濕法煙氣脫硫吸收塔煙氣流場數值模擬研究

高 原

(哈爾濱電氣股份有限公司 環保事業部，黑龍江 哈爾濱 150046)

石灰石—石膏濕法煙氣脫硫是目前國內外煙氣脫硫所采用的主流工藝方法。此脫硫技術中的核心設備為噴淋吸收塔［1－2］。脫硫的主要傳質、傳熱及化學反應均在吸收塔內發生。相對于其它反應設備，噴淋吸收塔除了具有脫硫效率高的優點外，還具有壓阻小，內構件相對較少且不易結垢等優勢［3－4］。目前，國內外對濕法煙氣脫硫中噴淋吸收塔進行了大量的研究，本文主要采用數值模擬計算方法，對某項目燃用設計煤種時不同條件下吸收塔內煙氣流場的分布進行了模擬研究和分析。驗證了該項目吸收塔設計的合理性及實際運行時對負荷的適應性，為吸收塔的優化設計和穩定運行奠定了理論基礎。

1 模擬對象及數學模型

1.1 模擬對象

本文的模擬對象為某項目的噴淋吸收塔，該項目所采用的脫硫方法為石灰石－石膏濕法煙氣脫硫方法，此脫硫方法為國外引進技術。吸收塔為整個脫硫系統關鍵的核心設備，石灰石溶解、二氧化硫吸收、亞硫酸鈣強制氧化等反應過程均在吸收塔內發生。采用先進可靠的噴淋空塔，系統阻力小，塔內氣液接觸區無任何填料部件，有效地杜絕了塔內堵塞結垢現象。根據具體的工藝計算，對吸收塔進行了詳細設計，具體結構見圖1。

圖1 吸收塔外形結構圖

原煙氣從入口進入吸收塔，與向下噴淋的漿液逆行接觸，發生脫硫反應。脫硫后的凈煙氣經過除霧器和出口煙道排出吸收塔。

吸收塔設計考慮主要的因素有:幾何結構參數及運行參數［5］。其中結構參數包括吸收塔直徑及高度，入口角度，入口及出口形式等;運行參數指對負荷及入口煙速的適應能力。本文僅考慮燃用設計煤種時的塔徑，不同負荷下吸收塔正常液位之上的煙氣流場。

圖2 吸收塔計算模型

1.2 模型假設與簡化

從WFGD系統實際運行的角度出發，對噴淋吸收塔內煙氣流動狀況作了如下假設［6］:

(1)由于吸收塔內煙氣流速較低，認為煙氣為不可壓縮性牛頓流體;

(2)忽略重力和煙溫對煙氣流動的影響;

(3)暫不考慮塔內噴嘴，除霧器和小部件對流場的影響;

(4)暫不考慮漿液噴淋對煙氣流場的影響。

1.3 基本控制方程

吸收塔內的氣相流動幾乎處于湍流狀態，考慮到模型的可靠性及工程應用的可能行，本文選用標準k－ε模型對爐內氣相流動進行模擬。在正交的直角坐標系下，標準k－ε雙方程模型的基本控制方程可表示如下［7－9］:

連續性方程

式中 p——流體壓力;

ρ——氣體密度;

φ——代表所有的流體變量;

Γφ——各方程變量的輸運系數(擴散系數);

Sφ——因變量的守恒方程中所對應的源項。

式中 S——平均應力變化率張量的模。

在 Fluent中，作為默認值常數，C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數分別為 σk=1.0，σε=1.3。

本文模擬所采用的計算軟件為Fluent6.0。網格采用非結構化網格;計算區域為吸收塔正常液位之上的部分;邊界條件，速度入口，壓力出口;SIMPLE算法，差分方程的求解是求解某變量的迭代及基于SIMPLE算法的各變量求解迭代的總和，直到達到收斂準則為止。

2 數值模擬結果及分析

2.1 設計塔徑下的模擬結果

吸收塔塔徑是設計中最為重要的結構參數之一，不僅決定整個脫硫反應發生空間的大小，而且影響工程成本。本文針對某項目的吸收塔，進行了設計塔徑下塔內流場的模擬計算。根據引進技術工藝計算，選取的設計塔徑為11.3 m。分別對燃用設計煤種和校核煤種進行了模擬計算，驗證了兩種工況下所選取的塔徑大小的適應性。選取吸收塔豎直斷面進行觀察，結果見圖3、圖4。

圖3 設計塔徑下100%負荷下的模擬結果(設計煤種)

從圖3可以看出，煙氣具有足夠的動量穿過整個吸收塔，未有直接沖刷壁面的現象，而是從塔中心開始折轉向上，最后均勻從出口離開吸收塔［10］。綜合看來，塔內吸收區流場均勻性較差，這對實際運行時的脫硫反應影響較大。除霧器區及出口處有漩渦產生，這勢必會使除霧器的阻力加大，建議實際運行時監測好此區域的壓差，并對除霧器的沖洗順序進行調整，防止堵塞。

圖4 設計塔徑下100%負荷下的模擬結果(校核煤種)

從圖4可以看出，塔內吸收反應區域及除霧器區域流場較均勻，煙氣速度相對較低，這有利于延長煙氣與漿液液滴之間的接觸時間，提高了脫硫效率。

綜合比較看來，對于設計塔徑的吸收塔，設計和校核工況下二者流場的趨勢大致相同。但設計塔徑對校核煤種而言，具有很好的適應性。

2.2 不同負荷下的模擬結果

吸收塔設計及運行時需要考慮對機組負荷的適應性，本文考察30% ～100%BMCR工況下煙氣流場的變化，結果見圖3，圖5和圖6。可見，流場趨勢大致相同，這表明設計塔徑的吸收塔對負荷的適應性較好。由此，在實際運行當中，在不同負荷的情況下，在保證煙氣與漿液良好接觸的前提下，可以通過調整噴淋層投入的方式，降低實際運行成本。

2.2 吸收塔進出口處煙氣流場分布模擬結果

吸收塔進出口設計通常是根據保證此部位的實際煙氣流速而確定其尺寸的，國內標準通常是保證煙氣流速在15 m/s以內。另外，考慮到氣流分布，入口選用矩形幾何形狀;考慮到現場施工和成本因素，出口選用矩形幾何形狀。綜合比較模擬結果可以看出，煙氣經過入口進入吸收塔內，有足夠的動量和很好的貫穿性，這確保煙氣進入噴淋區有很好的均勻分布，對后續的吸收反應有利;對于圓錐矩形平出口煙道，對氣流分布有一定的影響，氣流進入出口區，受到錐頂部位的限制，勢必產生渦流，這對除霧器有些影響。但考慮到此種出口形式施工方便、節約成本，故選用了此型出口。如果現場施工隊伍加工安裝能夠做到，采用鵝頸管形式的出口，會對煙氣分布極為有利。

圖5 設計塔徑下70%負荷下的模擬結果(設計煤種)

圖6 設計塔徑下30%負荷下的模擬結果(設計煤種)

3 結語

本文通過采用Fluent數值模擬軟件，對某項目燃用設計煤種時不同條件下吸收塔內煙氣流場的分布進行了模擬研究和分析。結果顯示吸收塔設計對脫硫校核煤種適應性好，驗證了該項目吸收塔設計的合理性及實際運行時對負荷的適應性，同時分析了吸收塔進出口型式的優劣之處，為后續工程項目吸收塔的優化設計和穩定運行提供了堅實有力的理論依據。

［1］火力發電廠煙氣脫硫設計技術規程［S］.中華人民共和國國家改革與發展委員會，2004.

［2］環境保護部.火電廠大氣污染物排放標準［S］.國家質量監督檢驗檢疫總局，2011.

［3］Alstom Technology Ltd.FGD User’s Design Manual.USA:Alstom Technology Ltd，2004.

［4］姜健.濕式石灰石/石灰－石膏煙氣脫硫的發展及展望［J］.節能技術2006，24(5):450－454.

［5］林永明，高翔.濕法煙氣脫硫(WFGD)噴淋塔內煙氣流場的數值模擬研究［J］.熱力發電，2006，35(4):6－9.

［6］Fluent Inc.FLUENT User’s Guide.USA:Fluent Inc，2001.

［7］陶文銓.數值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2006，483 －507，136 －183.

［8］程貴彬，李威，陸慧林.35 t/h燃氣鍋爐爐內空氣動力場的研究［J］.節能技術2005，23(4):315 －316.

［9］劉玉文，徐連飛.爐膛中間截面邊界條件對雙切圓鍋爐空氣動力場計算的影響［J］.節能技術2010，28(5):427－431.

［10］王啟軍，蘇保青.高氣速對煙氣濕法脫硫系統影響的分析［J］.節能技術2005，23(5):450－453.