湿法脱硫吸收串塔喷淋流场特性分析

文_郭宗林 吕超 溫佳琪 岳强

1.河北建投水务环境工程有限公司 2.河北建投水务投资有限公司

1 设备改造概况

河北南网某热电厂2×350MW超临界供热机组，烟气脱硫（FGD）系统设计采用全烟气石灰石-石膏湿法脱硫工艺，脱硫塔采用喷淋孔塔技术，塔内设计为3层喷淋，脱硫效率不低于95%。

本次脱硫改造项目拟采用串塔工艺，即在原有脱硫塔后增加一台二级吸收塔串联运行，对烟气进行深度脱除。

2 CFD数值模拟技术

CFD(Computational Fluid Dynamics计算流体动力学)数值模拟技术是计算机数值计算求解控制流体流动的微分方程，如质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程等，得出流体运动流场在连续区域上的离散分布，从而模拟流体流动、传热、传质的情况，主要步骤有：建立几何模型；网格划分；确定初始及边界条件；求解控制参数；处理计算结果。其具有试验时间短，获取数据多，花费少的优点。

2.1 湍流模型

现阶段湍流数值模拟模型常用的主要有：标准k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型，本计算中湍流模型选择RNG k-ε模型。

2.2 数值计算

2.2.1 模型建立

FGD脱硫系统改造工程二级吸收塔根据现场实际建立吸收塔模型，采用空塔喷淋工艺。烟气进入吸收塔分别经过喷淋层、除雾器层后排出。浆液由均匀布置于喷淋层的雾化喷嘴引入，与烟气逆流，吸收SO2后下落至浆液池。

2.2.2 网格划分

本模拟采用ICEM CFD完成了求解区域的建模与网格划分，网格采用结构化网格格式划分。网格数量达到100万左右，所有网格质量均在0.6以上，网格精度较高。

2.2.3 初始及边界条件设置

（1）因浆液池液面波动对吸收塔内烟气流场影响较小，所以假设浆液池为固定平面，不考虑其对烟气流场的影响。

（2）在本模拟过程中，采用坐标喷淋的形式设置喷嘴，除雾器层采用多孔介质，忽略喷淋构件对塔内流场的影响。

（3）假定烟气在烟道截面的流速相等且分布均匀，流向与轴线平行。

（4）将塔内及入口烟道壁面视为光滑绝热壁面。

（5）在理想状态下烟气流动参数与时间无关，假定为定常流动。

因气流在塔内的传质传热过程较为复杂，采取上述条件进行建模时，对数据精度造成一定程度的影响，但本模拟过程主要进行定性分析，在保证误差范围的同时，该模型计算更为简便，收敛效果更好。

2.2.4 模型参数设置（见表1）

表1 模型参数设置

3 模型计算及分析

为使本模拟烟气流场更加贴近现场实际情况，本模拟在锅炉最大连续蒸发量（100%BMCR）工况下分析分别引入2层、3层喷淋后吸收塔内的速度场和压力场的变化情况（见图1-图8）。 图2 3层烟气速度流线图

图1 2层烟气速度流线图

图3 2层喷淋时纵截面方向速度云图

图4 3层喷淋时纵截面方向速度云图

图5 2层喷淋时横截面方向速度云图

图6 3层喷淋时横截面方向速度云图

图7 2层喷淋时纵截面方向压力分布云图

图8 3层喷淋时纵截面方向压力分布云图

通过模拟可知，100%BMCR引入2层喷淋时，由于喷淋液的速度较高且喷淋量较大，在喷淋液滴强烈的整流作用下，吸收塔内气流均布效果明显，除吸收塔沿烟气入口中心处速度稍高外，塔内烟气流场分布基本趋于均匀。流场的均匀分布可使气液两相接触面积增加，有利于相间的传质，喷淋浆液的利用效率和脱硫效率都得到提高。

100%BMCR引入3层喷淋后，由于烟气入口速度降低，喷淋液滴对烟气的作用力强，导致烟气流在吸收塔入口处分布较集中，吸收塔靠近入口一侧的烟气流速较远离入口一侧稍高，形成较小偏流现象，但整体来说，烟气流分布效果比较理想，可满足吸收塔气流均匀分布的要求。烟气流由于受浆液滴的影响，在吸收段造成较强烈的湍流区域，与引入2层喷淋相比，烟气波动较大，气液两相的湍流强度增加。湍流强度增加可使气液两相接触面积增加，有利于相间传质，但同时造成了横截面处速度分布情况变差，横截面上的标准速度偏差为1.343（喷淋层下1m处）/0.522（除雾器处）较引入2层喷淋时的1.231（喷淋层下1m处）/0.452（除雾器处）大。

在100%BMCR引入不同喷淋层后，在喷淋对气相进行强烈的整流后，烟气在同一高度层的各点上的压力被均匀化，塔内压降达到1170～1420Pa左右。

4 结论

本模拟运用CFD软件100%BMCR下， 吸收塔内引入2层喷淋和3层喷淋时的速度场和压力场进行数值模拟，模拟由模拟结果可知。

（1）引入喷淋层后，在喷淋液滴的整流作用下，吸收塔内气流均布效果明显，横截面方向上的速度偏差较小，烟气速度分布明显均匀化。

（2）在喷淋层数的增加时，湍流程度加剧，虽对塔内流场分布产生一定的影响，但其整体分布效果比较理想，满足塔内气流均布要求，有利于提高脱硫效率。