脫硫塔進(jìn)煙口結(jié)構(gòu)研究與分析

劉得懷，侯志偉，王 晨，楊 文

（淮陰工學(xué)院，江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安223003）

0 引言

某公司脫硫塔是氨法脫硫裝置中最重要的設(shè)備之一，脫硫塔實(shí)際運(yùn)行過程中，含硫煙氣進(jìn)入塔內(nèi)與噴淋漿液之間不僅會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，還存在著復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程[1]。煙氣進(jìn)入脫硫塔后的初始分布狀態(tài)對脫硫劑的吸附性能與效率具有重要影響。如果煙氣初始分布的均布性很差，則由脫硫劑構(gòu)成的填料區(qū)會(huì)存在穿透時(shí)間差別大，部分脫硫劑不能充分利用，脫硫效率與脫硫穩(wěn)定性不能得到保障等問題[2]。因此脫硫塔進(jìn)口氣體的初始分布均布性對脫硫塔的高效運(yùn)行至關(guān)重要[3]。研究發(fā)現(xiàn)脫硫塔使用不同結(jié)構(gòu)進(jìn)煙口時(shí)，煙氣經(jīng)過進(jìn)煙口導(dǎo)流進(jìn)入脫硫塔后的氣體流動(dòng)速度、方向都存在很大的區(qū)別，從而導(dǎo)致煙氣在脫硫塔塔內(nèi)分布均勻程度的不同。如圖1所示，三種結(jié)構(gòu)進(jìn)煙口。通過對脫硫塔內(nèi)煙氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析得出氣體分布性能最好的進(jìn)煙口結(jié)構(gòu)。

圖1 三種結(jié)構(gòu)進(jìn)煙口

1 某公司脫硫塔基本參數(shù)

某公司脫硫塔進(jìn)氣速度為2.5 m/s，該塔的實(shí)際工況參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)際工況參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)各方面因素考慮，本次脫硫塔內(nèi)部煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬模型將選取標(biāo)注模型，標(biāo)準(zhǔn)模型在湍流動(dòng)能以及耗散率的基礎(chǔ)上建立的模型，其適用于高度湍流狀態(tài)下的流體。在雷諾系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，湍流流體微團(tuán)的粘性力將比慣性力小得多。由此，在進(jìn)行流體力學(xué)分析的時(shí)候，可以不要考慮流體微團(tuán)的黏性力。標(biāo)準(zhǔn)模型中的流體湍流動(dòng)能方程如（1）所示，耗散率方程如（1）所示。

式中，Gb是指在浮力作用下產(chǎn)生得湍流動(dòng)能；Gk是層流速度梯度引起的流體湍流動(dòng)能。

3 物理模型與邊界條件

利用SolidWorks三維建模軟件度脫硫塔進(jìn)煙口、塔體、出煙口實(shí)際尺寸1∶1比例進(jìn)行建模，如圖2所示。塔體高為41 000 mm、塔徑為7 300 mm；出煙口高度為2 000 mm、長度為3 000 mm、寬度為3 000 mm。進(jìn)煙口為脫硫塔水平進(jìn)氣進(jìn)煙口、直角進(jìn)煙口、斜45°角進(jìn)煙口。煙氣從氨法脫硫塔進(jìn)煙口入塔采用煙氣速度入口邊界條件；煙氣從氨法脫硫塔出煙口出塔采用壓力出口邊界條件；氨法脫硫塔塔體作為壁面邊界條件。

圖2 物理模型

4 網(wǎng)格劃分

利用Mesh模塊對脫硫塔計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到數(shù)值模擬計(jì)算的時(shí)間的合理性，保證數(shù)值模擬過程計(jì)算的精確性，本節(jié)對物理模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為140多萬。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

5 數(shù)值模擬對比分析

圖4是水平進(jìn)氣進(jìn)煙口煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬圖，從圖中可以明顯看出煙氣以2.5 m/s的速度通過原進(jìn)煙口進(jìn)入脫硫塔內(nèi)對塔壁造成沖擊，部分煙氣高速折而向上快速的流動(dòng)至塔頂，形成了一段快速流動(dòng)區(qū)域，該區(qū)域?qū)挾却蠹s為塔徑的1/4。煙氣出塔速度過快，氣體分布不均，嚴(yán)重影響了脫硫塔的脫硫效率，煙氣對塔內(nèi)壁的沖擊極易造成塔內(nèi)壁磨損腐蝕。

圖4 原進(jìn)煙口煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬圖

圖5 是垂直向下出氣進(jìn)煙口煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬圖，從圖中可以看出煙氣以2.5 m/s的速度通過垂直向下出氣進(jìn)煙口進(jìn)入脫硫塔內(nèi)不會(huì)對塔內(nèi)壁造成沖擊，煙氣對氨法脫硫塔底部的沖擊明顯變小，垂直向下的出煙口結(jié)構(gòu)可以有效的控制煙氣的進(jìn)塔速度，煙氣沿著垂直向下進(jìn)煙口進(jìn)入到脫硫塔底部中心處向四周均勻擴(kuò)散后折而向上流動(dòng)。出煙口煙氣流動(dòng)速度適中，塔內(nèi)煙氣分布比較均勻。

圖5 垂直向下出氣進(jìn)煙口煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬圖

圖6是斜45°向下出氣進(jìn)煙口煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬圖。由模擬圖可以看出煙氣經(jīng)過45°拐角處，煙氣的保持一定的速度均勻流動(dòng)至塔底中心處，折而向上流動(dòng)。由于煙氣是傾斜流動(dòng)，由塔底向上流動(dòng)的煙氣在塔內(nèi)兩側(cè)出現(xiàn)明顯的分布不均勻現(xiàn)象，塔內(nèi)右側(cè)壁煙氣流速明顯高于左側(cè)，煙氣出塔速度較快，脫硫塔內(nèi)氣體分布均勻度不夠理想。

圖6 斜45°向下出氣進(jìn)煙口煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬圖

6 結(jié)束語

綜合煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬圖4、圖5、圖6分析，氨法脫硫塔在三種結(jié)構(gòu)進(jìn)煙口作用下，煙氣在氨法脫硫塔內(nèi)分布均勻度效果最好的是垂直向下出氣的進(jìn)煙口，公司將選取垂直向下出氣的進(jìn)煙口作氨法脫硫塔進(jìn)煙口的優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)。