湿法烟气脱硫吸收塔烟气流场数值模拟研究

高 原

(哈尔滨电气股份有限公司 环保事业部，黑龙江 哈尔滨 150046)

石灰石—石膏湿法烟气脱硫是目前国内外烟气脱硫所采用的主流工艺方法。此脱硫技术中的核心设备为喷淋吸收塔［1－2］。脱硫的主要传质、传热及化学反应均在吸收塔内发生。相对于其它反应设备，喷淋吸收塔除了具有脱硫效率高的优点外，还具有压阻小，内构件相对较少且不易结垢等优势［3－4］。目前，国内外对湿法烟气脱硫中喷淋吸收塔进行了大量的研究，本文主要采用数值模拟计算方法，对某项目燃用设计煤种时不同条件下吸收塔内烟气流场的分布进行了模拟研究和分析。验证了该项目吸收塔设计的合理性及实际运行时对负荷的适应性，为吸收塔的优化设计和稳定运行奠定了理论基础。

1 模拟对象及数学模型

1.1 模拟对象

本文的模拟对象为某项目的喷淋吸收塔，该项目所采用的脱硫方法为石灰石－石膏湿法烟气脱硫方法，此脱硫方法为国外引进技术。吸收塔为整个脱硫系统关键的核心设备，石灰石溶解、二氧化硫吸收、亚硫酸钙强制氧化等反应过程均在吸收塔内发生。采用先进可靠的喷淋空塔，系统阻力小，塔内气液接触区无任何填料部件，有效地杜绝了塔内堵塞结垢现象。根据具体的工艺计算，对吸收塔进行了详细设计，具体结构见图1。

图1 吸收塔外形结构图

原烟气从入口进入吸收塔，与向下喷淋的浆液逆行接触，发生脱硫反应。脱硫后的净烟气经过除雾器和出口烟道排出吸收塔。

吸收塔设计考虑主要的因素有:几何结构参数及运行参数［5］。其中结构参数包括吸收塔直径及高度，入口角度，入口及出口形式等;运行参数指对负荷及入口烟速的适应能力。本文仅考虑燃用设计煤种时的塔径，不同负荷下吸收塔正常液位之上的烟气流场。

图2 吸收塔计算模型

1.2 模型假设与简化

从WFGD系统实际运行的角度出发，对喷淋吸收塔内烟气流动状况作了如下假设［6］:

(1)由于吸收塔内烟气流速较低，认为烟气为不可压缩性牛顿流体;

(2)忽略重力和烟温对烟气流动的影响;

(3)暂不考虑塔内喷嘴，除雾器和小部件对流场的影响;

(4)暂不考虑浆液喷淋对烟气流场的影响。

1.3 基本控制方程

吸收塔内的气相流动几乎处于湍流状态，考虑到模型的可靠性及工程应用的可能行，本文选用标准k－ε模型对炉内气相流动进行模拟。在正交的直角坐标系下，标准k－ε双方程模型的基本控制方程可表示如下［7－9］:

连续性方程

式中 p——流体压力;

ρ——气体密度;

φ——代表所有的流体变量;

Γφ——各方程变量的输运系数(扩散系数);

Sφ——因变量的守恒方程中所对应的源项。

式中 S——平均应力变化率张量的模。

在 Fluent中，作为默认值常数，C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为 σk=1.0，σε=1.3。

本文模拟所采用的计算软件为Fluent6.0。网格采用非结构化网格;计算区域为吸收塔正常液位之上的部分;边界条件，速度入口，压力出口;SIMPLE算法，差分方程的求解是求解某变量的迭代及基于SIMPLE算法的各变量求解迭代的总和，直到达到收敛准则为止。

2 数值模拟结果及分析

2.1 设计塔径下的模拟结果

吸收塔塔径是设计中最为重要的结构参数之一，不仅决定整个脱硫反应发生空间的大小，而且影响工程成本。本文针对某项目的吸收塔，进行了设计塔径下塔内流场的模拟计算。根据引进技术工艺计算，选取的设计塔径为11.3 m。分别对燃用设计煤种和校核煤种进行了模拟计算，验证了两种工况下所选取的塔径大小的适应性。选取吸收塔竖直断面进行观察，结果见图3、图4。

图3 设计塔径下100%负荷下的模拟结果(设计煤种)

从图3可以看出，烟气具有足够的动量穿过整个吸收塔，未有直接冲刷壁面的现象，而是从塔中心开始折转向上，最后均匀从出口离开吸收塔［10］。综合看来，塔内吸收区流场均匀性较差，这对实际运行时的脱硫反应影响较大。除雾器区及出口处有漩涡产生，这势必会使除雾器的阻力加大，建议实际运行时监测好此区域的压差，并对除雾器的冲洗顺序进行调整，防止堵塞。

图4 设计塔径下100%负荷下的模拟结果(校核煤种)

从图4可以看出，塔内吸收反应区域及除雾器区域流场较均匀，烟气速度相对较低，这有利于延长烟气与浆液液滴之间的接触时间，提高了脱硫效率。

综合比较看来，对于设计塔径的吸收塔，设计和校核工况下二者流场的趋势大致相同。但设计塔径对校核煤种而言，具有很好的适应性。

2.2 不同负荷下的模拟结果

吸收塔设计及运行时需要考虑对机组负荷的适应性，本文考察30% ～100%BMCR工况下烟气流场的变化，结果见图3，图5和图6。可见，流场趋势大致相同，这表明设计塔径的吸收塔对负荷的适应性较好。由此，在实际运行当中，在不同负荷的情况下，在保证烟气与浆液良好接触的前提下，可以通过调整喷淋层投入的方式，降低实际运行成本。

2.2 吸收塔进出口处烟气流场分布模拟结果

吸收塔进出口设计通常是根据保证此部位的实际烟气流速而确定其尺寸的，国内标准通常是保证烟气流速在15 m/s以内。另外，考虑到气流分布，入口选用矩形几何形状;考虑到现场施工和成本因素，出口选用矩形几何形状。综合比较模拟结果可以看出，烟气经过入口进入吸收塔内，有足够的动量和很好的贯穿性，这确保烟气进入喷淋区有很好的均匀分布，对后续的吸收反应有利;对于圆锥矩形平出口烟道，对气流分布有一定的影响，气流进入出口区，受到锥顶部位的限制，势必产生涡流，这对除雾器有些影响。但考虑到此种出口形式施工方便、节约成本，故选用了此型出口。如果现场施工队伍加工安装能够做到，采用鹅颈管形式的出口，会对烟气分布极为有利。

图5 设计塔径下70%负荷下的模拟结果(设计煤种)

图6 设计塔径下30%负荷下的模拟结果(设计煤种)

3 结语

本文通过采用Fluent数值模拟软件，对某项目燃用设计煤种时不同条件下吸收塔内烟气流场的分布进行了模拟研究和分析。结果显示吸收塔设计对脱硫校核煤种适应性好，验证了该项目吸收塔设计的合理性及实际运行时对负荷的适应性，同时分析了吸收塔进出口型式的优劣之处，为后续工程项目吸收塔的优化设计和稳定运行提供了坚实有力的理论依据。

［1］火力发电厂烟气脱硫设计技术规程［S］.中华人民共和国国家改革与发展委员会，2004.

［2］环境保护部.火电厂大气污染物排放标准［S］.国家质量监督检验检疫总局，2011.

［3］Alstom Technology Ltd.FGD User’s Design Manual.USA:Alstom Technology Ltd，2004.

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［6］Fluent Inc.FLUENT User’s Guide.USA:Fluent Inc，2001.

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