鍋爐脫硫除塵技術的應用研究

范俊俊

(山西威德睦方煤礦設計咨詢有限公司，山西 太原 030001)

引 言

隨著經濟社會的不斷發展，人類對石化燃料的消耗不斷增加，其在推動人類社會不斷進步的同時也造成了嚴重的環境污染，特別是煤炭燃料在燃燒過程中會產生大量的粉塵、二氧化硫、二氧化碳等污染物質，導致全球氣候變暖、酸雨等，給人類社會造成了巨大的經濟損失[1]。在全球環保意識不斷增強的今天，如何在確保經濟社會對煤炭等石化燃料需求的同時，降低其在燃燒過程中對大氣的污染，已經成為人類迫切需要研究的課題。本文針對現有的工業鍋爐在燃氣排放過程中對二氧化硫和粉塵的脫硫除塵效果差、成本高昂的缺點，應用FLUENT仿真分析軟件對鍋爐脫硫除塵的工作流場特性進行分析，并進行針對性的優化，有效地提升了鍋爐脫硫除塵效果。

1 鍋爐脫硫除塵系統工藝流程

本文以某型鍋爐的脫硫除塵系統為研究對象，其脫硫除塵的工藝流程，如圖1所示[2]。

在該鍋爐脫硫除塵系統中，其主要將氫氧化鈣作為主要脫硫劑，用于對燃燒時產生的硫化物進行處理，該系統主要包括了脫硫劑的供應設備、煙氣系統電除塵設備、脫硫灰循環及排放系統等。

當鍋爐內的燃料燃燒后的氣體排出鍋爐后，首先經過預除塵裝置的處理，然后由吸收塔的底部逐漸進入到吸收塔內，在吸收塔內與氫氧化鈣等脫硫劑發生反應，實現對硫化物的吸收。經脫硫后的煙塵從吸收塔的頂板排出，進入到布袋除塵系統內，通過布袋除塵系統收集的粉塵再進入到脫硫灰循環及排放系統內，經過反復脫硫循環后傳輸到脫硫灰庫，最后，通過加濕設備對其進行加濕后外排，煙氣在經過脫硫除塵后通過引風機進入煙道內排放到空氣中。

圖1 脫硫除塵工藝流程圖

2 鍋爐脫硫除塵系統的數值模擬

當煙氣在吸收塔內流動時，其是由煙塵顆粒、水霧及高溫煙氣組成的固、液、氣相結合的三維流場，因此，為了對煙氣在鍋爐內的脫硫除塵過程進行分析，可利用Fluent流體仿真分析軟件對其工作過程進行仿真分析，在分析時采用k-ε湍流模型作為分析時的基準模型。

以某型鍋爐脫硫除塵裝置為基準對象，利用三維建模軟件建立其三維機構模型，其塔身總高為45.6 m，塔身直徑為6.5 m，布袋除塵裝置的高度為14.78 m，將三維模型與FLUENT仿真分析軟件結合，分別對脫硫劑不同加入位置情況下脫硫效果的影響進行仿真分析，結果如148頁圖2、圖3所示。

圖2 脫硫劑從文丘里管下方注入時SO2的質量濃度示意圖

圖3 脫硫劑從文丘里管上方注入時SO2的質量濃度示意圖

由仿真分析結果可知，當將脫硫劑從文丘里管的上方注入時，二氧化硫氣體在吸收塔內的分布均勻性更高，能更加充分地與脫硫劑進行反應。這主要是由于，當將脫硫劑從文丘里管[3]上方注入時，對吸收塔內煙塵流場產生偏流作用，其速度場及濃度場的分布均勻性更好，脫硫劑在吸收塔內各處停留時間基本一致，使其能夠與吸收塔內的二氧化硫氣體進行充分的接觸，充分地利用吸收塔內的空間。

煙塵在鍋爐內擴散的軌跡，如圖4所示。

圖4 煙塵在脫硫除塵裝置內的擴散流場示意圖

由仿真分析結果可知，煙塵在煙道內隨著高度的升高其粉塵含量的濃度逐漸降低，這主要是因為，部分煙塵在上升過程中在氣流作用下相互碰撞、結合，使其體積增加、質量增大，在重力作用下逐漸下落[4]。在經過布袋除塵裝置后其粉塵質量濃度快速地從最初的約600 mg/m3降低為100 mg/m3以下，除塵效果顯著。

通過以上分析可知，進行脫硫除塵時采用從文丘里管上方注入脫硫劑，同時配合布袋除塵方案，能夠使該鍋爐脫硫除塵效果達到最佳。

3 吸收塔系統的優化設計

為了進一步提升鍋爐脫硫除塵的效果，在以上分析研究的基礎上，結合實際工作經驗，本文提出了以下優化方案：

1) 對吸收塔結構進行優化。將脫硫劑的噴管方向設置為和煙氣流出方向相同，并且設置到文丘里管的上端，且在四周呈環形分布，使脫硫劑加入時進一步優化吸收塔內的氣流流場，加大煙塵和脫硫劑的接觸時間和有效接觸面積，進一步提升脫硫效率。

2) 脫硫灰循環及排放系統的優化。在現有系統結構中，長期循環脫灰時會導致在循環通道內灰塵的集聚，因此，可在循環系統的入口位置設置一個熱風吹入裝置，一方面，提升了循環灰塵的溫度，避免低溫下的黏結，另一方面，可以提高循環灰塵與脫硫劑的反應速度，提升循環脫硫效果。

3) 優化噴槍的噴嘴結構。將目前常用的液體單相噴槍更改為氣液雙相噴槍結構，在進行噴淋時同步通入高壓氣體，進一步將液體粉碎化處理，增加霧化效果，提高脫硫效率。

4 結論

本文通過對鍋爐脫硫除塵工作原理的分析，利用FLUENT仿真分析軟件對脫硫除塵過程進行了仿真分析，并根據分析結果針對性地提出了結構優化方案，結果如下。

1) 將脫硫劑從文丘里管上方注入時的脫硫效果要顯著高于將脫硫劑從文丘里管下方注入時的脫硫效果。

2) 布袋除塵裝置能夠將粉塵質量濃度從600 mg/m3快速降低為100 mg/m3以下，除塵效果顯著。

3) 當在進行脫硫除塵時采用從文丘里管上方注入脫硫劑，同時配合布袋除塵方案，能夠使該鍋爐脫硫除塵效果達到最優。

4) 通過對吸收塔結構、脫硫灰循環及排放系統及噴槍的噴嘴結構的合理優化均能夠有效地提升鍋爐脫硫除塵系統對二氧化硫和粉塵的過濾效果。