循環流化床脫硫系統入口煙氣均勻性的研究

文_吳永彬 福建龍凈環保股份有限公司

在實際使用的CFB脫硫技術中，在煙氣引入脫硫塔脫硫反應后需要將煙氣引入除塵器進行除塵，再將達標的煙氣通過引風機排到煙囪。為了適應主機煙氣量的變化，通常會從引風機出口煙道引一路煙氣作為循環煙氣，以滿足脫硫塔床層的穩定。這樣，循環煙氣和入口煙氣的混合效果就顯得至關重要，若混合效果不好會直接導致脫硫塔床層壓降波動大。

本文以某現場改造空間狹窄的2×130t/h循環流化床鍋爐煙氣脫硫除塵改造項目為例，探索研究循環流化床脫硫系統入口煙氣混合新技術。

1 研究對象

1.1 項目概況

某2×130t/h循環流化床鍋爐，原先采用SNCR技術、爐內噴鈣技術和電袋復合除塵技術進行煙氣治理，治理后每臺爐分別通過1臺鍋爐引風機，排往煙囪。根據最新排放標準，原先技術已經無法達標，需要進行升級改造。因原有排放方式，鍋爐引風機與煙囪的距離非常短，空間非常狹窄，一爐一塔的方案無法實施，只能選擇兩爐一塔的方案，把2臺爐煙氣匯總，在鍋爐引風機和煙囪中間進行布置脫硫除塵島，所以改造難度非常大。

1.2 煙氣條件

每臺鍋爐引風機出口煙氣量為300000m3/h，煙氣溫度為145℃，引回的循環煙氣溫度為80℃，煙道規劃如圖1所示。

圖1 煙道規劃圖

根據以往項目經驗，脫硫塔入口煙道煙氣流速過低容易發生掉灰問題。因2臺鍋爐存在單獨運行的工況，當1臺鍋爐運行時，煙氣量偏小，煙氣流速偏低，需要通過循環煙道補充煙氣，以滿足脫硫塔床層的穩定，避免掉灰。初期，脫硫塔建床時也需打內循環，這就造成脫硫塔入口煙道有多種工況，如表1所示。初步判斷，工況二脫硫塔入口煙氣均勻性應該是最差的，若不進行優化，很難保證系統平穩運行。

表1 各工況情況

1.3 方案建模及邊界條件

因實際運行情況復雜，且煙道結構復雜，內部設置有貼邊角鋼、內撐、墊板等細小部件，在模擬中無法真實還原，在滿足工程應用的前提下，對模型進行合理的簡化和假設：①對煙道模型進行簡化，不考慮內部細小部件對流場的影響；②將煙道內部煙氣視為不可壓縮牛頓體；③假設煙氣進口處速度分布均勻。

為提高脫硫塔入口煙氣均勻性，結合經驗，通過數值模擬研究多種不同優化方案，最終確定最佳優化方案。如圖2所示，分別為常規煙氣混合模型圖、煙氣混合新技術模型圖，常規煙氣混合方案是根據項目參數建模，并按規范進行導葉布置；而煙氣混合新技術，是在常規煙氣混合方案的基礎上進行優化布置及設備開發。煙氣混合新技術的關鍵設備為煙氣混合器。

圖2 兩種方案模型圖

方案建模后進行劃分網格，對規則的體采用六面體網格劃分，對于不規則的體采用四面體網格或者混合型網格劃分，同時注意零部件接觸位置的網格一致性。

因煙道內部煙氣流動屬于三維湍流問題，考慮到湍流的復雜性，需要借助合適的湍流模型，故采用realizable k-ε模型。

邊界條件設置如表2。

表2 邊界條件設置

2 對比與分析

對兩種方案的四種工況分別進行流場模擬，分析其結果。從煙氣軌跡圖、速度云圖、溫度分布圖、脫硫塔入口截面速度均方根差值等方面，分別進行兩種方案的對比與分析。

2.1 工況一

如表3，為工況一的兩種方案對比。（因兩股煙氣溫度一樣，溫度分布無需對比）

表3 工況一對比分析

兩種方案的脫硫塔入口煙道煙氣均勻性都較好，整個煙氣流動軌跡大體相同，速度均方根差值也差別不大，相差0.028。再對比兩者的整體壓降，煙氣混合新技術大約會增加140Pa的壓力損失，這主要是因為煙氣混合器占用了入口煙道的一部分截面，導致阻力增大。

2.2 工況二

如表4，為工況二的兩種方案對比。

表4 工況二對比分析

兩種方案的脫硫塔入口煙道煙氣均勻性差別很大，常規煙氣混合會出現較大區域的低流速區，這和之前的預判基本吻合，這對于整個系統非常不利；而煙氣混合新技術效果明顯，基本消除了低流速區，速度均方根差值降低了0.1816。再對比兩者的整體壓降，煙氣混合新技術大約會減小50Pa的壓力損失，這主要是因為常規方案，會造成煙氣在一側集中，而煙氣混合新技術消除了此現象。同時，煙氣混合新技術，對溫度場分布也得到了一定改善。

2.3 工況三

如表5，為工況三的兩種方案對比。

表5 工況三對比分析

兩種方案的脫硫塔入口煙道煙氣均勻性差別不大，整個煙氣流動軌跡沒有太大區別，從速度均方根差值也能體現出來，兩者差別不大，相差0.017。再對比兩者的整體壓降，煙氣混合新技術大約會增加160Pa的壓力損失，這同樣是因為占用了入口煙道的截面。同時，運用煙氣混合新技術，對溫度場分布也得到了較大改善。

2.4 工況四

如表6，為工況四的兩種方案對比。（因工況四只有一股煙氣，溫度分布無需對比）

表6 工況四對比分析

兩種方案的脫硫塔入口煙道煙氣均勻性差別較大，常規煙氣混合會出現煙氣甩向一側，整個截面速度分布不均勻；而運用煙氣混合新技術，速度分布改善效果顯著，速度均方根差值降低了0.1924。再對比兩者的整體壓降，煙氣混合新技術大約會增加100Pa的壓力損失，這同樣是因為占用了入口煙道的截面。

3 結語

通過對兩種方案的四種工況模擬結果進行對比分析，結果表明，與常規煙氣混合對比，煙氣混合新技術具有明顯優勢。對于多數工況，運用煙氣混合新技術，脫硫塔入口煙道煙氣均勻性度有了顯著的提高，對于溫度分布均勻性也有一定改善，同時通過煙氣混合新技術，并不會大幅增加煙氣阻力。因此，煙氣混合新技術提高了煙氣均勻性，大大縮短了煙氣混合距離，實現了節省成本、降低項目改造難度的目的，對于工程具有較好的經濟運用價值。