循环流化床脱硫系统入口烟气均匀性的研究

文_吴永彬 福建龙净环保股份有限公司

在实际使用的CFB脱硫技术中，在烟气引入脱硫塔脱硫反应后需要将烟气引入除尘器进行除尘，再将达标的烟气通过引风机排到烟囱。为了适应主机烟气量的变化，通常会从引风机出口烟道引一路烟气作为循环烟气，以满足脱硫塔床层的稳定。这样，循环烟气和入口烟气的混合效果就显得至关重要，若混合效果不好会直接导致脱硫塔床层压降波动大。

本文以某现场改造空间狭窄的2×130t/h循环流化床锅炉烟气脱硫除尘改造项目为例，探索研究循环流化床脱硫系统入口烟气混合新技术。

1 研究对象

1.1 项目概况

某2×130t/h循环流化床锅炉，原先采用SNCR技术、炉内喷钙技术和电袋复合除尘技术进行烟气治理，治理后每台炉分别通过1台锅炉引风机，排往烟囱。根据最新排放标准，原先技术已经无法达标，需要进行升级改造。因原有排放方式，锅炉引风机与烟囱的距离非常短，空间非常狭窄，一炉一塔的方案无法实施，只能选择两炉一塔的方案，把2台炉烟气汇总，在锅炉引风机和烟囱中间进行布置脱硫除尘岛，所以改造难度非常大。

1.2 烟气条件

每台锅炉引风机出口烟气量为300000m3/h，烟气温度为145℃，引回的循环烟气温度为80℃，烟道规划如图1所示。

图1 烟道规划图

根据以往项目经验，脱硫塔入口烟道烟气流速过低容易发生掉灰问题。因2台锅炉存在单独运行的工况，当1台锅炉运行时，烟气量偏小，烟气流速偏低，需要通过循环烟道补充烟气，以满足脱硫塔床层的稳定，避免掉灰。初期，脱硫塔建床时也需打内循环，这就造成脱硫塔入口烟道有多种工况，如表1所示。初步判断，工况二脱硫塔入口烟气均匀性应该是最差的，若不进行优化，很难保证系统平稳运行。

表1 各工况情况

1.3 方案建模及边界条件

因实际运行情况复杂，且烟道结构复杂，内部设置有贴边角钢、内撑、垫板等细小部件，在模拟中无法真实还原，在满足工程应用的前提下，对模型进行合理的简化和假设：①对烟道模型进行简化，不考虑内部细小部件对流场的影响；②将烟道内部烟气视为不可压缩牛顿体；③假设烟气进口处速度分布均匀。

为提高脱硫塔入口烟气均匀性，结合经验，通过数值模拟研究多种不同优化方案，最终确定最佳优化方案。如图2所示，分别为常规烟气混合模型图、烟气混合新技术模型图，常规烟气混合方案是根据项目参数建模，并按规范进行导叶布置；而烟气混合新技术，是在常规烟气混合方案的基础上进行优化布置及设备开发。烟气混合新技术的关键设备为烟气混合器。

图2 两种方案模型图

方案建模后进行划分网格，对规则的体采用六面体网格划分，对于不规则的体采用四面体网格或者混合型网格划分，同时注意零部件接触位置的网格一致性。

因烟道内部烟气流动属于三维湍流问题，考虑到湍流的复杂性，需要借助合适的湍流模型，故采用realizable k-ε模型。

边界条件设置如表2。

表2 边界条件设置

2 对比与分析

对两种方案的四种工况分别进行流场模拟，分析其结果。从烟气轨迹图、速度云图、温度分布图、脱硫塔入口截面速度均方根差值等方面，分别进行两种方案的对比与分析。

2.1 工况一

如表3，为工况一的两种方案对比。（因两股烟气温度一样，温度分布无需对比）

表3 工况一对比分析

两种方案的脱硫塔入口烟道烟气均匀性都较好，整个烟气流动轨迹大体相同，速度均方根差值也差别不大，相差0.028。再对比两者的整体压降，烟气混合新技术大约会增加140Pa的压力损失，这主要是因为烟气混合器占用了入口烟道的一部分截面，导致阻力增大。

2.2 工况二

如表4，为工况二的两种方案对比。

表4 工况二对比分析

两种方案的脱硫塔入口烟道烟气均匀性差别很大，常规烟气混合会出现较大区域的低流速区，这和之前的预判基本吻合，这对于整个系统非常不利；而烟气混合新技术效果明显，基本消除了低流速区，速度均方根差值降低了0.1816。再对比两者的整体压降，烟气混合新技术大约会减小50Pa的压力损失，这主要是因为常规方案，会造成烟气在一侧集中，而烟气混合新技术消除了此现象。同时，烟气混合新技术，对温度场分布也得到了一定改善。

2.3 工况三

如表5，为工况三的两种方案对比。

表5 工况三对比分析

两种方案的脱硫塔入口烟道烟气均匀性差别不大，整个烟气流动轨迹没有太大区别，从速度均方根差值也能体现出来，两者差别不大，相差0.017。再对比两者的整体压降，烟气混合新技术大约会增加160Pa的压力损失，这同样是因为占用了入口烟道的截面。同时，运用烟气混合新技术，对温度场分布也得到了较大改善。

2.4 工况四

如表6，为工况四的两种方案对比。（因工况四只有一股烟气，温度分布无需对比）

表6 工况四对比分析

两种方案的脱硫塔入口烟道烟气均匀性差别较大，常规烟气混合会出现烟气甩向一侧，整个截面速度分布不均匀；而运用烟气混合新技术，速度分布改善效果显著，速度均方根差值降低了0.1924。再对比两者的整体压降，烟气混合新技术大约会增加100Pa的压力损失，这同样是因为占用了入口烟道的截面。

3 结语

通过对两种方案的四种工况模拟结果进行对比分析，结果表明，与常规烟气混合对比，烟气混合新技术具有明显优势。对于多数工况，运用烟气混合新技术，脱硫塔入口烟道烟气均匀性度有了显著的提高，对于温度分布均匀性也有一定改善，同时通过烟气混合新技术，并不会大幅增加烟气阻力。因此，烟气混合新技术提高了烟气均匀性，大大缩短了烟气混合距离，实现了节省成本、降低项目改造难度的目的，对于工程具有较好的经济运用价值。