脱硫吸收塔出口形式流场分析及优化设计研究

作者/魏新，大唐环境产业集团股份有限公司大唐电力设计研究院

脱硫吸收塔出口形式流场分析及优化设计研究

作者/魏新，大唐环境产业集团股份有限公司大唐电力设计研究院

脱硫吸收塔的结构型式对塔内烟气流场分布影响大，进而影响系统的烟气阻力、脱硫效率及除尘除雾效果。本文以张家口电厂8#机脱硫吸收塔为例，对吸收塔出口形式流场进行研究分析并优化，为相关工程设计提供参考和借鉴。

吸收塔；出口形式；流场分析

引言

吸收塔作为脱硫系统的核心部件，其结构型式对塔内烟气流场分布影响较大，进而会影响脱硫系统的性能。塔内烟气流速分布均匀性越好，脱硫效率越高，除雾器能发挥最佳性能，对出口雾滴分离、附加除尘效果越好。

张家口8#机原脱硫吸收塔结构采用侧排的方式，烟气出口扁而宽（见下图所示），此种结构出口造成烟气流场分布均匀性较差。对出口进行优化，塔顶做个变径锥段，从锥段上引出烟气出口，此种结构烟气流过时可以平稳过度，使得烟气流场均匀性较好。本研究对优化的烟气出口型式与原出口型式进行烟气流场CFD对比模拟，以验证优化结构性能的优越性。

1.CFD软件及湍流模型

数值模拟采用的软件是CFD软件ANSYS/FLOTRAN。FLOTRAN CFD采用的离散化方法是有限元法，它提供了两种流体单元：FLUID 141和FLUID142， FLUID 141单元是二维四节点四边形或三节点三角形单元，FLUID 142单元是三维四节点四面体或八节点六面体单元。这两种流体单元都具有多个自由度。

FLOTRAN提供了多种湍流模型，如零方程湍流模型、标准 k-ε湍流模型、RNG湍流模型、NKE湍流模型和GIR湍流模型等，且这些湍流模型均是涡粘模型。其中，零方程湍流模型是最简单和最快的湍流模型，但它只适用于几何形状和流动特征都相对简单的问题；标准 k-ε模型是默认的湍流模型，它通常能提供流动的真实情况，能用于计算管道和通道中的湍流流动。

对于脱硫吸收塔内三维烟气流动，采用FLUID 142三维流体单元，湍流模型采用标准的k-ε模型。

2.模拟域

研究塔内烟气流场分布必须模拟三维流场，模拟域为吸收塔入口至出口处的烟气流动范围，塔内为浆液液面以上部分，在ANSYS中建立流场模型，分别对这两种出口型式进行三维建模流场模拟：原吸收塔烟气出口型式较为扁平，水平方向的宽度与吸收塔的横截面直径一致，而推荐优化后的出口型式则是在吸收塔顶部设置一个圆锥段，在锥段上水平开口，相对原吸收塔出口型式，推荐优化后的开口在维持烟道出口截面面积不变的前提下，在水平方向收缩，同时高度方向加高，具体变化如图1、2所示（为了便于观察，采用2个角度视图显示）。

图1 原吸收塔烟气出口型式的烟气流场模拟域

图2 推荐优化的烟气出口型式的烟气流场模拟域

3.分析结果

■3.1原吸收塔烟气出口型式

出口烟道截面积一致的前提下，采用这种出口型式，则吸收塔出口烟道烟气流速最小为0（表明该区域烟气基本不流通），而且流速接近0的区域较大（在与吸收塔出口正对的那一面深蓝色区域），最大为22.374m/s（靠近吸收塔出口侧面），总体上这种型式下吸收塔出口区域的流场不均匀性较大。如图3所示。

图3 原出口型式的烟气流场速度矢量分布云图（烟气出口区）

■3.2 推荐优化的烟气出口型式

出口烟道截面积一致的前提下，采用这种出口型式，则吸收塔出口烟道烟气流速最小为0（表明该区域烟气基本不流通），而且流速接近0的区域较小（在与吸收塔出口正对的那一面圆锥与直段相交的深蓝色区域），流速最大为17.905m/s（靠近吸收塔出口底面的较大范围），相对于上一种型式，流场不均匀性较小，再加上最高流速与最低流速相差较小，因此可以确定，这种型式的流场更加均匀。如图4所示。

4.结语

从上述分析结果可见，吸收塔原烟气出口型式气流分布均匀性较差，烟气出口区背面塔顶角度较小，流速极低（气流死区）的范围较大，出口截面上由于速度分布不均匀，最大气速达到了22.374m/s。

推荐优化的烟气出口型式气流分布均匀性比原出口型式好，烟气出口区背面塔顶角度较大，流速极低（气流死区）的范围很小，整个出口区域流速过度比较平稳，出口截面上最大气速达为17.905m/s。

图4 推荐优化的出口型式的烟气流场速度矢量分布云图（烟气出口区）

由此可见，优化改造的烟气出口型式比原出口型式烟气流场均匀度要好，采用优化的出口型式，可以为吸收塔及除雾器发挥最佳性能创造更加有利的条件，从而能最大限度地降低吸收塔出口粉尘含量。

* [1]孟炜，单新宇，魏宗新，郑传祥.大型脱硫吸收塔结构优化研究与设计[J]化工装备技术，2015年8月，第36卷第4期.

* [2]李天，孙永胜.高塔型烟气脱硫吸收塔结构动力特性分析[J]郑州大学学报（工学版），2007，28（2）：64～67.

* [3]杜云贵，邓佳佳，冯治云等.湿法烟气脱硫塔设计与优化[J]环境工程，2010，28（2）：69～71.

* [4]李明惠，时文忠，刘德宏等.大直径薄壁大开孔塔结构的有限元分析[J]压力容器，2005，22（2）：14～17.