脫硫吸收塔煙氣量減半加均布板改造分析

馬英

摘 要：基于某發電廠脫硫塔兩爐一塔改為一爐一塔的實際工程問題，通過吸收塔全尺寸數值模擬，發現煙氣量減半后吸收塔內部煙氣充滿度差且在進風口上方存在煙氣渦旋，致使脫硫效率低下。針對吸收塔煙氣進口上方存在煙氣稀相區，大量浪費吸收劑致使脫硫效率較低的問題，提出在煙氣進口上方加裝孔徑為100～150mm、開孔率40%的均布板，模擬結果顯示加裝均布板可以大幅提升吸收區的煙氣分布均勻性，有效提高脫硫效率。

關鍵詞：濕法脫硫；吸收塔；煙氣量減半；均布板

某發電廠2X300MW機組的脫硫系統吸收塔設計之初是一個吸收塔承擔兩臺300MW發電機組的煙氣脫硫任務。在機組實際運行過程中發現脫硫效果不佳，個別工況下脫硫效率甚至低于90%，該發電廠決定將原先的兩爐一塔改為一爐一塔。由于脫硫塔煙氣處理量減半，煙氣在脫硫塔水平截面內出現嚴重分布不均。通過對煙氣量減半后的吸收塔內氣液兩相流流場進行三維數值模擬，分析氣流沿吸收塔水平截面的煙氣分布狀況。并針對吸收塔煙氣進口上方存在煙氣稀相區，提出在煙氣進口上方加裝均布板的改造方案，并通過三維模擬驗證改造的有效性。

1 吸收塔幾何模型

本文選取該電廠300MW機組濕法脫硫吸收塔為研究對象展開全尺寸數值模擬研究，各部分結構按照實際尺寸建立幾何模型，以保證最后的計算結果對實際工程具有指導作用。漿液池內部區域不納入計算區域，漿液池表面視為靜止液面。為最大減小計算量，用多孔介質模型對除霧器進行等效果簡化[1]。只考慮其主要管道對流場的干擾作用，忽略噴嘴的幾何尺寸，噴淋采取指定噴射角度的點噴射，液滴粒徑分布采用均勻粒徑分布代替噴頭的作用[2]。模擬計算結果表明以上簡化可行且有效。

濕法脫硫吸收塔直徑為17m，高度為42.7m，采用離心雙向空心錐型噴嘴，配備2個屋脊式除霧器，由濕法脫硫吸收塔的煙氣入口截面至出口截面。漿液池不計在內，漿液池的操作液面視為固體壁面，作為計算域的下邊界。用Solidworks建立幾何模型，圖1為吸收塔和噴淋層三維形狀。對幾何模型進行區域劃分，對噴淋層的復雜結構進行以尺寸函數為引導的非結構化網格自適應網格劃分，對煙氣出口區域根據預測的煙氣流向進行結構化網格劃分[3]。對結構進行網格無關性結果驗證后計算域網格共約100萬。

2 模擬邊界設置

數值計算以fluent 軟件為平臺，采用顯式差分格式，SIMPLE 算法，k-ε雙方程realizable模型求解。模擬中邊界條件設置如下：

（1）吸收塔入口邊界條件認為來流速度充分發展且分布均勻，改造前煙氣來自兩臺鍋爐，煙氣流速為12m/s，改造后煙氣來自一臺鍋爐，煙氣量為6m/s，入口煙氣溫度130攝氏度，入口k 值為來流速度平均動能的0.5%，入口湍流強度：I=0.016（Re）-0.125；

（2）煙氣黏度采用定值：1.9894 ×10-5 kg/（m·s）；

（3）塔及煙道外壁為絕熱邊界，噴淋管外壁溫度取漿液溫度，漿液溫度為50℃；

（4）出口設置為自由出流邊界條件。

動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程的離散均采用二階迎風差分格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。計算過程中，能量離散方程殘差控制在10-6以下，其他方程殘差控制在10-4以下[4]。

3 流量減半改造前問題分析

吸收塔進口管道以一定角度向下傾斜送風，依靠氣流自身擴容、擴散和慣性作用進行氣流分布，但這樣的氣流均布效果是有限的，塔內氣流分布依舊很不均勻，入口對面塔壁一側局部風速過大，而這部分區域噴淋的漿液密度小，多為貼壁流，所以造成部分氣流中SO2未完全脫除就被排出，同時，局部風速過大也會使得除霧器不能很好的發揮作用，造成煙囪出口帶液嚴重的現象，既污染了周圍環境也浪費了吸收劑。

為單獨分析煙氣量減半前后吸收塔內煙氣橫截面上的均勻性的變化，在空塔情況下對吸收塔進行原尺寸模擬，圖2為一爐一塔和二爐一塔（煙氣流速分別6m/s、12m/s）吸收塔空塔模擬結果流線圖展示。由于二爐一塔煙氣速度大，煙氣剛性大，煙氣沿著吸收塔進出口外側流動，但是由于二爐一塔煙氣量為一爐一塔的兩倍，吸收塔內部煙氣充滿度比一爐一塔好，由圖2一爐一塔流線圖可以看出，噴淋層下方靠近煙氣進口側煙氣流線較少，說明經過該區域煙氣量較少，導致該區域脫硫效率極低，其他區域脫硫負荷被迫升高。

煙氣量減半后，吸收塔煙氣進口上方存在煙氣稀相區，導致吸收塔內局部煙氣速度過大，脫硫效率低。提出在煙氣進口上方加裝孔徑為100–150mm、開孔率40%的均布板，使吸收區的煙氣分布更加均勻。

4 加裝均布板改造效果分析

吸收塔進口管道以一定角度向下傾斜送風，依靠氣流自身擴容、擴散和慣性作用進行氣流分布，但這樣的氣流均布效果是有限的，塔內氣流分布很不均勻，入口對面塔壁一側局部風速過大，而這部分區域噴淋的漿液密度小，多為貼壁流，所以造成部分氣流中SO2未完全脫除就被排出。同時，局部風速過大和過小也會使得除霧器不能很好的發揮作用，造成煙囪出口帶液嚴重的現象，既污染了周圍環境也浪費了吸收劑。

針對該問題，采用均布板加以改造，所采用的均布板為圓盤狀，其上開有若干圓形孔洞，圓形孔洞分布均勻，孔洞的孔徑100–150mm，開孔率40%，安裝在吸收塔煙氣入口正上方1m處。對安裝均布板之后的吸收塔進行數值模擬，在額定工況下，均布板煙氣壓降為298pa，圖3是均布板下橫截面和均布板上橫截面的速度場比較。可以看到，經過均布板，速度分布均勻性大幅提高。煙氣在塔內的平均停留時間大幅延長，脫硫反應時間更加充裕，有利于提高脫硫效率。另一方面，煙氣從入口進入塔內，通過均布板的調節作用，使得均布裝置上部的塔內煙氣能夠均勻分布，有效地減少了局部氣速過大的問題，避免了因氣速過大或過小導致的除霧效果不佳的問題，提高了除霧效率，減少了吸收液的浪費。

參考文獻

[1]曾芳.用數值模擬方法進行脫硫塔的優化設計[J].華北電力大學學報：自然科學版，2010，37（2）：94-98.

[2]展錦程，冉景煜，孫圖星.煙氣脫硫吸收塔反應過程的數值模擬及試驗研究[J].動力工程學報，2008，28（3）：433-437.

[3]鄧佳佳.燃煤電廠煙氣脫硫吸收塔內過程優化及脫硫廢水的零排放處理[D].重慶大學，2015.

[4]宋健斐，彭園園，郭本玲，等.循環流化床煙氣脫硫塔入口結構改進的數值模擬[J].環境工程學報，2010，（10）：2283-2286.