脫硫塔增效的數(shù)值模擬研究

王 偉 宋 靜

（1 江蘇蘇美達(dá)成套設(shè)備工程有限公司 江蘇南京 210018 2 南京杰科豐環(huán)保技術(shù)裝備研究院有限公司 江蘇南京 211016）

引言

脫硫塔是鍋爐尾部煙氣進(jìn)行脫硫的主要設(shè)備，煙氣從脫硫塔下部進(jìn)入，在經(jīng)過噴淋作用和吸收反應(yīng)之后，經(jīng)脫硫塔出口排出。脫硫的過程實(shí)質(zhì)上就是氣液兩相接觸反應(yīng)的過程，因此，塔內(nèi)氣液兩相流的流場特性是影響脫硫效率的重要因素之一[1]。煙氣和漿液的流場分布直接決定著塔內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱及反應(yīng)進(jìn)行程度，特別是煙氣的流場還直接影響到脫硫塔幾何尺寸的確定及塔內(nèi)件的布置方式等。因此，在脫硫塔的所有截面上實(shí)現(xiàn)最大程度的氣液兩相均布是系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)，才能使脫硫塔充分發(fā)揮所有空間的作用[2]-[4]。

南通某熱電廠目前采用的是氧化鎂（MgO）濕法煙氣脫硫裝置。鍋爐煙氣從脫硫塔中下部進(jìn)入自下向上流動(dòng)，吸收循環(huán)液則通過塔內(nèi)的兩層布水器自上向下噴射，在塔板上進(jìn)行氣液接觸。脫硫塔共有5 層塔板，布水器分別位于第一層塔板的上部和第五層塔板的下部。

本文在熱電廠現(xiàn)有脫硫塔基礎(chǔ)上，借助計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)，通過建立合理的數(shù)學(xué)模型對脫硫塔內(nèi)煙氣流動(dòng)過程進(jìn)行了深入的數(shù)值模擬，對不同塔板配置條件下脫硫塔內(nèi)的煙氣流場進(jìn)行模擬和分析，并對設(shè)想的優(yōu)化方案進(jìn)行了模擬，為實(shí)現(xiàn)噴淋塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)有脫硫塔煙氣流動(dòng)模型的建立與分析

1.1 物理模型的簡化與網(wǎng)格的劃分

本文以熱電廠的MgO 濕法脫硫塔為模擬對象，脫硫塔為多孔托板塔，塔徑為6.9m，塔高為21.5m，塔內(nèi)目前由下向上有五層塔板，塔頂有波紋板式除霧器，兩臺(tái)鍋爐（每臺(tái)130t/h）共用一套脫硫塔。設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下，單臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)煙氣流量約220000m3/h；進(jìn)口SO2含量1000～1500mg/m3，煙塵含量15-30mg/m3。

結(jié)合現(xiàn)場條件，選擇了ANSYS17.0 計(jì)算軟件進(jìn)行流場計(jì)算，主要進(jìn)行了包含所有邊界條件下流場計(jì)算，噴淋霧化模型的建立、液滴模型的建立、液滴與氣體之間傳熱傳質(zhì)的模型建立、氣相與離散相耦合計(jì)算和計(jì)算優(yōu)化工作、以及計(jì)算結(jié)果的分析等[5]。

根據(jù)煙氣在脫硫塔內(nèi)的流動(dòng)情況，將脫硫塔內(nèi)的有關(guān)部件作如下簡化：

（1）煙速較低，可將煙氣視為不可壓縮性牛頓流體;

（2）忽略重力和煙溫對煙氣流動(dòng)的影響;

（3）暫不考慮塔內(nèi)噴嘴、除霧器和小部件對煙氣流場的影響;

（4）暫不考慮漿液噴淋對煙氣流場的影響。

簡化后的物理模型如圖1 所示，采用GAMBIT

圖1 現(xiàn)有脫硫塔計(jì)算模型

圖2 現(xiàn)有脫硫塔構(gòu)體網(wǎng)格示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型的設(shè)定

采用三維穩(wěn)態(tài)的SIMPLE 算法進(jìn)行計(jì)算，就工程而言，用的最為廣泛的還是k-ε 二方程模型及其修正[6]。考慮到本例的實(shí)際情況和所擁有的計(jì)算資源，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 二方程模型。采用基于有限容積法的控制容積積分法對控制方程進(jìn)行離散，采用拉格朗日隨機(jī)顆粒軌道模型，進(jìn)行氣液兩相流動(dòng)的模擬。

1.3 模擬結(jié)果與分析

圖3 現(xiàn)有脫硫塔SO2含量分布圖

圖4 現(xiàn)有脫硫塔縱切面速度矢量圖

從煙氣中的SO2分布來看，由于煙氣的分布不均勻，導(dǎo)致了各個(gè)區(qū)域的SO2分布不均勻，靠近入口位置側(cè)SO2濃度較高，遠(yuǎn)離入口側(cè)SO2濃度較低。

從截面速度分布可以看出，存在靠近入口速度大，遠(yuǎn)離入口速度較低的問題，經(jīng)過塔板的整流之后，煙氣的速度均勻性相對較好，但從局部速度來看，靠近煙氣入口位置還有一些漩渦。

2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對流場的影響分析

通過選取脫硫塔最下方塔板截面的氣體速度均勻性來評價(jià)流場的均勻性，通過此參數(shù)可以分析脫硫吸收塔的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：液氣比，塔板持液量，噴嘴形式和布置等，對流場分布的影響關(guān)系。

2.1 液氣比對流場分布的影響

選擇現(xiàn)有脫硫塔作為計(jì)算模型，分別增加和減少10%的液氣比（保持進(jìn)氣量不變，增加和減少10 的噴淋量），得到計(jì)算結(jié)果如下：

表1 計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果來看，增加液氣比可以增加流場的均勻性，但是程度比較有限。

2.2 塔板持液量對流場分布的影響

塔板持液量可以轉(zhuǎn)化為塔板的空隙率，空隙率越高，持液量越少，因此選擇現(xiàn)有脫硫塔作為計(jì)算模型，分別增加和減少塔板的空隙率監(jiān)測流場截面均勻度，計(jì)算結(jié)果如下：

表2 計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果來看，增加空隙率會(huì)降低流場的均勻性。

2.3 噴嘴型式對流場分布的影響

不同型式的噴嘴產(chǎn)生的液滴粒徑和分布不僅影響SO2的氣液傳質(zhì)過程，同時(shí)對流場分布產(chǎn)生影響，因此選取了實(shí)心錐噴嘴，空心錐噴嘴和直噴噴嘴三種型式來分析對流場分布的影響，計(jì)算結(jié)果如下：從計(jì)算結(jié)果來看，噴嘴的形式，實(shí)心錐最好，其次是空心錐，最后是直噴噴嘴，但是總體來看，噴嘴型式對流場均勻性影響不大。

表3 計(jì)算結(jié)果

2.4 噴嘴布置對流場分布的影響

不同噴嘴布置通過產(chǎn)生不同的噴淋密度，進(jìn)而對流場均勻度產(chǎn)生不同程度的影響，研究選擇在原有噴嘴布置的基礎(chǔ)上加密一倍和加密兩倍，但是保持噴淋總量不變：

表4 計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果來看，相比于噴嘴型式對流場均勻度的影響，加密噴嘴對流場均勻性有非常明顯的影響。

3 優(yōu)化后的脫硫塔煙氣流動(dòng)模型的建立與分析

3.1 優(yōu)化內(nèi)容

通過對影響流場的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的分析，為提高脫硫塔內(nèi)流場均勻度，在原有脫硫塔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行如下優(yōu)化：

1）入口煙道更改為矩形煙道，煙道入口面積不變；

2）脫硫噴淋層中間的大型管道去除，噴淋漿液從吸收塔外接入；

3）冷卻噴淋層下方增加第六層塔板，開孔率與其他塔板相同。

3.2 優(yōu)化后脫硫塔模型的簡化與網(wǎng)格的劃分

圖5 優(yōu)化后脫硫塔計(jì)算模型

圖6 優(yōu)化后脫硫塔構(gòu)體網(wǎng)格示意圖

圖7 優(yōu)化后脫硫塔SO2含量分布圖

圖8 優(yōu)化后脫硫塔縱切面速度矢量圖

從煙氣中的SO2分布來看，由于噴淋層下方增加了塔板，SO2的分布相比于現(xiàn)有的五層塔板要更加均勻，出口SO2濃度也相對較低。

從煙氣速度分布可以看出，速度分布非常均勻。另外，從局部速度來看，靠近煙氣入口位置的漩渦已經(jīng)完全消除，與現(xiàn)有的五層塔板脫硫塔結(jié)構(gòu)相比，速度分布有明顯的改善。

結(jié)語

吸收塔原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致吸收塔入口回流區(qū)域嚴(yán)重，將吸收塔塔盤改成五層后雖有改善但仍存在回流區(qū)，從而使得漿液接觸不完全，效率偏低，因此建議改進(jìn)吸收塔入口形狀，并在吸收塔入口處增設(shè)整流裝置，同時(shí)改進(jìn)中心管模式，將噴淋層改成霧化形式，塔頂增設(shè)高效除霧裝置或濕式電除塵。

根據(jù)對優(yōu)化建議改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD 計(jì)算，結(jié)果表明，吸收塔入口回流區(qū)完全消失，速度分布相當(dāng)均勻，脫除效率有所提高，滿足超低排放要求，雖因加設(shè)整流設(shè)施，阻力有所上升，但氣流改善又有助于降低阻力，因此阻力僅上升200Pa 左右，且改造后的SO2排放能夠滿足環(huán)保要求。