活性焦干法脫硫塔煙氣流場分析

胡 珊，鄭 陽，顧禮新，李衛衛

(上海克硫環保科技股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210009)

工業煙氣中的SO2、NOx等大氣污染物大量排放是造成大氣污染的首要原因，其主要來自于化石燃料的燃燒，特別是煤炭的燃燒[1]。在我國的能源消費和構成中，1978～2019年煤炭消耗雖然逐年下降，但所占比例仍然很高，2019年為57.7%[2]。同時，隨著消費在經濟發展中的比重逐步增加，導致一次能源需求到2050年將達到30.4億t標煤，占全社會能源需求的52.4%[3]。因此，解決日益嚴重的SO2，NOx大氣污染問題已刻不容緩，而煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization，簡稱FGD)是目前世界上大規模商業應用的脫硫方式，是控制SO2污染的主要技術手段[4]。目前，工業應用的煙氣脫硫技術可分為干法(含半干法)和濕法脫硫[5]。干法脫硫主要以活性焦干法脫硫為主，其在工業煙氣干法脫硫方面具有明顯的優勢，可以聯合脫除污染物(如NOx、重金屬、二噁英等)，使用溫度較低，占地面積少，還能實現硫硝的資源化利用[6]。

活性焦煙氣脫硫技術采用多孔介質活性焦，通過吸附作用將煙氣中的SO2脫除，吸附飽和的活性焦，通過加熱再生實現硫回收[7]。影響活性焦脫硫效率的因素，除了活性焦自身制備原料和工藝、機械性能等外，還包括煙氣分布的均勻性。煙氣分布的均勻性決定了脫硫塔內活性焦是否能按照設計要求得到充分利用[8]。在實際運行過程中，煙氣量是一個瞬間波動量。分析波動的煙氣量對塔內煙氣流場分布的影響，對于保證脫硫塔的脫硫效率有重要的意義。

CFD(Computational Fluid Dynamics，即計算流體動力學)模擬技術作為越來越重要的分析方法，與試驗相比，具有經濟性、高效和快捷的特點[9]。近年來，很多研究都成功地通過CFD模擬對工業設備的性能進行了優化[10，11]。本文主要應用CFD模擬軟件FLUENT對某項目中的單臺脫硫塔進行數值模擬，分析煙氣在塔內的分布情況，通過在脫硫塔內添加導流構件，改善分布的均勻性；同時，還分析了不同煙氣量對脫硫塔內煙氣流場分布的影響。

1 活性焦干法脫硫塔數值模擬

1.1 錯流雙級床結構脫硫塔

目前，活性焦干法脫硫塔通常采用移動床結構，根據反應器內部煙氣和活性焦運動方向的不同，移動床可分為錯流、并流和逆流3種形式[12]。曹晏[13]等通過建立3種反應器動力學模型，分析比較得出錯流床可以采用較大的通氣截面，在相同床層阻力下，實際處理煙氣量較大，同時能簡化工業放大過程，實現氣相和固相分流，故實際應用中，選擇錯流移動床為宜。目前，國內外建設的活性焦煙氣凈化裝置多采用錯流床結構脫硫塔，其中，錯流雙級床結構應用成熟[14]。本文以某工程單臺錯流雙級床結構脫硫塔為例，應用Fluent軟件進行數值模擬，分析塔內煙氣流場分布規律。

錯流雙級床脫硫塔結構見圖1，煙氣由進氣室進入，向左右兩側擴散，依次穿過一級床焦層、過渡氣室和二級床焦層，最終匯集于出氣室排出脫硫塔。一級床焦層內主要進行脫硫反應，二級床焦層內主要進行脫硝反應。而活性焦顆粒從二級床頂部注入，緩慢向下流動，不斷更新[15]。

圖1 錯流雙級床結構脫硫塔示意

1.2 數值模擬

數值模擬時，進行如下假設：①煙氣為不可壓縮的牛頓流體；②忽略煙氣的組成成分，將煙氣視為干空氣；③忽略煙道以及脫硫塔內部構件對煙氣流場的影響；④假定活性焦層為均勻的多孔介質；⑤假定煙氣的流動為穩態流動，忽略系統內部的傳熱與傳質。

計算煙氣特性參數如下：煙氣量為24.8萬m3/h；煙氣溫度為20～130℃。

計算活性焦特性參數如下：結構尺寸為φ9mm×12mm；密度為0.75t/m3；空隙率為35%。

計算采用標準k-ε模型來描述湍流流動，采用多孔介質來描述活性焦層。

對于模擬結果，選擇進出氣室中心面作為進出氣室煙氣流場的分析截面，選擇脫硫塔左側距離進氣室與一級床焦層交界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm時的截面為活性焦層煙氣流場的分析截面。

2 活性焦干法脫硫塔煙氣流場分析

對活性焦干法脫硫塔進行數值模擬，分析煙氣在塔內的流場分布規律，通過在塔內添加導流構件，改善煙氣流動的均勻性，使煙氣與活性焦充分接觸，活性焦的利用率更高，從而保證脫硫系統的脫硫效率。

2.1 脫硫塔內煙氣流場分析

(1)進出氣室內流場分析。圖2為脫硫塔進出氣室中心面速度云圖和矢量圖，由進氣室中心面速度云圖可看出，煙氣進入進氣室時，由于喇叭口長度有限，高度方向煙氣并未隨著漸擴的喇叭口均勻擴散，且煙氣被明顯劃分為3個區域。高流速煙氣主要集中在與進氣口垂直高度相同的一段區域內，而進氣室上部和下部均存在因旋渦所導致的低流速區域。進氣室中心面速度矢量圖顯示，上部和下部的旋渦是由中部高流速煙氣回流聚集而產生，這些會影響煙氣在活性焦層截面上的均勻分布，尤其是旋渦中心處的煙氣量會明顯比其他區域少，以至于進入一級床焦層后，低速區域與活性焦接觸的煙氣極少，活性焦的利用率低；而高速區域煙氣過量，必會導致脫硫不充分，從而影響脫硫效率。出氣室煙氣流速高的區域主要集中在出氣口一端，受出氣喇叭口結構影響明顯。

圖2 脫硫塔進出氣室中心面速度云圖及矢量圖(單位：m/s)

(2)活性焦層流場分析。活性焦層煙氣流場的均勻程度直接關系著脫硫塔脫硫效率的高低。若煙氣在焦層分布不均，某一區域的煙氣量過多，反應放出的熱量不斷聚集，則會導致焦層局部溫度過高而著火，對脫硫塔有一定的損傷，所以，焦層內的煙氣流動越均勻，不僅有利于脫硫效率，而且有利于延長脫硫塔的使用壽命。

活性焦層核心區域呈現一維流動，煙氣以平推流流型穿過活性焦反應層[7]。一、二級床焦層截面上只有在頂部和底部受脫硫塔錐斗的影響，會出現局部二維流動，但這些區域內的二維流動也會隨著焦層自身的整流作用慢慢消失。圖3所示的云圖均為進出氣室左側一、二級床焦層內的截面云圖，分別為脫硫塔左側距離進氣室與一級床焦層交界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm時的截面上煙氣速度云圖，可看出6個截面上大部分區域煙氣都能達到相對均勻。由于一級床焦層內煙氣流場主要受進氣口結構影響，剛進入焦層時(截面200mm和300mm)，在水平方向上，與進氣口相反一端的煙氣流速較高；在垂直方向上，上端和下端也出現高流速。隨著煙氣穿過焦層深度的增加，高流速區域面積越來越小。二級床焦層內煙氣流場受過渡氣室內煙氣流場以及出氣口結構影響，其煙氣流場變化趨勢和一級床焦層內呈相反的變化趨勢，且煙氣高流速區域的位置也相反。

圖3 脫硫塔左側焦層距離進氣室出氣面不同深度截面速度云圖(單位：m/s)

2.2 添加導流構件后煙氣流場分析

(1)進出氣室流場分析。漸擴喇叭口里添加了3塊導流板，根據圖4的描述，添加導流板后，圖2進氣室速度云圖顯示的中部高流速區域得到有效地分散，雖然沒有完全避免漩渦的存在，但煙氣不再直接沖入進氣室，大量聚集于與喇叭口相反的一端。

圖4 添加導流板后脫硫塔進出氣室中心面速度云圖及矢量圖(單位：m/s)

在進氣室添加導流板主要會對進氣室流場產生較大影響，經過兩級活性焦床的整流，出氣室的煙氣流場在添加導流板前后沒有明顯變化。

(2)活性焦層流場分析。根據圖5的描述，進氣喇叭口添加導流板主要對進氣室以及一級床的煙氣流場分布有明顯改善，對二級床的影響微乎其微。圖5所示的云圖均為進氣室左側一、二級床焦層內截面速度云圖，分別為脫硫塔左側距離進氣室與一級床焦層分界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm時的截面上煙氣速度云圖。圖5中不同焦層深度截面的速度云圖顯示：一級床活性焦層煙氣流場變化趨勢和未加導流板時一致，均反映出活性焦層的整流作用。但添加導流板后，一級床焦層內與進氣喇叭口相對一端的煙氣流速高的區域面積明顯縮小，隨著焦層深度的增加，在距離進氣室出氣面1 500mm處的截面上，煙氣分布基本達到均勻。添加導流板后的變化均有利于保證脫硫塔脫硫效率。

2.3 脫硫塔阻力

未添加導流構件和添加導流構件時，煙氣在單臺脫硫塔內流動的阻力見表1。

表1 兩種工況下的脫硫塔阻力

比較兩種工況脫硫塔阻力發現，添加導流構件并未明顯增加脫硫塔的阻力。

3 煙氣量對脫硫塔內流場的影響

脫硫系統在工程運行過程中，煙氣量并非按設計值一成不變，而是在一定范圍內波動。煙氣量的波動是否對脫硫塔內流場均勻性有影響，也可以通過數值模擬計算分析。本文還是以單臺脫硫塔為例，分別計算煙氣量在120%、100%、70%、50%負荷的工況下，對比脫硫塔內流場分布情況以及塔內阻力。

3.1 不同負荷工況下煙氣流場分析3.1.1 進出氣室流場分析

圖6描述的為不同煙氣量工況下脫硫塔進出氣室中心面的流場分布情況。比較幾種計算工況結果后發現，進出氣室的速度云圖和速度矢量圖的分布規律基本一致，導流板對進氣室內流場影響較大，而對出氣室基本沒影響。進氣室有多個旋渦存在，不同煙氣量時，旋渦的數量以及影響范圍基本相同，所以煙氣量對于進出氣室煙氣均勻性的影響不太明顯。

3.1.2 活性焦層流場分析

圖7描述的為不同煙氣量工況下焦層不同深度截面的速度云圖。同一工況下活性焦層的阻力對煙氣進行整流，隨著煙氣進入焦層深度的增加，相應截面上煙氣的分布越來越均勻。但不同煙氣量計算結果顯示：煙氣量減少，流速降低，活性焦層對于煙氣的整流效果越顯著。當120%負荷時，煙氣在1 500mm深度，一級床焦層截面也沒有達到均勻；在70%負荷時，煙氣在900mm深度，一級床焦層截面達到完全均勻；50%負荷時，僅600mm深度，一級床焦層截面就能完全均勻。因此，在設計過程中，應該適當降低煙氣穿過焦層的流速，合理選擇單臺脫硫塔的煙氣處理量，有利于提高活性焦利用率，且保證脫硫效率。同時，在設計過程中，還需綜合考慮實際運行過程中瞬間波動的煙氣量對于脫硫塔的影響。

圖7 不同負荷下脫硫塔左側焦層距離進氣室出氣面不同深度截面速度云圖(單位：m/s)

3.2 脫硫塔阻力

不同煙氣量工況下，脫硫塔運行阻力匯總見表2。

表2 不同負荷下脫硫塔阻力

煙氣的流速直接影響著脫硫塔的阻力，進入塔內的煙氣量越小，流速越低，則阻力也就越小。

4 模擬結果與實際工程比較

針對本文所研究的某工程，其運行數據顯示，每臺脫硫塔的運行阻力波動范圍為800～1 500Pa，系統的脫硫效率在98%以上。而對于目前正在運行中的其他工程，脫硫塔進氣喇叭口都會添加一定數量的導流板，其運行阻力范圍為800～1 500Pa，且系統脫硫效率也能達到98%以上。

由于實際運行中煙氣量的瞬間波動(一般負荷控制在70%～110%)，脫硫塔的阻力也是波動的，其波動范圍和本文所模擬的不同煙氣量時的阻力基本一致。同時，不論運行過程中煙氣量如何波動，系統的脫硫效率始終能保持在98%以上，滿足排放要求。

5 結語

煙氣在脫硫塔內的流動均勻性對脫硫塔的使用壽命以及脫硫效率都有直接的影響。本文以某工程為例，采用FLUENT軟件對單臺活性焦干法脫硫塔進行模擬計算，分析煙氣在塔內的流動特性，添加適當的導流構件，以改善煙氣流動均勻性，使煙氣與活性焦充分接觸，活性焦的利用率更高，從而保證系統的脫硫效率。

(1)對脫硫塔進行數值模擬，不添加導流構件時，煙氣從進氣喇叭口水平沖入進氣室，導致中部聚集大量煙氣，而上部和下部煙氣量較少，且上部和下部均有一個大的旋渦形成。添加導流構件后，能夠有效地分散進氣室中部高流速的煙氣，即使不能完全避免進氣室內的旋渦，但能盡量減小旋渦影響面積。進氣室內煙氣產生的旋渦對煙氣在一級床焦層內均勻分布有直接影響，旋渦中心同位置處，煙氣量少，活性焦利用率低；高流速煙氣同位置處，煙氣過量，脫硫不充分，進而影響脫硫效率，所以在脫硫塔進氣喇叭口添加合適的導流板能改善煙氣在塔內流動的均勻性，在不明顯增加系統阻力的情況下保證系統的脫硫效率。

(2)煙氣從進氣室向兩側分散進入一級床活性焦層時，焦層產生的阻力對煙氣有整流作用，隨著焦層深度的增加，相應截面上煙氣的分布越來越均勻。

(3)煙氣量對脫硫塔內流場分布均勻性也有顯著的影響。煙氣量多，進入焦層的煙氣流速高，焦層截面上煙氣分布均勻性較差；煙氣量少，進入焦層的煙氣流速低，焦層截面上煙氣分布均勻性較好。同時煙氣量高，脫硫塔阻力增加較多。

(4)在脫硫塔的設計過程中，根據煙氣在塔內的流場分布和阻力值，確定每臺脫硫塔的處理煙氣量，綜合考慮實際運行中瞬間波動煙氣量的影響，以保證每臺脫硫塔的脫硫效率。

(5)應用FLUENT軟件對活性焦干法脫硫系統進行數值模擬，能夠有效地節約時間和成本，該方法給實際工程提供了較好的理論參考。