百萬噸級CO2捕集煙氣集成處理塔流場模擬及優(yōu)化

韓 冰,李清方,劉海麗,于惠娟,張舒漫,王 輝

1.中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東東營 257000

2.山東萊克工程設(shè)計有限公司,山東東營 257000

CO2捕集利用與封存（Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS）技術(shù)是目前最有效的去碳技術(shù)[1-3]，其中CO2捕集是最核心的工藝流程。勝利發(fā)電廠100×104t/a CO2捕集與利用工程是國內(nèi)規(guī)模最大的電廠碳捕集利用（CCU）項目，目前項目處于設(shè)計階段[3-4]。為精簡工藝流程，降低工程建設(shè)成本，經(jīng)過研究和論證，擬將CO2捕集工藝流程設(shè)備合并為一個煙氣集成處理塔（以下簡稱IPT或塔）[5-6]。IPT高度約65 m，容積1.9×104m3，為特大型容器，無規(guī)則形狀，內(nèi)部填料段的復(fù)雜程度遠高于常規(guī)塔器[7-8]。由于IPT為新研發(fā)設(shè)備，因而在設(shè)計研發(fā)階段需使用有限元軟件對此問題進行研究[9-10]，并對IPT進行深入的優(yōu)化和改進。

1 基礎(chǔ)理論和模型建立

1.1 立題背景

由于IPT是CCUS技術(shù)中首次被提出的概念，需在研發(fā)和設(shè)計階段進行充分驗證，對IPT的結(jié)構(gòu)進行充分試錯，才能保證IPT在實際應(yīng)用中達到預(yù)期效果。從提出IPT的概念到施工圖的定版過程中，會對IPT進行可行性研究和諸多優(yōu)化改進。優(yōu)化目標是使煙氣在所有填料段內(nèi)均可均勻分布，并保證盡可能小的全塔壓降，本質(zhì)上這是一個研究氣體在大型不規(guī)則設(shè)備中固流耦合狀態(tài)的優(yōu)化問題。

在當前的工程技術(shù)下，研究此問題的方式主要有以下兩種：

（1）建造實驗室模型或中試模型。

（2）使用有限元軟件對IPT虛擬模型進行流體仿真模擬。

本文采用上述第2種方式進行深入探討。

1.2 無量綱數(shù)y+

為了更精確地描述流動狀態(tài)，需要對湍流邊界層分層并分別描述，同時反映邊界層的相對位置，為此引入一個無量綱數(shù)y+。一般將y+描述為：

式中：μτ為壁面附近流體的剪切速度，m/s；y為計算節(jié)點離壁面的距離，m；?為運動黏度，m2/s。

y+可以近似理解為y處的雷諾數(shù)，同時也反映了黏性影響隨y變化的特征。y+的引入意味著將湍流邊界層分層，y+較小說明流體貼近壁面，在壁面上流體脈動速度為零，湍流應(yīng)力很小，此時黏性對流動狀態(tài)的影響占主導(dǎo)地位；反之則慣性力占主導(dǎo)地位。y+是湍流模型選擇的重要依據(jù)之一。

1.3 湍流模型選擇

一般常用的湍流模型有：固定湍流黏度、混合長度、K-ε、K-ω、切應(yīng)力傳輸（Shear Stress Transfer，以下簡稱SST模型）、SA（Spalart-Allmaras）、LES大渦。固定湍流黏度和混合長度一般稱為零方程模型，即直接使用平均流動物理量來模化渦黏性系數(shù)，而不引入任何湍流量。同樣的，SA模型為所謂的單方程模型，即引入了一個湍流量；K-ε和K-ω歸為所謂的二方程模型，即引入了兩個湍流量。K-ε為求解湍流動能（Turbulent Kinetic Energy，以下簡稱TKE）湍流標量K和TKE耗散率ε的輸運方程；K-ω則為求解K和單位TKE耗散率ω的輸運方程。切應(yīng)力傳輸SST相當于對K-ε和K-ω的改進。

煙氣在入口管道中的設(shè)計流速為12 m/s，空塔氣速設(shè)計范圍為1～2 m/s，很顯然本案例為高湍流穩(wěn)態(tài)模型，所以可以首先排除層流模型、SA模型（此模型在高雷諾數(shù)下的性能不理想）、LES大渦模型（用于計算瞬態(tài)流場）。固定湍流黏度模型和混合長度模型由于只能描述一個湍流量，本案例也均不選用。對其余模型的選擇理由如下：

1.3.1K-ε模型

根據(jù)經(jīng)驗，此模型對于自由流動、帶旋轉(zhuǎn)的流動以及帶有強烈反向壓力梯度且y+＜11的流動，計算性能很差。K-ε模型將每個流體節(jié)點處的流動湍流黏度μt描述如下：

式中：μt為此模型下假設(shè)的流體在計算節(jié)點處的流動湍流黏度，即用來描述湍流渦旋擴散而使流體宏觀上產(chǎn)生附加黏度行為的量，因此μt為模化量，無量綱；ρ為流體密度，g/mm3；Cμ為常數(shù)，一般取0.09，k為湍流動能TKE，J；ε為TKE的耗散率，%。

因為k和ε的耦合傳輸方程在三維流域中的所有流體節(jié)點上都得以解算，所以湍流黏度在整個流體域中都是變化的。

1.3.2K-ω模型

與K-ε模型的描述相似，K-ω模型將每個流體節(jié)點處的流動湍流黏度μt描述如下：

式中：μt為模化量；ρ為流體密度，kg/m3；k為TKE，J；ω為TKE的特定耗散率，%。

與K-ε模型一樣，由于k和ω的耦合傳輸方程在三維流域中的所有流體節(jié)點上都得以解算，所以湍流黏度在整個流體域中都是變化的。但此模型對入口自由流體湍流屬性過于敏感。

1.3.3 SST模型

SST模型結(jié)合了K-ε和K-ω模型。在y+較大時，SST模型的行為和K-ε模型相同；在y+較小時，SST模型的行為和K-ω模型相同。SST模型還可以很好地計算自由流動和帶有強烈反向壓力梯度（如存在較多流動死區(qū)或阻力帶）的流動情況。

綜合考慮，選擇SST模型作為IPT的流場計算最為合適。需要說明的是，所有的兩方程模型均可提供平均流量上湍流效應(yīng)的精準計算，但需要一個較為精細的3D流網(wǎng)格，由于在IPT這樣的超大模型上應(yīng)用會產(chǎn)生巨大的計算量，所以在進行優(yōu)化分析時，每次只操作單個塔填料段（或功能區(qū)），這樣網(wǎng)格收斂速度較快，問題標的和分析精度都更為精準。

1.4 問題簡化

在有限元分析的前處理中，需要首先明確以下幾點：

（1）選取煙氣的節(jié)點速度（以下簡稱氣速）作為不均勻度的統(tǒng)計值。

（2）使用氣速樣本中的標準差來表征不均勻度，標準差越小，不均勻度越小，即分布越均勻。

（3）煙氣到達每層填料段時如果分布均勻，由于填料段自帶再分布器，可近似地認定為在填料段內(nèi)也分布均勻，即填料段的存在并不影響分布趨勢。所以填料段內(nèi)結(jié)構(gòu)無需建模，只分析空塔即可反映實際情況。

（4）不考慮降液對煙氣分布造成的影響，但煙氣分布器的結(jié)構(gòu)不能影響降液的收集。

（5）不考慮溫度場，且為光滑壁面（有摩擦且為恒定值）。

（6）不考慮接管開孔，但考慮進出口的氣速突變而保留進出口煙道。

（7）通過進出口總壓力值計算空塔壓降，使用煙氣分布器前后的壓降之差即為煙氣分布器自身的壓降。

（8）氣體成分并不影響模擬趨勢，所以模型使用空氣替代煙氣作為計算介質(zhì)。

1.5 模型建立

將塔器的內(nèi)部腔體1∶1建模，作為有限元計算的流體域，煙氣的進口和出口各建立長度為10 m的煙氣管道，折合煙氣進口流量為252 m3/s。使用4節(jié)點四面體網(wǎng)格劃分。

在IPT的每個拐角處設(shè)置擾流板，建模中用圓角代替，此舉是為了減小拐角突變帶來的干擾，使之后添加煙氣分布器的效果更加純粹。此時為初始模型，標記為模型A，如圖1所示。

圖1 IPT模型A軸測示意

2 初步解算結(jié)果及模型改進

2.1 初步解算結(jié)果

利用有限元模型A求解得到塔內(nèi)氣速分布，如圖2所示。

圖2 模型A塔內(nèi)氣速分布/（m·s-1）

從圖2（a）可以看出：氣速在各填料段內(nèi)的分布非常不均勻，預(yù)處理段和處理段由于擾流板的強制換向，已經(jīng)出現(xiàn)了左右速度分區(qū)的現(xiàn)象。

從圖2（b）可以看出：存在兩個大的渦流，分別位于處理段和干燥段。需要說明的是，干燥段不存在傳質(zhì)操作，所以存在的渦流并不影響工藝性能，只是渦流的空洞侵占了部分塔內(nèi)空間，會造成效率下降。因此對此渦流可以不消除，但要盡量縮小渦流范圍或填充空洞。

2.2 解算結(jié)果

針對上述問題，根據(jù)圖2的氣速分布特點對模型進行改進，改進后的模型標記為模型B，如圖3所示。

圖3 模型B軸測示意

具體改進措施如下：

（1）使用煙氣分布器對惡化較為嚴重的流場前端進行分割和導(dǎo)向，以削弱大流道帶來的湍流程度，并降低擾流板強制換向帶來的反彈效果。

（2）煙氣從處理段到干燥段由塔器頂部過渡完成，在此過程中氣速方向是完全相反的。所以塔器頂部不采用煙氣分布器，而改為更為有效的收集傘帽和再分布傘帽，以對煙氣平穩(wěn)“調(diào)頭”。

（3）限于塔器周邊的管道和建筑遮擋，出口煙道無法改成理想的兩側(cè)出口。將煙道插入塔內(nèi)，并斜上45°開口，用于和塔頂來氣形成垂直的氣流路徑，減少渦流。

利用有限元對模型B求解得到塔內(nèi)氣速分布，如圖4所示。

圖4 模型B塔內(nèi)氣速分布/（m·s-1）

從圖4可以看出，模型B具有如下特點。

（1）預(yù)處理段的煙氣已經(jīng)均勻分布，即已經(jīng)優(yōu)化完畢。

（2）干燥段的渦流依然存在，但要小很多，且中間空洞減少較多，對效率的影響已可以接受。之前已經(jīng)論證過此處的渦流可以存在，較為理想的解決方案是填充。所以判定干燥段也已優(yōu)化完畢。

（3）由于外部空間原因，塔頂兩個傘帽之間的氣體走廊設(shè)計得較為狹窄，造成此處的氣速較高，為25.95 m/s，但不影響煙氣在填料段的分布性能。

（4）處理段的渦流依然存在，位置向左下方移動，且變得更為狹長，后面有多個弧形空洞出現(xiàn)，并呈現(xiàn)出剝離趨勢。說明之前的大渦流在這里已經(jīng)演變?yōu)闇u街。渦街的存在可能會引起填料層振動，此塔的大跨度填料層對振動又是較為敏感的，所以渦街必須消除。

為消除渦街，需要改進煙氣分布器。理論上的改進方案有二。

（1）增加分布器導(dǎo)流板數(shù)量，可將煙氣分割得更為細化，但對消除渦街作用較小，可能會將原渦街分割成更小的渦街。導(dǎo)流板數(shù)量越多，分布器的氣阻也會越大。

（2）延長分布器導(dǎo)流板的長度，可增加煙氣的穩(wěn)定路徑。延長方向可分為正向（即延長方向與煙氣流動方向相同）和反向。反向延長可使煙氣從初始狀態(tài)就被分割，并減少進入分布器前的亂流，但此結(jié)構(gòu)會影響降液的收集。

綜上所述，將煙氣分布器的導(dǎo)流板正向延長2 m。考慮到其他部分均已優(yōu)化完畢，將整體模型參與計算只會增加無效計算量，延長后更為細長的煙氣分布器會破壞整體網(wǎng)格質(zhì)量，故將處理段分割出來單獨進行優(yōu)化。將預(yù)處理段和處理段之間的煙道狀態(tài)作為邊界條件，建立有限元模型，標記為模型C，將模型C解出速度流線圖，如圖5所示。

圖5 模型C及其速度流線/（m·s-1）

從圖5可以看出，改進后的煙氣分布器已經(jīng)完全消除了渦街，且可以很好地將煙氣分布均勻。至此，IPT全部功能區(qū)均已完成優(yōu)化。

云圖和流線圖可以很直觀地看出趨勢和判定效果，但精確的數(shù)值統(tǒng)計需要對云圖進行采樣。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，進行定量分析和對比。

3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

3.1 數(shù)據(jù)采集和分析

在模型A和模型B中相同的位置進行采樣，采樣點（即采樣面上所有點）分別位于預(yù)處理段、處理段、干燥段。在模型C中間截面處取樣，用于和模型A及模型B的處理段樣本進行對比。采樣位置如圖6所示。

圖6 采樣位置示意

氣速單位按mm/s整理出采樣點的標準差。因模型A～C均含有處理段，圖7將其全部列出。

圖7 各模型處理段樣本氣速分布

從圖7可以直觀看出離散點在模型A～C中的分布愈趨于集中。經(jīng)統(tǒng)計，模型A處理段標準差為1 812，模型B處理段標準差為1 158，模型C處理段標準差為792。

限于篇幅，其他填料段的過程數(shù)據(jù)不再列舉。將所有填料段的最終數(shù)據(jù)整理至表1。

表1 各模型填料段標準差和煙氣分布均勻度提升幅度

增加煙氣分布器后，全塔壓降由245 Pa增至852 Pa，增大了607 Pa，工藝上對IPT整體壓降的要求是控制在8 kPa以內(nèi)，煙氣分布器帶來的壓降占比僅為7.6%。

3.2 結(jié)論

由表1可知，優(yōu)化后的煙氣分布均勻度相比初始模型，處理段提升了56.3%，預(yù)處理段提升了41.4%，干燥段提升了32.2%。每個填料段的分布均勻度提升幅度是相當可觀的，說明優(yōu)化方向正確，優(yōu)化效果顯著。在添加煙氣分布器后，壓降僅增加了7.6%，對塔器引風機造成的壓頭損耗比較小，說明優(yōu)化后的煙氣分布器工藝性能優(yōu)良。

4 結(jié)束語

本文所述煙氣分布器結(jié)構(gòu)精簡、可靠，建造成本低，性價比高。此結(jié)構(gòu)的引入為方形塔器氣體分布器的設(shè)計提供了新的設(shè)計思路，為IPT的整體設(shè)計指出了正確方向。同時，使用有限元分析驗證，相比采用建造實驗室實體模型或中試模型等傳統(tǒng)方式，可以顯著降低新設(shè)備在研發(fā)過程中的試錯成本，大幅提高設(shè)計效率，近年來被廣泛應(yīng)用于各類工程案例中，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。由于無需建造實體驗證模型，所以降低了研發(fā)設(shè)計過程中的碳排放，做到了“過程減排”和“二次減排”。