸收塔入口至出口。

綜上所述，研究人員主要采用CFD模擬方法研究吸收塔流場，僅局限于塔內(nèi)流場，并且少有開展模型試驗。由于引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口煙道常有轉(zhuǎn)彎、變尺寸等，其對吸收塔入口流場會產(chǎn)生影響，因此吸收塔流場研究范圍應(yīng)從引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔出口，包含吸收塔進(jìn)口煙道、吸收塔塔體、吸收塔出口煙道。本文將采用CFD方法對某燃煤電廠2×660MW機(jī)組濕法脫硫吸收塔流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，之后對流場進(jìn)行優(yōu)化使煙氣速度分布均勻以滿足高效脫硫要求，并結(jié)合流場模型實驗，為濕法脫硫吸收塔設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 研究對象

某燃煤電廠2×660MW機(jī)組濕法脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，包含引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口的進(jìn)口煙道、5層噴淋層和3級屋脊式除霧器以及出口煙道。塔徑16m，BMCR工況設(shè)計處理煙氣量270465563m3/h。

2 模型假設(shè)及計算模型

根據(jù)濕法脫硫吸收塔實際運(yùn)行情況，對吸收塔內(nèi)煙氣流動做如下假設(shè)：工況穩(wěn)定，煙氣流動為穩(wěn)態(tài)；煙氣為不可壓縮牛頓流體；忽略溫降對流場的影響；漿液液滴對煙氣流動的作用采用多孔介質(zhì)進(jìn)行等效，阻力系數(shù)按噴淋層壓降設(shè)置；除霧器采用多孔介質(zhì)等效，阻力系數(shù)按除霧器壓降設(shè)置。

圖1 某2×660MW機(jī)組濕法脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)示意

數(shù)值模擬控制方程使用連續(xù)性方程、動量方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) 雙方程模型、壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。假設(shè)模型入口速度均勻，邊界采用速度入口邊界，速度值按煙氣流量計算得到；出口邊界采用壓力出口。

采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值Cv來定量評價斷面速度均勻性，其值越小表明數(shù)據(jù)越均勻，Cv為：

(1)

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 優(yōu)化前數(shù)值模擬結(jié)果與分析

對吸收塔進(jìn)行幾何建模，優(yōu)化前的吸收塔體內(nèi)包含了5層噴淋管路和3層除霧器，在進(jìn)口煙道、出口煙道內(nèi)無導(dǎo)流裝置，在吸收塔內(nèi)無均流裝置。

優(yōu)化前吸收塔BMCR工況流場數(shù)值模擬結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2 優(yōu)化前吸收塔煙氣流線

圖3 優(yōu)化前吸收塔整體速度分布

圖4 優(yōu)化前吸收塔入口速度分布

圖5 優(yōu)化前噴淋層入口速度分布

圖6 優(yōu)化前除霧器入口速度分布

圖7 優(yōu)化前吸收塔出口速度分布

從圖2、圖3可知，優(yōu)化前在引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口的進(jìn)口煙道內(nèi)煙氣流線紊亂，在轉(zhuǎn)彎煙道受離心力作用煙氣形成了渦流，增加了煙道流動阻力；統(tǒng)計得到引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口的壓降為208Pa。

從圖4可知，吸收塔入口速度分布不均勻，受上游煙道的影響，吸收塔入口速度分布呈現(xiàn)“中間大、兩側(cè)小”分布，截面速度Cv值為20.3%，吸收塔入口速度分布不均勻一方面對吸收塔內(nèi)煙氣速度均勻分布不利，另一方面在入口干濕界面處低煙速區(qū)對漿液的橫向曳力不足導(dǎo)致部分漿液滴落入煙道內(nèi)，造成煙道結(jié)垢、腐蝕。

從圖5可知，優(yōu)化前吸收塔噴淋層入口速度分布不均勻，截面速度Cv值18.2%，不利于氣液接觸反應(yīng)。從圖6可知，優(yōu)化前除霧器入口速度均勻性良好，截面速度Cv值為12.6%，受噴淋層漿液液滴的整流作用，通過噴淋層后煙氣速度分布趨于均勻，有利于于除霧器除霧。

從圖7可知，優(yōu)化前吸收塔出口速度分布極不均勻，截面速度Cv值為44.4%，受轉(zhuǎn)彎煙道影響，吸收塔出口上部速度大、下部速度小，產(chǎn)生了渦流，除霧器逃逸的漿液滴容易在吸收塔出口沉積，造成出口煙道結(jié)垢、腐蝕，并且出口渦流增大了煙氣流動阻力，統(tǒng)計得到吸收塔出口煙道壓降為83Pa。

3.2 優(yōu)化后數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)優(yōu)化前吸收塔流場數(shù)值模擬結(jié)果可知，優(yōu)化前吸收塔內(nèi)進(jìn)出口煙道、噴淋層入口流場均勻性差，不利于高效脫硫，并且容易使?jié){液滴沉積于進(jìn)出口煙道。為了提高吸收塔脫硫效率，減小煙道結(jié)垢、腐蝕風(fēng)險，需對吸收塔流場進(jìn)行優(yōu)化。

對吸收塔流場優(yōu)化措施包括：

(1)在進(jìn)口煙道轉(zhuǎn)彎處合理設(shè)置導(dǎo)流板；

(2)在噴淋層上游設(shè)置多孔分布器，多孔分布器是由孔板和分隔板組成，漿液落入多孔分布器中形成漿液層，孔板、漿液層具有均流作用；

(3)在出口煙道轉(zhuǎn)彎處合理設(shè)置導(dǎo)流板。

模擬過程將多孔分布器和漿液層對氣流作用采用多孔介質(zhì)進(jìn)行等效，阻力系數(shù)按多孔分布器和漿液層500Pa壓降計算。

優(yōu)化后吸收塔BMCR工況流場數(shù)值模擬結(jié)果如圖8～圖13所示。

圖8 優(yōu)化后吸收塔煙氣流線

圖9 優(yōu)化后吸收塔整體速度分布

圖10 優(yōu)化后吸收塔入口速度分布

圖11 優(yōu)化后噴淋層入口速度分布

圖12 優(yōu)化后除霧器入口速度分布

圖13 優(yōu)化后吸收塔出口速度分布

從圖8、圖9可知，優(yōu)化后在引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口的進(jìn)口煙道轉(zhuǎn)彎處設(shè)置導(dǎo)流板消除了轉(zhuǎn)彎處大范圍渦流，使煙道內(nèi)煙氣流動變均勻，并降低了煙道流動阻力，引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口壓降由優(yōu)化前208Pa降低至178Pa，阻力減小30Pa。

從圖10可知，優(yōu)化后吸收塔入口速度分布變均勻，截面速度Cv值由優(yōu)化前20.3%減小為5.7%，因此有必要在吸收塔入口上游煙道轉(zhuǎn)彎位置合理設(shè)置導(dǎo)流板，吸收塔入口速度分布變均勻一方面對吸收塔內(nèi)煙氣速度均勻分布有利，另一方面也使入口干濕界面處的漿液滴不易落入煙道內(nèi)。

從圖11可知，優(yōu)化后吸收塔噴淋層入口速度分布變均勻，截面速度Cv值由優(yōu)化前18.2%降低至8.8%。多孔分布器和漿液層對煙氣具有強(qiáng)烈的整流作用，可使噴淋層入口煙氣速度分布均勻，有利于氣液接觸反應(yīng)、提高脫硫效率。雖然增設(shè)多孔分布器，煙氣系統(tǒng)阻力會增加而使脫硫風(fēng)機(jī)功率有所增加，但增設(shè)多孔分布器使煙氣均勻分布，氣液接觸面積大，在保證脫硫效率情況下可降低液氣比，降低漿液循環(huán)泵的功率[13-15]，從而降低了系統(tǒng)電耗。

從圖12可知，優(yōu)化后除霧器入口速度均勻性良好，截面速度Cv值為12.4%，與優(yōu)化前相近。

從圖13可知，優(yōu)化后吸收塔出口速度分布變均勻，截面速度Cv值由優(yōu)化前44.4%減小至11.3%，在轉(zhuǎn)彎煙道合理設(shè)置導(dǎo)流板，消除了吸收塔出口渦流，逃逸的漿液滴不易在吸收塔出口沉積，并且減小了煙氣流動阻力，吸收塔出口煙道壓降由優(yōu)化前83Pa降低至50Pa。

3.3 優(yōu)化前、后數(shù)值模擬結(jié)果比較

優(yōu)化前、后吸收塔流場數(shù)值模擬結(jié)果對比如表1所示。優(yōu)化后吸收塔入口、噴淋層入口、吸收塔出口煙氣速度均勻性得到顯著改善，有利于提高脫硫效率、減小煙道漿液沉積和降低煙道流動阻力。

表1 優(yōu)化前、后流場數(shù)值模擬結(jié)果對比

項 目優(yōu)化前優(yōu)化后吸收塔入口速度Cv/%18．35．7噴淋層入口速度Cv/%10．18．8除霧器入口速度Cv/%12．612．4吸收塔出口速度Cv/%44．411．3入口煙道壓降/Pa208178出口煙道壓降/Pa8350

4 流場模型試驗結(jié)果

按優(yōu)化方案搭建縮小比例模型開展模型試驗，為了使模型流場與實際吸收塔流場相似，模型試驗應(yīng)滿足幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似。

試驗采用常溫空氣作為煙氣替代介質(zhì)，由一臺最大風(fēng)量為40000m3/h、風(fēng)壓為5000Pa鼓風(fēng)機(jī)提供氣流；采用自來水作為漿液替代介質(zhì)，由2臺最大流量為400m3/h，揚(yáng)程為16m的水泵提供循環(huán)水，風(fēng)機(jī)與水泵均采用變頻控制。

由于塔內(nèi)噴淋層、第一層除霧器含有大量液滴的區(qū)域風(fēng)速測試?yán)щy，因此僅采用風(fēng)速儀和皮托管測試了吸收塔入口、第二層和第三層除霧入口、吸收塔出口速度分布和引風(fēng)機(jī)出口與吸收塔出口全壓。試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比如表2所示，試驗測得的速度分布均勻性、壓降與數(shù)值模擬結(jié)果相近。模型吸收塔入口干濕界面，吸收塔入口煙道無液滴沉積，也表明吸收塔入口速度分布均勻性良好。模型結(jié)果驗證了流場數(shù)值模擬優(yōu)化方案的可行性。

表2 試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

項 目試驗結(jié)果數(shù)值模擬吸收塔入口速度Cv/%4．85．7吸收塔出口速度Cv/%14．711．3第二層除霧器入口速度Cv/%6．010．8第三層除霧器入口速度Cv/%11．312．5系統(tǒng)總壓降/Pa19832116

5 結(jié)語

(1)優(yōu)化前吸收塔流場均勻性差，吸收塔入口、噴淋層入口、吸收塔出口速度分布不均，不利于高效脫硫。

(2)通過在吸收塔進(jìn)出口煙道布置導(dǎo)流板、在噴淋層入口布置多孔分布器對流場進(jìn)行優(yōu)化，吸收塔流場分布得到改善，同時減小了進(jìn)出口煙道流動阻力。

(3)模型試驗結(jié)果與優(yōu)化方案數(shù)值模擬結(jié)果相近，進(jìn)出口煙道速度分布均勻、干濕界面無液滴沉積，驗證了流場優(yōu)化方案的可行性，能為吸收塔設(shè)計提供指導(dǎo)作用。

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