基于CFD的脫硫塔內部流場優化

趙大周，鄭文廣，何　勝，劉　博（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

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基于CFD的脫硫塔內部流場優化

趙大周，鄭文廣，何勝，劉博
（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

摘要：建立了三維脫硫塔數值模型，模擬研究了托盤及雨披環對塔內流動的影響，結果表明：托盤能夠有效改善塔內流場，利于脫硫反應的進行，使脫硫效率增大，但是會增大系統壓降。雨披環可以有效減少煙氣沿壁面的逃逸，系統壓降略有增大。

關鍵詞：脫硫塔；托盤；雨披環；流場

0　引言

脫硫系統經過近20年的發展已經日趨成熟，成為我國大型火電廠的一個重要組成部分，為我國的環保事業做出了巨大的貢獻[1]。但是，隨著國家對環保方面的要求越來越高[2]，部分傳統的火電廠脫硫系統已經無法滿足現今的環保標準，脫硫塔的優化構件改造成為了一個重要的解決方案。數值模擬因具有簡便、快捷、高效等優點因而被廣泛的應用[3-4]，為工程設計及優化提供參考。

本文采用計算流體力學Fluent對脫硫塔內托盤、雨披環兩種種比較常見的流場優化構件進行模擬比較分析。

1　模型的建立

1.1模型的建立及網格劃分

本文根據現場施工圖，按照1∶1的比例利用GAMBIT軟件建模并進行網格劃分，網格使用的是結構化和非結構化組成的混合網格，網格總數約為100萬，如圖2所示。

1.2假設與簡化

本文在模擬計算時對脫硫塔模型、以及其內部煙氣的流動、漿液與煙氣之間兩相流動做了如下假設與簡化[5，6]：

（1）將煙氣視為不可壓縮流動。

（2）將液滴作剛性球體考慮，不考慮漿液液滴之間的碰撞、破碎和并聚。

（3）忽略塔內噴淋管等部件對流場的影響。

（4）計算區域僅考慮漿液池以上的部位。

2　數學模型

選用標準k-ε模型描述脫硫塔內煙氣的湍流流動，反應器內的托盤以及除霧器用多孔介質模型代替，本文的液滴運動采用拉格朗日離散相模型來描[8，9]，采用隨機漫步模型（Discrete Random Walk，DRW）來修正塔內湍流流動對液滴運動的影響。液滴在塔內的受力只考慮曳力和重力的作用。

3　模擬結果與分析

3.1托盤分析

托盤又稱多孔板，是一種布滿很多圓孔的圓形薄板，煙氣和液滴可以從其中的圓孔中穿過，托盤一般安裝在在脫硫塔煙道入口的上方。托盤作為流場優化構件的作用主要體現在兩方面：一方面對塔內流場進行整流達到改善流場的作用，從而使得氣液混合更加均勻有利于脫硫反應的進行；另一方面向下噴淋的液滴與托盤會發生碰撞、破碎、反彈等作用，從而增加了塔內的持液時間，使得氣液充分反應，從而提高脫硫效率。加托盤前后脫硫塔內部截面速度分布圖如圖3所示。

通過對比圖3a）和圖3b）可以看出，經過托盤的整流作用，塔內速度場的高速漩渦區消失，塔內流場更加均勻。

圖4給出了加托盤前后的塔內截面壓力云圖，由圖可知，經過托盤的整流作用，塔內的壓降有所增大，約有150Pa。

3.2雨披環分析

雨披環是一種安裝在塔壁四周的環狀優化構件，與塔壁呈一定角度，它可以有效的減少煙氣沿著壁面的逃逸量，傳統的脫硫塔進行脫硫過程中，由于塔壁區域噴淋漿液的覆蓋率不高，容易形成噴淋盲區，使得煙氣沿塔壁向上逃逸從而降低了脫硫效率。圖5為雨披環安裝位置及結構示意圖。

圖6是加雨披環前后的塔內煙氣跡線圖，從圖中可以清晰的看出煙氣從入口到出口的流動軌跡，在圖6a）中煙氣沿著塔的高度方向流動，部分煙氣的運動軌跡是貼著塔壁上升，這些煙氣沿塔壁逃逸，逃脫與噴淋漿液的接觸，從而影響到煙氣整體的脫硫效率，而在圖6b）中，由于雨披環的阻擋作用，煙氣上升過程中在雨披環附近發生了繞流現象，從而使得全部煙氣都可以與噴淋漿液進行接觸反應，減少了煙氣貼壁逃逸，在一定程度上提高了脫硫效率。

然而由于雨披環形狀結構較小，僅對貼壁的煙氣流動產生一定影響，因此加雨披環以后整個系統增加的阻力不大，約20Pa，圖7加雨披環前后塔內截面壓力分布云圖。

4　結語

本文通過Fluent軟件對脫硫塔內兩種流場優化構件進行比較分析，通過模擬研究可以得出結論：托盤、雨披環對于脫硫塔內部流場的優化都有著各自的作用。其中，托盤主要針對于整體流場的優化，可以有效的提高脫硫效率，但是相應的壓降較大，造成風機能耗增加；雨披環主要針對于沿壁面逃逸的煙氣，產生的壓降較小，對于噴淋的壁面盲區具有特定的效果，一定程度上提高了脫硫效率。

參考文獻：

[1]禾志強，祁利明，張銘，等.濕法脫硫系統優化運行[J].鍋爐技術，2014，45（1）：72～75.

[2]王鴦鴦，趙盟.我國火電脫硫行業現狀及“十二五”前景展望[J].中國環保產業，2010，（7）：9～12.

[3]過小玲，金保升，沈丹.裝有多孔板的脫硫噴淋塔流場數值模擬研究[J].鍋爐技術，2007，38（6）：5～9.

[4]郭瑞堂，高翔，丁紅蕾，等.濕法煙氣脫硫噴淋塔內流場的優化[J].中國電機工程學報，2008，28（29）：70～77.

[5]高原.濕法煙氣脫硫吸收塔煙氣流場數值模擬研究[J].節能技術，2012，30（1）：66～69.

[6]潘衛國，郭瑞堂，冷雪峰，等.大型燃煤電站鍋爐脫硫塔脫硫效率的數值模擬[J].動力工程學報，2011，31（4）：306～311.

[7]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社有限公司，2004.

[8]王翱，宋薔，姚強.脫硫塔內單液滴捕集顆粒物的數值模擬[J].工程熱物理學報，2014，（9）：045.

修回日期：2015-12-11

Optimization of Flow Field in the Desulfurizer Tower Based on CFD

ZHAO Da-zhou，ZHENG Wen-guang，HE Sheng，LIU Bo
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Abstract：A three dimensional numerical model of desulfurization tower was established. The influence of perforated plate and poncho ring on flow field was simulated. The result show that，the perforated plate can improve the flow field of tower efficiently and good for desulfurization reaction，also increase the efficiency of flue gas desulfurization. But it will increase pressure drop of the system. The Poncho ring can reduce gas escape along the wall effectively，the pressure drop increased slightly.

Key words：desulfurization tower；perforated plate；poncho ring；flow field

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：趙大周（1990-），男，山東棗莊人，碩士，研究方向：燃煤電廠大氣污染物的控制。

中圖分類號：X701.3

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0035-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.008