基于CFD技术的镁法脱硫塔入口烟道流场优化分析

鞠铠阳，李 威，王 欣，洪文鹏

(1.天津国投津能发电有限公司，天津 300480；2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

基于CFD技术的镁法脱硫塔入口烟道流场优化分析

鞠铠阳1，李 威2，王 欣2，洪文鹏2

(1.天津国投津能发电有限公司，天津 300480；2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

以某300 MW机组镁法脱硫塔为研究对象，针对入口烟道内存在的气流冲壁现象，利用计算流体动力学软件Ansys13.0，对其进行了流场数值模拟。塔内烟气采用Reynolds时均Navier-Stokes方程描述，离散相采用拉格朗日模型描述。通过对布置不同导流板的方案分析表明，在烟道内布置若干数量的导流板，可以有效地缓解入口烟道内壁的气流冲刷现象；同时导流板的布置使得塔内烟气流场分布更加均匀，气液两相混合更的均匀，并提高了吸收效率。综合考虑入口导流板数量以及塔内流场分布，布置三块导流板最为合理；另外针对入口处布置不同数量导流板的模拟结果对镁法喷淋塔的现场运行以及结构优化提供理论依据。

镁法烟气脱硫；导流板；优化；Ansys13.0

中国是一个以煤炭为主要能源的国家，并且大部分煤炭品位低，原煤中灰分和硫含量较高[1]，煤炭燃烧生成的SO2已成为中国大气污染的主要污染物。火电厂排放的SO2约占全国SO2排放量的1/3[2]。我国在1995年SO2排放量严重超出环境的自净能力，其总量达到2370万吨，超越欧洲和美国等地区。目前我国发电企业仍以火电为主，控制SO2排放成为我国发电企业面临的重大问题。自2002年，中国在电力行业内开展了大规模的SO2治理工程。为控制以SO2排放为主造成酸雨污染的恶化趋势，脱硫工艺的发展也越来越成熟，这其中应用比较广泛的是镁法、钙法、氨法等工艺[3-4]。镁法脱硫技术的优点有：占地面积小、综合效益好、运行费用低、安全可靠、脱硫效率高、没有二次污染、副产品能产生一定的经济效益等，同时又避免了大型湿法脱硫的诸多缺点，因此镁法脱硫将逐步得到更为广泛的应用[5]。

多数湿法喷淋塔在设计和运行时均没有充分考虑烟道的优化，喷淋塔内气液两相流场以及进口烟道内的流场分析对于整个系统的可靠性及安全运行具有重要的意义。本文针对某300MW机组镁法脱硫塔入口烟道存在的气流冲刷内壁面的现象进行分析，采取喷淋塔入口烟道处布置不同导流板的方案作为应对策略，运用Ansys13.0软件，对其导流板的数量以及塔内流场进行了三维数值模拟，其模拟结果与原塔进行对比分析，选出最优方案，期望对系统的实际运行及优化提供理论依据。

1 喷淋塔内部烟气流场数学模型的建立

1.1 烟气相流场的控制方程

在脱硫塔内，烟气向上流动，液体向下流动，属于三维非定常气液两相流动，气液两相在塔内的运动过程中伴随着质量和动量方面的交换，这些交换是一直存在的。欧拉坐标系下的烟气流场方程为

(1)

式中：φ为通用变量(可以是湍动能、耗散率和速度等的求解变量)；Γφ为广义扩散系数；U为速度矢量；Sφp为液滴对烟气的作用源项。在此方程的基础上气相的模拟采用标准k-ε双方程模型实现方程的封闭[6-7]。同时，近壁面选用壁面函数法来修正[8]。因为Launder等[9]人提出的k-ε双方程模型有较高的计算精度且计算量较小的优点，所以雷诺应力项的封闭采用k-ε双方程。

1.2 液相控制方程

由于Lagrangian颗粒轨道模型可以完整地考虑颗粒与流体间的相互作用，采用随机轨道方法进行修正，并且在计算过程中跟踪计算颗粒沿轨道的动量增加与损失，与此同时所得计算结果方便用于后续的连续相计算中，因此液相模拟采用Lagrangian颗粒随机轨道模型。

液滴相控制方程

(2)

(3)

(4)

式中：dp为粒径；u为速度，m/s；μ为动力粘度，Pa·s；ρ为密度，kg/m3；d为粒径，m；CD为同ReD有关的函数。

2 脱硫塔内烟气流场的模拟计算

2.1 建立脱硫塔模型及假设

本文模拟的喷淋塔模型如图1所示(简化后模型)，其模型为逆流喷淋塔。烟气从脱硫塔入口进入塔内，塔内喷嘴向下喷淋液滴，烟气与液滴互相接触发生化学反应进而达到净化烟气的目的，被净化后的烟气从塔内上部的除雾器排出喷淋塔。

图1 喷淋塔结构示意图

由于采取以下假设能使建模以及计算过程得到简化[10-13]，同时结果的精确性受到略微的影响。因为本文主要的研究是对脱硫塔内的流场作定性分析而非定量分析，略微的误差是可以接受的。

针对本文的模拟，对烟气与液滴两相作如下假设：

(1)喷淋塔模拟区域为除雾器以下至浆液面部分；

(2)烟气可看作是不可压缩流体；

(3)暂不考虑塔内喷嘴等部件对烟气流场的影响；

(4)脱硫塔内进行的过程复杂多变，其内部的流场是非稳态的，本次模拟假定为稳态。

表1 烟气与液滴的参数及边界条件

2.2 气液两相流场参数及边界条件

烟气与液滴的参数及边界条件，如表1所示。

2.3 网格的无关性讨论

本文分别选取了67万、82万、109万以及134万数量的网格分别对四类几何模型进行了模拟，结果发现随着网格数增加，相邻网格数间相对误差逐渐减小，直至网格数达到109万左右，再增加网格数目，其模拟结果基本不变，经考虑最终选取109万网格方案，由于4种几何模型相差不大，故均采用109万网格，这种做法不但运算简洁，结果的精确性也得到了保证。

3 计算结果与讨论

通过对在喷淋塔入口布置不同数量的导流板进行模拟，其模拟结果与原塔进行对比分析，选出一个最优的布置方案。顶层喷淋层上方1m处的截面的速度云图，如图2所示。

从图2(a)中可以看出，原塔截面的速度不规整，中部左侧速度比右侧大，说明经过喷淋层的烟气与喷淋液滴接触不充分，直接影响吸收效率；而图2(b)、图2(c)、图2(d)中布置导流板后，速度分布逐步得到了改善，图2(d)中改善最为明显，速度分布趋于均匀。比较分析得出，脱硫塔入口处布置三块导流板的方案中烟气经过喷淋层到达出口时速度比较均匀，说明气液两相在这之前接触的比较充分，这种布置方案对于增强浆液与烟气的传质交换，优化气液分布均匀性，提高系统SO2的吸收率都有很大的意义。

图2 顶层喷淋层上方1m处的截面的速度云图

不同入口条件下的喷淋塔系统的气流速度云图，如图3所示。从图3(b)中看出布置一块导流板时，入口内壁的气流冲刷现象没有得到改善，还是存着冲刷现象；图3(c)中布置两块导流板时较之前的方案内壁面冲刷现象有所缓解；而图3(d)中布置三块导流板时，冲刷现象得到了明显改善。比较分析得出，布置三块导流板在很大程度上对流经该区域的气流进行了疏导，减少了气流对该区域的冲刷。

图3 不同入口条件下的气流速度云图

图4给出了底层喷淋层下方1 m处截面的速度等值图，图中数值代表速度，此处的截面比较具有代表性，由于该截面是烟气与液相的主要反应区域，SO2吸收的好坏跟该截面有很大关系。因此，烟气在此横截面上均匀性以及气液混合均匀程度的好坏均可由该截面上的速度分布的好坏来反映。另外，从图4(a)、图4(b)、图4(c)中可以看出，截面中间区域主流速度为1 m/s，与塔的设计烟气速度3 m/s-5 m/s相差很大，反而越靠近壁面速度越大，与设计速度比较接近；而图4(d)中布置三块导流板的截面速度分布比较均匀，整个截面的速度基本在3 m/s-5 m/s左右，这是最有利于脱硫反应的速度。通过上述分析得出，在喷淋塔入口处布置三块导流板时，在同一截面里，烟气速度分布较为均匀，因此有利于气液两相很好的混合，增加接触时间，从而提高SO2吸收率。

图4 底层喷淋层下方1m处截面的速度等值图

图5 不同入口条件下吸收塔内压力沿塔高的变化曲线

图6 中空锥形喷嘴喷淋效果图

对于脱硫系统来说，研究脱硫塔阻力特性是比较有意义的。不同入口条件下吸收塔内压力沿塔高的变化曲线，如图5所示。由图5可以看出，三种方案的曲线的下降趋势与原塔大致相同，没有出现突然下降和或者突然上升的趋势，也说明布置导流板的几种方案都是可行的，影响压降的主要因素是喷淋层的层数[14]，本次为三层喷淋层。考虑到之前讨论的合理性，认为布置三块导流板是最优方案。

塔内喷淋的效果图，如图6所示。一般情况下，喷嘴喷出的浆液有很多种形态，此次模拟中，喷淋塔喷嘴为实体锥形，基本上喷淋形成的锥体可以认为是以喷嘴位置为顶点的锥体。这样的喷淋能全面覆盖烟气，使浆液与烟气能更好的接触，利于SO2吸收，从而提高其脱除率。

4 结 论

对比结果可知，在喷淋塔入口烟道内合理地布置导流板，能够有效的改善入口烟道以及塔内流场分布状况，有利于两侧的烟气平衡，使得气液两相在塔内更好地接触，提高SO2吸收率；同时，从压力曲线也可以看出，几种方案的下降趋势和原塔相近，说明几种方案都是可行的，但相比其他方案，入口处布置三块导流板的优化结果更为明显。与此同时，几何模型中也布置了四块甚至更多导流板，并对其进行数值模拟，结果发现，布置四块或更多导流板时，其模拟结果与三块导流板的结果相差无几，非常接近；另外，综合考虑成本的问题，认为方案d(布置三块导流板)为最优方案。期望本次模拟的结果能对系统的实际运行及优化提供理论依据。

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Optimization on the Entry Section of Magnesium Desulfurization Scrubber Based on CFD

Ju Kaiyang1，Li Wei2，Wang Xin2，Hong Wenpeng2

(1.Tian Jin SDIC Jinneng Electric Power Company Ltd.,Tianjin 300480；2.Energy Resource and Power Engineering College， Northeast Electric Power University， Jilin Jilin 132012)

Taking the magnesium 300MW units desulfurization scrubber as an object of study，to solve the entry of scouring wall by the gas stream，numerical simulation was carried out with computational fluid dynamics theory and Ansys13.0 software.The turbulent flow of gas in the scrubber was described by Reynolds-averaged Navier-Stokes equations，and the discrete phase was described by Lagrangian discrete phase model.Through the arrangement of the different options of the deflectors showed that compared with the original scrubber，by arrangement of different deflector in the entry section，gas stream scouring in the entry section was effectively weakened;Meanwhile，flue gas flow field distribution in scrubber was more uniform by arrangement of deflector，the gas and liquid could contact with each other more sufficiently，and Increase the absorption efficiency.Considering the flow distribution in the entry section and scrubber，the arrangement of three deflectors was the most reasonable option.As a result，references and advices were given to site operation and optimization of magnesium desulfurization scrubber.

Magnesium FGD;Deflector;Optimization;Ansys13.0

2016-08-09

鞠铠阳(1991-)，男，助理工程师，主要研究方向：火力发电厂节能减排.

1005-2992(2017)01-0029-05

X511

A

电子邮箱： 54279312@qq.com(鞠铠阳)；vly1314@163.com(李威)；616382040@qq.com(王欣)；274960220@qq.com(洪文鹏)