流場數值模擬技術在脫硫塔托盤設計中的應用

馬科偉，楊　迪，肖愛萍，朱　銘，陳遐齡，高凱拓

(中國聯合工程公司，浙江　杭州　310052)

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流場數值模擬技術在脫硫塔托盤設計中的應用

馬科偉，楊迪，肖愛萍，朱銘，陳遐齡，高凱拓

(中國聯合工程公司，浙江杭州310052)

采用k-ε湍流模型對某燃煤鍋爐煙氣脫硫塔的托盤結構進行了數值模擬，分析了各種孔隙率下，在托盤上方形成的持液層高度及因此而產生的壓降，對脫硫塔托盤的開孔率和開孔尺寸的設計起到了指導作用。在此分析基礎上選取合適的開孔率并對脫硫塔整體建模進行CFD流場數值模擬分析，分析結果滿足工程實際需要，并已成功應用于某熱電廠，實際運行效果良好。

煙氣脫硫；數值模擬；托盤；優化設計

目前，我國煤炭仍然占據著能源消費的主要地位，隨著環境污染越來越嚴重，環保部門對燃煤鍋爐煙氣排放標準越來越嚴格[1]。鍋爐煙氣脫硫技術層出不窮，其中應用最為廣泛的是石灰石——石膏濕法脫硫，該工藝中SO2吸收系統是整個脫硫島的核心，主要由吸收塔、循環漿液泵和氧化風機等設備組成。脫硫裝置為逆流式噴淋吸收塔，底部為循環漿池，中部主要部分為噴淋洗滌區，布置了托盤和三層噴淋系統。在吸收塔的上部布置除霧器，脫除煙氣夾帶的液滴。

1　研究對象

某煤粉鍋爐煙氣脫硫塔尺寸為φ5000 mm ×28000 mm，熱煙氣從入口煙道進入脫硫塔，經過托盤的減壓和均流之后，熱煙氣降溫并與托盤上方的漿液層充分混合，使得托盤上方形成含有大量泡沫的持液層，并進行第一次脫硫反應。隨后，煙氣繼續上行，與噴淋層噴淋而下的漿液混合，形成第二次脫硫反應。最后，干凈的煙氣經過除霧器脫除液滴后經煙囪排出。

托盤是一種兩相逆流篩孔板，在篩孔板上表面設有單元隔離板，將上表面隔離一個個單元，煙氣在托盤上表面形成泡沫層，同時漿液也從中落下。氣流和液流之間有規律地脈動，氣流和液流間歇通過小孔。托盤上的隔離板是為了防止脈動過大，造成氣流通量不均勻。特別當脫硫塔直徑增大后，若無隔離板，即會出現有些孔只通氣，不落液的現象，而有些則剛好相反，這勢必將嚴重影響氣液間傳質，降低脫硫效率。由于托盤的每一個隔離區有多個通路存在，這種脈動流動可視為準穩態流動。托盤產生的壓降進一步促進了煙氣分布的均勻性，為噴淋層洗滌區的氣液均勻接觸提供了更為良好的保證。托盤產生的壓降由三部分組成，一是托盤的干板壓降；二是表面張力產生的壓降；三是托盤上表面的泡沫持液層產生的靜壓降。托盤的干板壓降是煙氣加速通過小孔時產生的，表面張力產生的壓降是為了克服氣液間的表面張力，靜壓降為托盤上表面的氣液泡沫層產生的，與泡沫層的高度有關。

以氣液兩相流體力學及化學反應動力學研究的觀點，噴淋吸收塔內流體流動的目的是強化氣液兩相的混合和質量傳遞；延長氣液兩相在塔內吸收段的接觸時間，增大氣液兩相的接觸面積并盡量降低吸收塔系統阻力。而脫硫塔內增加托盤是在增加一定壓降的前提下，大大增加了氣液混合程度及化學反應的接觸面積，從而大大增加了塔內的脫硫效率。

利用CFD軟件中的多相流模型分析液氣兩相在脫硫塔內的接觸混合，氣流的走向及均勻程度，氣液在托盤位置的混合，持液層高度及隨之而來的壓降。本文首先選取脫硫塔內的一個單元分析托盤孔隙率對持液層高度及壓降的影響；在確定合適的托盤孔隙率之后，再進行脫硫塔的整體流場分析。

為分析簡化，作如下假設：(1)吸收塔內為絕熱過程，不考慮吸收塔與外界的傳熱；(2)將煙氣視為一具有均勻物性的氣體，具有混合氣體平均的密度、粘度、傳熱系數等物理性質，忽略煙氣中特定組分對噴淋吸收塔內傳熱傳質及流體流動過程的影響；(3)不考慮漿液池上方氣液兩相區域的化學反應，且漿液池不計入計算域，化學反應由過程化學模型計及；(4)忽略由于漿液池中因過剩氧化空氣的析出而導致的煙氣流量、組分及性質的變化；(5)忽略噴淋吸收塔塔內支撐件的具體結構對流體流動及傳熱傳質過程的影響，對噴淋層、噴嘴等塔內構件進行必要的數值簡化處理[2-4]。

在此基礎上，建立了噴淋吸收塔內湍流多相流動過程的數學模型、液滴噴淋模型對吸收塔內的湍流多相流動過程進行數值模擬，對氣相的湍流流動和湍流輸運特性、多相流動及混合進行了探討。

2　數值計算結果及分析

2.1托盤孔隙率分析結果

圖1是托盤分析計算的模型，選取了脫硫塔內的一個單元進行分析。煙氣從下方進入，通過多孔托盤和噴淋層之后從上方流出；漿液從上方的噴嘴噴出，撞擊到多孔托盤后形成還有泡沫的持液層。本模擬分析了各種孔隙率下，在托盤上方形成的持液層高度及因此而產生的壓降。

圖1　脫硫塔噴淋單元

圖2　不同孔隙率積液層的高度

圖3　不同孔隙率壓力分布(Pa)

表1　噴淋單元計算結果匯總

從計算結果來看，孔隙率在35%～38%之間，持液層可以維持在100～200 mm之間，壓降維持在100～200 Pa之間，比較符合設計要求，建議托盤孔隙率維持在35%～38%之間。

2.2脫硫塔整體模型模擬結果

原始設計模塊，每個模塊的局部孔隙率為46.4%， 整體孔隙率為37.8%；調整為，中間的整體模塊(600×975)的開孔為φ110 mm，邊角非整體模塊的開孔為φ120 mm，這樣模塊的局部孔隙率為39.0%，整體孔隙率為33.8%。

邊角部分由于有擋液板，所以積液量會較多，增大邊角部分(非整體模塊)的開孔直徑，可以適當邊角部分積液流動更加順暢，減小漿液沉積結垢的機會。整體脫硫塔模型見圖4。

圖4　脫硫塔整體模型

煙氣入口流量：290000 m3/h，溫度140 ℃；漿液噴淋量3000 m3/h，漿液密度1150 kg/m3。計算結果見圖5～圖8。

圖5　脫硫塔整體壓力分布

圖6　脫硫塔整體漿液組分分布

圖7　脫硫塔整體速度分布

圖8　脫硫塔高度14 m和15.5 m高度的速度分布

從整體計算的結果來看，33.8%孔隙率的托盤可以得到150～200 mm高度的持液層，該持液層帶來的壓降為200 Pa左右(托盤本身壓降45 Pa)，氣流在托盤之前的均勻程度為0.88，在經過托盤和持液層的整流之后，均勻度增加到0.96。

3　結　論

本文首先選擇一個較小的噴淋單元來研究托盤的孔隙率與持液層及壓降之間的關系，得到了不同開孔率下積液層高度和及因此而產生的壓降。從計算結果來看，孔隙率在35%～38%之間，持液層可以維持在100～200 mm之間，壓降維持在100～200 Pa之間，比較符合設計要求，建議托盤孔隙率維持在35%～38%之間。并在此基礎上，選擇33.8%孔隙率的托盤作為脫硫塔的構建來模擬脫硫塔整體模型，從整體計算的結果來看，33.8%孔隙率的托盤可以得到150～200 mm高度的持液層，該持液層帶來的壓降為200 Pa左右(托盤本身壓降45 Pa)，氣流在托盤之前的均勻程度為0.88，在經過托盤和持液層的整流之后，均勻度增加到0.96。本文研究成果對于脫硫塔托盤開孔率和開孔尺寸設計起到了指導作用，已成功應用于某熱電廠，實際效果良好。

[1]王立生.煙氣脫硫系統及其控制技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[2]岑可法, 樊建人.工程氣固多相流的理論及計算[M].杭州:浙江大學出版社，1990:22.

[3]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2005:36.

[4]李仁剛,管一明.煙氣脫硫噴淋塔流體力學特性研究[J].電力環境保護,2002,17(4):4-8.

Application of Flow-field Numerical Simulation Technology in the Optimized Design of Desulfurization Tower Tray Structure

MAKe-wei,YANGDi,XIAOAi-ping,ZHUMing,CHENXia-ling,GAOKai-tuo

(China United Engineering Corporation, Zhejiang Hangzhou 310052, China)

The k-ε turbulence model was adopted for numerical simulation of the desulfurization tower tray structure for a boiler flue gas. The liquid layer height above tray and corresponding pressure drop were analyzed for tray with different porositys. This research would play a guiding role for opening rate and hole size design of desulfurization tower tray.

FGD; numerical simulation; tray; optimized design

馬科偉(1985-)，男，工程師，研究生，從事煙氣脫硫脫硝工作與研究。

TE9

A

1001-9677(2016)05-0172-03