應(yīng)用FLUENT對活性焦干法脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡珊

摘要：活性焦干法脫硫技術(shù)在火電行業(yè)和鋼鐵行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，隨著相關(guān)法規(guī)對企業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，對脫硫系統(tǒng)的脫除效率的要求也越來越高。而活性焦干法脫硫系統(tǒng)內(nèi)煙氣流場的均勻性是系統(tǒng)脫硫效率的一大影響因素。本文主要以某工程活性焦干法脫硫系統(tǒng)為例，應(yīng)用FLUENT軟件對脫硫系統(tǒng)的煙道和脫硫塔進(jìn)行數(shù)值模擬，對脫硫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善煙氣的流場均勻性，提高系統(tǒng)脫硫效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;導(dǎo)流板;均勻性;煙道;脫硫塔

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國對環(huán)保的要求越來越高，企業(yè)污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，尤其是SO2、NOx、顆粒物等大氣污染物。如北京市《大氣污染物地方排放標(biāo)準(zhǔn)》要求SO2排放極限值≤20mg/m3。環(huán)保法規(guī)要求的提高，對煙氣脫硫技術(shù)也提出了更嚴(yán)格的要求。目前，煙氣脫硫技術(shù)主要有干法脫硫，半干法脫硫和濕法脫硫3種[1]。在我國火電行業(yè)和鋼鐵行業(yè)，干法脫硫技術(shù)是應(yīng)用的較為廣泛和成熟的。而干法脫硫技術(shù)中，活性焦技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。活性焦煙氣脫硫技術(shù)是以活性焦作為吸附劑脫除工業(yè)煙氣中的污染物[2-3]。和其他煙氣脫硫技術(shù)相比，該技術(shù)有明顯的優(yōu)勢，如無二次污染，反應(yīng)溫度低，能實(shí)現(xiàn)多種污染物的聯(lián)合脫除等[4]。

FLUENT軟件是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在與流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。本文主要應(yīng)用FLUENT軟件對某工程脫硫系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算，根據(jù)煙氣在系統(tǒng)內(nèi)的流場分布規(guī)律，在煙道和脫硫塔內(nèi)添加合適的導(dǎo)流板，改善煙氣分配和流動(dòng)的均勻性，提高系統(tǒng)的脫硫效率。

1 活性焦干法脫硫系統(tǒng)數(shù)值模擬

1.1 物理模型及邊界條件

目前活性焦干法脫硫塔通常采用移動(dòng)床結(jié)構(gòu)，移動(dòng)床可分為錯(cuò)流床和逆流床兩種形式。由于錯(cuò)流移動(dòng)雙級床結(jié)構(gòu)成熟可靠，國內(nèi)建設(shè)的活性焦煙氣凈化裝置均采用錯(cuò)流床結(jié)構(gòu)脫硫塔[5]。本文主要采用FLUENT軟件對某工程脫硫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算區(qū)域包括：進(jìn)氣煙道，四臺(tái)脫硫塔和出氣煙道，所建物理模型如圖1所示：

數(shù)值模擬過程中，煙氣進(jìn)口設(shè)置為速度入口，煙氣出口設(shè)置為壓力出口。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來描述煙氣的湍流流動(dòng)，多孔介質(zhì)模型來描述活性焦層。

脫硫系統(tǒng)煙氣量約為1000000m3/h，操作溫度為20～130℃。活性焦為Φ9mm×12mm顆粒，床層空隙率為0.35。

1.3 計(jì)算工況

應(yīng)用FLUENT軟件對某工程活性焦干法脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要考慮在煙道內(nèi)和脫硫塔進(jìn)口添加導(dǎo)流板來改善煙氣在系統(tǒng)內(nèi)的流場分布。本文所計(jì)算的工況的變量為不同數(shù)量和位置的導(dǎo)流板，根據(jù)模擬結(jié)果，選擇對煙氣均勻流動(dòng)最有利的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中，不能保證系統(tǒng)一直處于滿負(fù)荷下運(yùn)行，也計(jì)算了當(dāng)煙氣量處于30%負(fù)荷狀態(tài)下的情況。

四個(gè)計(jì)算工況參數(shù)如表1、圖2所示：

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)氣煙道

對于多臺(tái)脫硫塔并聯(lián)的脫硫系統(tǒng)，為了使每臺(tái)脫硫塔的活性焦利用率最高且脫硫效率均能達(dá)到設(shè)計(jì)值，必須保證進(jìn)入各臺(tái)脫硫塔的煙氣量一樣。而脫硫系統(tǒng)的進(jìn)氣煙道結(jié)構(gòu)對各脫硫塔煙氣量是否均勻分配有直接影響，因此，分析進(jìn)氣煙道中煙氣分布以及脫硫塔煙氣量分配規(guī)律是脫硫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

（1）模擬云圖

四種工況進(jìn)氣煙道速度云圖如圖3所示：

（2）模擬數(shù)據(jù)

考慮進(jìn)氣煙道對四臺(tái)脫硫塔煙氣量分配的影響，若進(jìn)入四臺(tái)脫硫塔的煙氣量相差較大，則需根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，在煙道內(nèi)添加導(dǎo)流板，平衡煙氣量在各脫硫塔的分配，此處通過進(jìn)入各臺(tái)塔的煙氣質(zhì)量流量的偏差來判斷，其計(jì)算式如下：

四種工況進(jìn)入四臺(tái)脫硫塔的煙氣量分配偏差如表2所示：

（3）結(jié)果分析

四種工況下，進(jìn)氣煙道速度云圖所描述的煙氣分布趨勢基本一致。煙氣從變徑煙道分別進(jìn)入四臺(tái)脫硫塔時(shí)，由于脫硫塔進(jìn)氣口與變徑煙道垂直，在每臺(tái)脫硫塔分流處，總是偏向遠(yuǎn)離模擬區(qū)域煙氣進(jìn)口的一側(cè)。但此現(xiàn)象會(huì)隨著活性焦層的阻力在脫硫塔內(nèi)得到改善。

不同工況下，四臺(tái)塔煙氣量分配偏差顯示：在進(jìn)氣煙道沒添加任何導(dǎo)流板的情況下，進(jìn)入四臺(tái)脫硫塔煙氣量相差不大，其偏差均在±3%以內(nèi)，所以對于此模型，煙道內(nèi)不需優(yōu)化即可滿足煙氣量均勻分配的要求。

2.2 脫硫塔

（1）模擬數(shù)據(jù)

對脫硫塔進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，本文所選擇的分析截面為脫硫塔進(jìn)氣室進(jìn)氣面。其位置示意如圖4所示，在每臺(tái)脫硫塔進(jìn)氣口添加導(dǎo)流板，會(huì)將分析截面分成幾個(gè)小截面（截面a、b、c、d……），此處引入質(zhì)量流速的計(jì)算方式：

G=W/A

G—質(zhì)量流速，kg/（㎡·s）;W—質(zhì)量流量，kg/s;A—流通截面面積，㎡。

各工況下，T101B～T104B分析截面質(zhì)量流速方差如表4所示：

（2）結(jié)果分析

表3的數(shù)據(jù)顯示：工況2中，各臺(tái)脫硫塔的質(zhì)量流速方差均比工況3小，說明工況2中，分析截面上的煙氣分布比工況3更均勻。對于本算例，導(dǎo)流板后接直板，雖然對煙氣流動(dòng)有一定的梳理作用，但對于在進(jìn)氣喇叭口截面上的煙氣分布方面，沒有明顯的改善作用，反而工況2的結(jié)構(gòu)更有效。而工況4和工況2比較顯示，當(dāng)系統(tǒng)30%負(fù)荷時(shí)，進(jìn)入進(jìn)氣室煙氣的分布反倒比滿負(fù)荷時(shí)更加均勻。說明隨著煙氣量的降低，煙氣流速下降，煙氣在脫硫塔進(jìn)氣截面上分布更均勻。

2.3系統(tǒng)阻力

數(shù)值模擬系統(tǒng)阻力為物理模型inlet至outlet的壓降，五種工況系統(tǒng)阻力如表4所示：

表4的數(shù)據(jù)顯示：添加導(dǎo)流板以及增加導(dǎo)流板的數(shù)量，系統(tǒng)阻力增加了10～15Pa，說明添加導(dǎo)流板并未明顯增加系統(tǒng)的阻力。

3 結(jié)論

本文所針對某工程采用了模擬結(jié)果所示的導(dǎo)流板形式，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行反映：該導(dǎo)流板形式有效改善煙氣在脫硫系統(tǒng)內(nèi)的分布，且使各臺(tái)脫硫塔的脫硫效率達(dá)到設(shè)計(jì)值。

（1）應(yīng)用FLUENT對活性焦干法脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是對不同工況進(jìn)行試算，通過添加導(dǎo)流板且改變導(dǎo)流板數(shù)量、位置、形式等參數(shù)，比較不同工況下煙氣流場分布，選擇最有利于煙氣流場分布均勻的導(dǎo)流板。

（2）對于活性焦干法脫硫系統(tǒng)，一般由多臺(tái)脫硫塔并聯(lián)而成，在分析脫硫塔內(nèi)部煙氣流場之前，應(yīng)先對系統(tǒng)進(jìn)氣煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定進(jìn)氣煙道結(jié)構(gòu)是否合理，是否能實(shí)現(xiàn)煙氣量在各脫硫塔間平衡分配。

（3）對脫硫塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要為脫硫塔內(nèi)添加合適的導(dǎo)流板，改善煙氣在脫硫塔內(nèi)的流動(dòng)均勻性。導(dǎo)流板對煙氣有一定的梳理作用，且不會(huì)明顯增加系統(tǒng)的阻力。

（4）采用數(shù)值模擬的方法對活性焦干法脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效的節(jié)約時(shí)間和成本，該方法給實(shí)際工程提供了理論依據(jù)。將該方法與工程實(shí)際運(yùn)行的情況加以結(jié)合，會(huì)在節(jié)能降耗的前提下，推動(dòng)活性焦干法脫硫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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