脱硫吸收塔烟气量减半加均布板改造分析

马英

摘 要：基于某发电厂脱硫塔两炉一塔改为一炉一塔的实际工程问题，通过吸收塔全尺寸数值模拟，发现烟气量减半后吸收塔内部烟气充满度差且在进风口上方存在烟气涡旋，致使脱硫效率低下。针对吸收塔烟气进口上方存在烟气稀相区，大量浪费吸收剂致使脱硫效率较低的问题，提出在烟气进口上方加装孔径为100～150mm、开孔率40%的均布板，模拟结果显示加装均布板可以大幅提升吸收区的烟气分布均匀性，有效提高脱硫效率。

关键词：湿法脱硫；吸收塔；烟气量减半；均布板

某发电厂2X300MW机组的脱硫系统吸收塔设计之初是一个吸收塔承担两台300MW发电机组的烟气脱硫任务。在机组实际运行过程中发现脱硫效果不佳，个别工况下脱硫效率甚至低于90%，该发电厂决定将原先的两炉一塔改为一炉一塔。由于脱硫塔烟气处理量减半，烟气在脱硫塔水平截面内出现严重分布不均。通过对烟气量减半后的吸收塔内气液两相流流场进行三维数值模拟，分析气流沿吸收塔水平截面的烟气分布状况。并针对吸收塔烟气进口上方存在烟气稀相区，提出在烟气进口上方加装均布板的改造方案，并通过三维模拟验证改造的有效性。

1 吸收塔几何模型

本文选取该电厂300MW机组湿法脱硫吸收塔为研究对象展开全尺寸数值模拟研究，各部分结构按照实际尺寸建立几何模型，以保证最后的计算結果对实际工程具有指导作用。浆液池内部区域不纳入计算区域，浆液池表面视为静止液面。为最大减小计算量，用多孔介质模型对除雾器进行等效果简化[1]。只考虑其主要管道对流场的干扰作用，忽略喷嘴的几何尺寸，喷淋采取指定喷射角度的点喷射，液滴粒径分布采用均匀粒径分布代替喷头的作用[2]。模拟计算结果表明以上简化可行且有效。

湿法脱硫吸收塔直径为17m，高度为42.7m，采用离心双向空心锥型喷嘴，配备2个屋脊式除雾器，由湿法脱硫吸收塔的烟气入口截面至出口截面。浆液池不计在内，浆液池的操作液面视为固体壁面，作为计算域的下边界。用Solidworks建立几何模型，图1为吸收塔和喷淋层三维形状。对几何模型进行区域划分，对喷淋层的复杂结构进行以尺寸函数为引导的非结构化网格自适应网格划分，对烟气出口区域根据预测的烟气流向进行结构化网格划分[3]。对结构进行网格无关性结果验证后计算域网格共约100万。

2 模拟边界设置

数值计算以fluent 软件为平台，采用显式差分格式，SIMPLE 算法，k-ε双方程realizable模型求解。模拟中边界条件设置如下：

（1）吸收塔入口边界条件认为来流速度充分发展且分布均匀，改造前烟气来自两台锅炉，烟气流速为12m/s，改造后烟气来自一台锅炉，烟气量为6m/s，入口烟气温度130摄氏度，入口k 值为来流速度平均动能的0.5%，入口湍流强度：I=0.016（Re）-0.125；

（2）烟气黏度采用定值：1.9894 ×10-5 kg/（m·s）；

（3）塔及烟道外壁为绝热边界，喷淋管外壁温度取浆液温度，浆液温度为50℃；

（4）出口设置为自由出流边界条件。

动量方程、能量方程、湍动能方程和湍动能耗散率方程的离散均采用二阶迎风差分格式，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法。计算过程中，能量离散方程残差控制在10-6以下，其他方程残差控制在10-4以下[4]。

3 流量减半改造前问题分析

吸收塔进口管道以一定角度向下倾斜送风，依靠气流自身扩容、扩散和惯性作用进行气流分布，但这样的气流均布效果是有限的，塔内气流分布依旧很不均匀，入口对面塔壁一侧局部风速过大，而这部分区域喷淋的浆液密度小，多为贴壁流，所以造成部分气流中SO2未完全脱除就被排出，同时，局部风速过大也会使得除雾器不能很好的发挥作用，造成烟囱出口带液严重的现象，既污染了周围环境也浪费了吸收剂。

为单独分析烟气量减半前后吸收塔内烟气横截面上的均匀性的变化，在空塔情况下对吸收塔进行原尺寸模拟，图2为一炉一塔和二炉一塔（烟气流速分别6m/s、12m/s）吸收塔空塔模拟结果流线图展示。由于二炉一塔烟气速度大，烟气刚性大，烟气沿着吸收塔进出口外侧流动，但是由于二炉一塔烟气量为一炉一塔的两倍，吸收塔内部烟气充满度比一炉一塔好，由图2一炉一塔流线图可以看出，喷淋层下方靠近烟气进口侧烟气流线较少，说明经过该区域烟气量较少，导致该区域脱硫效率极低，其他区域脱硫负荷被迫升高。

烟气量减半后，吸收塔烟气进口上方存在烟气稀相区，导致吸收塔内局部烟气速度过大，脱硫效率低。提出在烟气进口上方加装孔径为100–150mm、开孔率40%的均布板，使吸收区的烟气分布更加均匀。

4 加装均布板改造效果分析

吸收塔进口管道以一定角度向下倾斜送风，依靠气流自身扩容、扩散和惯性作用进行气流分布，但这样的气流均布效果是有限的，塔内气流分布很不均匀，入口对面塔壁一侧局部风速过大，而这部分区域喷淋的浆液密度小，多为贴壁流，所以造成部分气流中SO2未完全脱除就被排出。同时，局部风速过大和过小也会使得除雾器不能很好的发挥作用，造成烟囱出口带液严重的现象，既污染了周围环境也浪费了吸收剂。

针对该问题，采用均布板加以改造，所采用的均布板为圆盘状，其上开有若干圆形孔洞，圆形孔洞分布均匀，孔洞的孔径100–150mm，开孔率40%，安装在吸收塔烟气入口正上方1m处。对安装均布板之后的吸收塔进行数值模拟，在额定工况下，均布板烟气压降为298pa，图3是均布板下横截面和均布板上横截面的速度场比较。可以看到，经过均布板，速度分布均匀性大幅提高。烟气在塔内的平均停留时间大幅延长，脱硫反应时间更加充裕，有利于提高脱硫效率。另一方面，烟气从入口进入塔内，通过均布板的调节作用，使得均布装置上部的塔内烟气能够均匀分布，有效地减少了局部气速过大的问题，避免了因气速过大或过小导致的除雾效果不佳的问题，提高了除雾效率，减少了吸收液的浪费。

参考文献

[1]曾芳.用数值模拟方法进行脱硫塔的优化设计[J].华北电力大学学报：自然科学版，2010，37（2）：94-98.

[2]展锦程，冉景煜，孙图星.烟气脱硫吸收塔反应过程的数值模拟及试验研究[J].动力工程学报，2008，28（3）：433-437.

[3]邓佳佳.燃煤电厂烟气脱硫吸收塔内过程优化及脱硫废水的零排放处理[D].重庆大学，2015.

[4]宋健斐，彭园园，郭本玲，等.循环流化床烟气脱硫塔入口结构改进的数值模拟[J].环境工程学报，2010，（10）：2283-2286.