脫硫塔進煙口結構研究與分析

劉得懷，侯志偉，王 晨，楊 文

（淮陰工學院，江蘇省先進制造技術重點實驗室，江蘇 淮安223003）

0 引言

某公司脫硫塔是氨法脫硫裝置中最重要的設備之一，脫硫塔實際運行過程中，含硫煙氣進入塔內與噴淋漿液之間不僅會發生一系列的化學反應，還存在著復雜的傳熱傳質過程[1]。煙氣進入脫硫塔后的初始分布狀態對脫硫劑的吸附性能與效率具有重要影響。如果煙氣初始分布的均布性很差，則由脫硫劑構成的填料區會存在穿透時間差別大，部分脫硫劑不能充分利用，脫硫效率與脫硫穩定性不能得到保障等問題[2]。因此脫硫塔進口氣體的初始分布均布性對脫硫塔的高效運行至關重要[3]。研究發現脫硫塔使用不同結構進煙口時，煙氣經過進煙口導流進入脫硫塔后的氣體流動速度、方向都存在很大的區別，從而導致煙氣在脫硫塔塔內分布均勻程度的不同。如圖1所示，三種結構進煙口。通過對脫硫塔內煙氣流動進行數值模擬分析得出氣體分布性能最好的進煙口結構。

圖1 三種結構進煙口

1 某公司脫硫塔基本參數

某公司脫硫塔進氣速度為2.5 m/s，該塔的實際工況參數如表1所示。

表1 實際工況參數

2 數學模型

根據各方面因素考慮，本次脫硫塔內部煙氣流動數值模擬模型將選取標注模型，標準模型在湍流動能以及耗散率的基礎上建立的模型，其適用于高度湍流狀態下的流體。在雷諾系數達到一定數值時，湍流流體微團的粘性力將比慣性力小得多。由此，在進行流體力學分析的時候，可以不要考慮流體微團的黏性力。標準模型中的流體湍流動能方程如（1）所示，耗散率方程如（1）所示。

式中，Gb是指在浮力作用下產生得湍流動能；Gk是層流速度梯度引起的流體湍流動能。

3 物理模型與邊界條件

利用SolidWorks三維建模軟件度脫硫塔進煙口、塔體、出煙口實際尺寸1∶1比例進行建模，如圖2所示。塔體高為41 000 mm、塔徑為7 300 mm；出煙口高度為2 000 mm、長度為3 000 mm、寬度為3 000 mm。進煙口為脫硫塔水平進氣進煙口、直角進煙口、斜45°角進煙口。煙氣從氨法脫硫塔進煙口入塔采用煙氣速度入口邊界條件；煙氣從氨法脫硫塔出煙口出塔采用壓力出口邊界條件；氨法脫硫塔塔體作為壁面邊界條件。

圖2 物理模型

4 網格劃分

利用Mesh模塊對脫硫塔計算區域進行網格劃分，考慮到數值模擬計算的時間的合理性，保證數值模擬過程計算的精確性，本節對物理模型的網格劃分數量為140多萬。網格劃分如圖3所示。

圖3 網格劃分

5 數值模擬對比分析

圖4是水平進氣進煙口煙氣流動數值模擬圖，從圖中可以明顯看出煙氣以2.5 m/s的速度通過原進煙口進入脫硫塔內對塔壁造成沖擊，部分煙氣高速折而向上快速的流動至塔頂，形成了一段快速流動區域，該區域寬度大約為塔徑的1/4。煙氣出塔速度過快，氣體分布不均，嚴重影響了脫硫塔的脫硫效率，煙氣對塔內壁的沖擊極易造成塔內壁磨損腐蝕。

圖4 原進煙口煙氣流動數值模擬圖

圖5 是垂直向下出氣進煙口煙氣流動數值模擬圖，從圖中可以看出煙氣以2.5 m/s的速度通過垂直向下出氣進煙口進入脫硫塔內不會對塔內壁造成沖擊，煙氣對氨法脫硫塔底部的沖擊明顯變小，垂直向下的出煙口結構可以有效的控制煙氣的進塔速度，煙氣沿著垂直向下進煙口進入到脫硫塔底部中心處向四周均勻擴散后折而向上流動。出煙口煙氣流動速度適中，塔內煙氣分布比較均勻。

圖5 垂直向下出氣進煙口煙氣流動數值模擬圖

圖6是斜45°向下出氣進煙口煙氣流動數值模擬圖。由模擬圖可以看出煙氣經過45°拐角處，煙氣的保持一定的速度均勻流動至塔底中心處，折而向上流動。由于煙氣是傾斜流動，由塔底向上流動的煙氣在塔內兩側出現明顯的分布不均勻現象，塔內右側壁煙氣流速明顯高于左側，煙氣出塔速度較快，脫硫塔內氣體分布均勻度不夠理想。

圖6 斜45°向下出氣進煙口煙氣流動數值模擬圖

6 結束語

綜合煙氣流動數值模擬圖4、圖5、圖6分析，氨法脫硫塔在三種結構進煙口作用下，煙氣在氨法脫硫塔內分布均勻度效果最好的是垂直向下出氣的進煙口，公司將選取垂直向下出氣的進煙口作氨法脫硫塔進煙口的優化改進結構。