高 原

(哈爾濱電氣股份有限公司 環(huán)保事業(yè)部，黑龍江 哈爾濱 150046)

石灰石—石膏濕法煙氣脫硫是目前國內(nèi)外煙氣脫硫所采用的主流工藝方法。此脫硫技術中的核心設備為噴淋吸收塔［1－2］。脫硫的主要傳質(zhì)、傳熱及化學反應均在吸收塔內(nèi)發(fā)生。相對于其它反應設備，噴淋吸收塔除了具有脫硫效率高的優(yōu)點外，還具有壓阻小，內(nèi)構件相對較少且不易結(jié)垢等優(yōu)勢［3－4］。目前，國內(nèi)外對濕法煙氣脫硫中噴淋吸收塔進行了大量的研究，本文主要采用數(shù)值模擬計算方法，對某項目燃用設計煤種時不同條件下吸收塔內(nèi)煙氣流場的分布進行了模擬研究和分析。驗證了該項目吸收塔設計的合理性及實際運行時對負荷的適應性，為吸收塔的優(yōu)化設計和穩(wěn)定運行奠定了理論基礎。

1 模擬對象及數(shù)學模型

1.1 模擬對象

本文的模擬對象為某項目的噴淋吸收塔，該項目所采用的脫硫方法為石灰石－石膏濕法煙氣脫硫方法，此脫硫方法為國外引進技術。吸收塔為整個脫硫系統(tǒng)關鍵的核心設備，石灰石溶解、二氧化硫吸收、亞硫酸鈣強制氧化等反應過程均在吸收塔內(nèi)發(fā)生。采用先進可靠的噴淋空塔，系統(tǒng)阻力小，塔內(nèi)氣液接觸區(qū)無任何填料部件，有效地杜絕了塔內(nèi)堵塞結(jié)垢現(xiàn)象。根據(jù)具體的工藝計算，對吸收塔進行了詳細設計，具體結(jié)構見圖1。

圖1 吸收塔外形結(jié)構圖

原煙氣從入口進入吸收塔，與向下噴淋的漿液逆行接觸，發(fā)生脫硫反應。脫硫后的凈煙氣經(jīng)過除霧器和出口煙道排出吸收塔。

吸收塔設計考慮主要的因素有:幾何結(jié)構參數(shù)及運行參數(shù)［5］。其中結(jié)構參數(shù)包括吸收塔直徑及高度，入口角度，入口及出口形式等;運行參數(shù)指對負荷及入口煙速的適應能力。本文僅考慮燃用設計煤種時的塔徑，不同負荷下吸收塔正常液位之上的煙氣流場。

圖2 吸收塔計算模型

1.2 模型假設與簡化

從WFGD系統(tǒng)實際運行的角度出發(fā)，對噴淋吸收塔內(nèi)煙氣流動狀況作了如下假設［6］:

(1)由于吸收塔內(nèi)煙氣流速較低，認為煙氣為不可壓縮性牛頓流體;

(2)忽略重力和煙溫對煙氣流動的影響;

(3)暫不考慮塔內(nèi)噴嘴，除霧器和小部件對流場的影響;

(4)暫不考慮漿液噴淋對煙氣流場的影響。

1.3 基本控制方程

吸收塔內(nèi)的氣相流動幾乎處于湍流狀態(tài)，考慮到模型的可靠性及工程應用的可能行，本文選用標準k－ε模型對爐內(nèi)氣相流動進行模擬。在正交的直角坐標系下，標準k－ε雙方程模型的基本控制方程可表示如下［7－9］:

連續(xù)性方程

式中 p——流體壓力;

ρ——氣體密度;

φ——代表所有的流體變量;

Γφ——各方程變量的輸運系數(shù)(擴散系數(shù));

Sφ——因變量的守恒方程中所對應的源項。

式中 S——平均應力變化率張量的模。

在 Fluent中，作為默認值常數(shù)，C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為 σk=1.0，σε=1.3。

本文模擬所采用的計算軟件為Fluent6.0。網(wǎng)格采用非結(jié)構化網(wǎng)格;計算區(qū)域為吸收塔正常液位之上的部分;邊界條件，速度入口，壓力出口;SIMPLE算法，差分方程的求解是求解某變量的迭代及基于SIMPLE算法的各變量求解迭代的總和，直到達到收斂準則為止。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 設計塔徑下的模擬結(jié)果

吸收塔塔徑是設計中最為重要的結(jié)構參數(shù)之一，不僅決定整個脫硫反應發(fā)生空間的大小，而且影響工程成本。本文針對某項目的吸收塔，進行了設計塔徑下塔內(nèi)流場的模擬計算。根據(jù)引進技術工藝計算，選取的設計塔徑為11.3 m。分別對燃用設計煤種和校核煤種進行了模擬計算，驗證了兩種工況下所選取的塔徑大小的適應性。選取吸收塔豎直斷面進行觀察，結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 設計塔徑下100%負荷下的模擬結(jié)果(設計煤種)

從圖3可以看出，煙氣具有足夠的動量穿過整個吸收塔，未有直接沖刷壁面的現(xiàn)象，而是從塔中心開始折轉(zhuǎn)向上，最后均勻從出口離開吸收塔［10］。綜合看來，塔內(nèi)吸收區(qū)流場均勻性較差，這對實際運行時的脫硫反應影響較大。除霧器區(qū)及出口處有漩渦產(chǎn)生，這勢必會使除霧器的阻力加大，建議實際運行時監(jiān)測好此區(qū)域的壓差，并對除霧器的沖洗順序進行調(diào)整，防止堵塞。

圖4 設計塔徑下100%負荷下的模擬結(jié)果(校核煤種)

從圖4可以看出，塔內(nèi)吸收反應區(qū)域及除霧器區(qū)域流場較均勻，煙氣速度相對較低，這有利于延長煙氣與漿液液滴之間的接觸時間，提高了脫硫效率。

綜合比較看來，對于設計塔徑的吸收塔，設計和校核工況下二者流場的趨勢大致相同。但設計塔徑對校核煤種而言，具有很好的適應性。

2.2 不同負荷下的模擬結(jié)果

吸收塔設計及運行時需要考慮對機組負荷的適應性，本文考察30% ～100%BMCR工況下煙氣流場的變化，結(jié)果見圖3，圖5和圖6?？梢?，流場趨勢大致相同，這表明設計塔徑的吸收塔對負荷的適應性較好。由此，在實際運行當中，在不同負荷的情況下，在保證煙氣與漿液良好接觸的前提下，可以通過調(diào)整噴淋層投入的方式，降低實際運行成本。

2.2 吸收塔進出口處煙氣流場分布模擬結(jié)果

吸收塔進出口設計通常是根據(jù)保證此部位的實際煙氣流速而確定其尺寸的，國內(nèi)標準通常是保證煙氣流速在15 m/s以內(nèi)。另外，考慮到氣流分布，入口選用矩形幾何形狀;考慮到現(xiàn)場施工和成本因素，出口選用矩形幾何形狀。綜合比較模擬結(jié)果可以看出，煙氣經(jīng)過入口進入吸收塔內(nèi)，有足夠的動量和很好的貫穿性，這確保煙氣進入噴淋區(qū)有很好的均勻分布，對后續(xù)的吸收反應有利;對于圓錐矩形平出口煙道，對氣流分布有一定的影響，氣流進入出口區(qū)，受到錐頂部位的限制，勢必產(chǎn)生渦流，這對除霧器有些影響。但考慮到此種出口形式施工方便、節(jié)約成本，故選用了此型出口。如果現(xiàn)場施工隊伍加工安裝能夠做到，采用鵝頸管形式的出口，會對煙氣分布極為有利。

圖5 設計塔徑下70%負荷下的模擬結(jié)果(設計煤種)

圖6 設計塔徑下30%負荷下的模擬結(jié)果(設計煤種)

3 結(jié)語

本文通過采用Fluent數(shù)值模擬軟件，對某項目燃用設計煤種時不同條件下吸收塔內(nèi)煙氣流場的分布進行了模擬研究和分析。結(jié)果顯示吸收塔設計對脫硫校核煤種適應性好，驗證了該項目吸收塔設計的合理性及實際運行時對負荷的適應性，同時分析了吸收塔進出口型式的優(yōu)劣之處，為后續(xù)工程項目吸收塔的優(yōu)化設計和穩(wěn)定運行提供了堅實有力的理論依據(jù)。

［1］火力發(fā)電廠煙氣脫硫設計技術規(guī)程［S］.中華人民共和國國家改革與發(fā)展委員會，2004.

［2］環(huán)境保護部.火電廠大氣污染物排放標準［S］.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2011.

［3］Alstom Technology Ltd.FGD User’s Design Manual.USA:Alstom Technology Ltd，2004.

［4］姜健.濕式石灰石/石灰－石膏煙氣脫硫的發(fā)展及展望［J］.節(jié)能技術2006，24(5):450－454.

［5］林永明，高翔.濕法煙氣脫硫(WFGD)噴淋塔內(nèi)煙氣流場的數(shù)值模擬研究［J］.熱力發(fā)電，2006，35(4):6－9.

［6］Fluent Inc.FLUENT User’s Guide.USA:Fluent Inc，2001.

［7］陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2006，483 －507，136 －183.

［8］程貴彬，李威，陸慧林.35 t/h燃氣鍋爐爐內(nèi)空氣動力場的研究［J］.節(jié)能技術2005，23(4):315 －316.

［9］劉玉文，徐連飛.爐膛中間截面邊界條件對雙切圓鍋爐空氣動力場計算的影響［J］.節(jié)能技術2010，28(5):427－431.

［10］王啟軍，蘇保青.高氣速對煙氣濕法脫硫系統(tǒng)影響的分析［J］.節(jié)能技術2005，23(5):450－453.