洪文鵬，高天聰，張偉玲

(東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012)

煤燃燒的過程中會形成煙塵、SO2、NOx、CO2以及微量重金屬等多種有害物質(zhì)，引起酸雨、溫室效應、陰霆天氣、臭氧層破壞等諸多環(huán)境問題［1］。雖然二氧化硫的任意排放會造成酸雨等嚴重的環(huán)境污染問題，但二氧化硫也是生產(chǎn)硫酸和化肥的重要原料之一。中國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，氨法脫硫的副產(chǎn)品硫酸銨、亞硫酸銨均是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的化肥，其出售的收入能大幅降低運行成本，實現(xiàn)了硫資源的回收利用，更加符合國家建設循環(huán)經(jīng)濟的政策。因此，氨法煙氣脫硫作為一種適合我國實際國情的脫硫技術日益得到國內(nèi)學者的廣泛關注［2］。

在氨法脫硫領域涉及火電廠脫硫裝置的研究較少，其中有如南京理工大學的賈勇等對填料塔氨法脫硫模型研究［3］，浙江大學丁紅蕾對氨基濕法煙氣脫硫的機理及工業(yè)試驗研究［4］，浙江大學的郭瑞堂等采用優(yōu)化構件對濕法煙氣脫硫噴淋塔內(nèi)流場的優(yōu)化［5］等，現(xiàn)有文獻中涉及氨法脫硫噴淋塔的數(shù)值模擬較少。對于濕法脫硫通用的噴淋塔煙氣流場模擬，有浙江大學的林永明對300 MW機組WFGD煙氣流場的模擬［6］，王旭等對入口位置對噴淋塔流場影響的數(shù)值模擬［7］的結(jié)果可以對脫硫塔的設計起一定的指導作用。但是前人針對大型噴淋塔，特別是600 MW機組，煙氣量達到2×106以上的噴淋塔進行模擬和幾何結(jié)構的設計較少。本文在實驗的基礎上結(jié)合工程實際采用WFGD噴淋塔通用的研究方法，對煙氣入口角、徑高比、出口方式、流體優(yōu)化環(huán)位置這幾種幾何結(jié)構影響的煙氣流場進行模擬，為噴淋塔的幾何尺寸以及塔內(nèi)噴嘴的布置設計提供參考，并為氣液兩相模擬和流場優(yōu)化奠定基礎。

1 模擬對象與方法

1.1 模擬對象

本文依照某600 MW機組WFGD系統(tǒng)的噴淋塔為研究對象，結(jié)構如圖1所示。噴淋塔分為上、下兩個部分，即煙氣流通部分和氨液部分，其中煙氣流通部分為主要反應區(qū)域，帶有SO2的煙氣由煙氣入口進入噴淋塔，在塔內(nèi)向上流動與向下噴淋的氨液充分混合發(fā)生脫硫反應，反應后夾雜液滴的煙氣進入除霧器除去液滴，最后達到排放標準的煙氣從煙氣出口排出噴淋塔進入煙囪。同時回收的氨液可以經(jīng)過氧化反應析出產(chǎn)物(NH4)2SO4。

本文所模擬的噴淋塔幾何參數(shù)有:煙氣入口角，塔徑與煙氣流通高度比，側(cè)出口方式和頂出口方式，流體優(yōu)化環(huán)位置。

1.2 模型假設與簡化

根據(jù)脫硫噴淋塔內(nèi)煙氣流動的實際情況，做如下模型假設:

(1)將煙氣視為不可壓縮牛頓流體;

(2)不考慮塔內(nèi)噴淋管、除霧器等組件對煙氣流場的影響;

(3)入口邊界條件認為來流速度充分發(fā)展且分布均勻;

(4)暫不考慮塔氨液噴淋對煙氣流場的影響。

圖1 脫硫噴淋塔結(jié)構

1.3 計算網(wǎng)格劃分

為了取得更高計算精度，本文采用ICEM商用網(wǎng)格劃分軟件，全部計算區(qū)域采用結(jié)構化網(wǎng)格，圓形塔體采用O型網(wǎng)格劃分策略的結(jié)構化網(wǎng)格。在計算上可以有效的減少網(wǎng)格數(shù)并增加計算精度，經(jīng)過網(wǎng)格無關性討論后，確定總體網(wǎng)格數(shù)量40萬。網(wǎng)格劃分見圖2。

1.4 數(shù)學模型及控制方程

本文進行迭代求解所使用的方法采用有限體積法［8］，建立數(shù)學模型的控制方程包括三維的連續(xù)性方程、動量方程、湍動能k和耗散率ε的兩個輸運方程，它們的通用形式如下:

式中:φ為通用變量，代表不同的求解變量，速度u、v、w;湍動能k;耗散率ε;壓力p;φ=1時方程為連續(xù)性方程;Гφ為廣義擴散系數(shù);Sφ為廣義源相。

圖2 網(wǎng)格劃分

對于噴淋塔內(nèi)復雜的湍流，湍流的流動表示為時均值和脈動值之和，采用由Launder和Spalding［9］提出的標準k–ε模型對時均雷諾項進行封閉［10］。標準k–ε模型是基于Boussinesq假設的渦粘模型，即雷諾應力通過求解渦流粘性μT(湍流粘性)來對流場進行模擬，其中在標準k–ε模型中μT是湍動能k和耗散率ε的函數(shù)。標準k–ε模型的穩(wěn)定性較高，且具有較高的計算精度和較少的計算量，對于脫硫塔尺寸較大、塔內(nèi)煙氣雷諾數(shù)較大的情況下適用。近壁面處選擇標準壁面函數(shù)法進行修正。差分格式采用二階迎風格式，邊界條件為速度入口，壓力出口。

1.5 模擬參數(shù)

采用個人電腦，奔騰雙核E6300處理器，2G內(nèi)存，F(xiàn)LUENT13軟件進行模擬。基本模擬參數(shù)見表1，對比模擬參數(shù)見表2。

表1 基本模擬參數(shù)

表2 對比模擬參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

煙氣入口角是噴淋塔設計中關鍵得幾何參數(shù)。從圖3的煙氣跡線圖可以看出。煙氣由入口進入噴淋塔后，沿右側(cè)壁上升，左側(cè)氣流形成旋渦，其旋渦的大小隨入口角度的增大而增大;在一定的角度范圍內(nèi)，右側(cè)煙氣垂直上升區(qū)域的到大小隨入射角度增大而增大，這是由于煙氣入口角度增大，入射煙氣的切向速度增大，利于旋流擴散，故旋渦縮小，煙氣流動區(qū)域增大，同時對液體層的液面的擾動作用增大。

由圖4高度8 m處水平面速度矢量圖可以看出煙氣在剛剛進入塔后有右側(cè)沖壁現(xiàn)象，這種沖壁現(xiàn)象容易導致表面溫度過高析出晶體，導致脫硫塔結(jié)垢。在右側(cè)壁中心處產(chǎn)生兩個相對的旋轉(zhuǎn)渦流，整個截面中心速度高、兩側(cè)速度低。在該高度，隨著煙氣入口角的增大，煙氣軸向速度增加，分布更加均勻。

圖3 不同煙氣入口角的煙氣跡線圖

圖4 不同煙氣入口角水平速度矢量圖

由圖5平均壓力圖可得到:當煙氣入口角度為7°、10°、15°、20°時空塔壓降分別為116 Pa、121 Pa、126 Pa、138 Pa。前三種入口角差別不大，而20°入口角度的壓降升幅更明顯，壓降的增加導致風機負荷的增加，不利于脫硫經(jīng)濟性。

綜合考慮，隨煙氣入口角的增大有利于脫硫效率，但不利于經(jīng)濟性，選取入口角度15°較合理。

圖5 入口壓力隨煙氣入口角變化

圖6 煙氣高速區(qū)域所占比例

塔徑和塔高是兩個相關的設計噴淋塔的幾何參數(shù)，由圖7可以看出，煙氣進入噴淋塔后煙氣隨著徑高比的增大煙氣流動變化不大，都有較明顯的沖壁現(xiàn)象，在噴淋塔中間高度15 m處截取橫截面得到速度等值線圖，分析軸向的煙氣速度大10 m/s的區(qū)域所占整個區(qū)域的百分比。由圖6中可以得知，在一定范圍內(nèi)隨著噴淋塔徑高比的增加高速煙氣區(qū)域面積縮小，有煙氣聚集現(xiàn)象，造成煙氣短路，不利于脫硫，短路區(qū)域位于噴淋塔右側(cè)，在布置噴淋設備時應做相應考慮。

圖7 不同徑高比的煙氣跡線圖

圖8為不同徑高比噴淋塔截面平均壓力隨高度變化曲線，可以看出，在忽略塔內(nèi)構件的情況下隨著徑高比的增加，在0.487～0.552時，主要區(qū)域壓力隨徑高比增大而增大;在0.552～0.584時，主要區(qū)域壓力隨徑高比增大而減小，且減小的幅度更大。

圖8 不同徑高比壓力隨高度變化

圖9 不同出口方式跡線圖

綜合考慮，噴淋塔徑高比增大的不利于煙氣流場的均勻化，但是徑高比減小，塔內(nèi)壓力增大。徑高比為0.552附近時為更好的選擇。

噴淋塔出口的設計在實際工程中一般分為兩種，側(cè)出和頂出。圖9為不同出口方式的跡線圖，由圖中可以看出頂出口比側(cè)出口的左側(cè)旋渦中心向上偏移，旋渦增大。分析流動形態(tài)可以知頂出口方式相當于拉長了流動區(qū)域，即縮小了塔徑比。對比圖10速度分布圖可以得到相同的結(jié)論，頂出口方式較側(cè)出口方式煙氣速度分布更均勻，曲線峰值無論正負均較小，更不容易出現(xiàn)煙氣短路現(xiàn)象。

圖10 不同出口方式速度分布

圖11 有無流場優(yōu)化環(huán)煙氣跡線圖

在工程實際中小型的脫硫噴淋塔均采用頂出口方式，而大型脫硫塔則普遍采用側(cè)出口方式，主要是因為實際施工和材料的限制，在設計的時候應給予綜合考慮。

為了使煙氣流場流動均勻化，一般采用兩種不同的優(yōu)化構件，即整體優(yōu)化［11-12］(如多孔板或柵格)，和局部優(yōu)化［5］(優(yōu)化環(huán))。本文采用局部優(yōu)化，采用文獻5中的流通截面傾為81%、傾斜角為40°的優(yōu)化環(huán)。從圖11可以看出煙氣流經(jīng)優(yōu)化環(huán)后主流區(qū)域向塔中心偏移，這將有助于煙氣均勻，有利于氣液交換反應。圖12是優(yōu)化環(huán)在塔內(nèi)不同安裝高度的情況下噴淋層下1m處的速度分布，其中位置1、2、3分別對應測速區(qū)下1 m、2 m、3 m。安裝優(yōu)化環(huán)后，速度曲線右側(cè)的峰值向左偏移且有所降低，流場更加均勻。對比位置1、2、3可知位置3曲線在X方向上4 m到2 m處可知位置3和無優(yōu)化環(huán)相似，位置1、2均較均勻呈線性分布，這是由于近壁面處優(yōu)化環(huán)阻礙作用導致的，位置1、2時近壁面處的煙氣流動稀薄不利氣液接觸，所以在布置局部優(yōu)化環(huán)的時候，在條件允許的情況下優(yōu)化環(huán)的安裝距離噴淋液膜區(qū)［13］最好應大于3 m。

圖12 不同流場優(yōu)化環(huán)速度分布

圖13 不同流場優(yōu)化環(huán)速度云圖

由圖13速度云圖可知隨著優(yōu)化環(huán)離液膜區(qū)越來越遠，液膜區(qū)的軸向速度逐漸在截面內(nèi)均勻，速度峰值平緩。左側(cè)回流速度在位置1、2時逐漸減少，即旋渦變小，位置3處旋渦再次增大。這將有利于氨液與煙氣充分接觸，提高脫硫效率。

由圖14塔內(nèi)平均壓力圖可知，隨著位置的降低，即遠離液膜區(qū)，塔內(nèi)壓力降低。

綜合以上分析可知，在無噴淋情況下優(yōu)化環(huán)位置離反應區(qū)越遠，流場越均勻，整體壓力值越低，有利于脫硫系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

圖14 不同流場優(yōu)化環(huán)壓力變化

3 結(jié) 論

(1)隨著煙氣入口角的增大，煙氣流動越均勻，但其壓力損失增大;考慮到氣液反應和能量損失，入口角為15°時較理想。

(2)噴淋塔徑高比的不利于煙氣流場的均勻化，但是徑高比減小，塔內(nèi)壓力增大。徑高比為0.552附近時為更好的選擇。

(3)頂煙氣出口方式相當于減小噴淋塔徑高比，有助于流場均勻。

(4)局部流場優(yōu)化構件可以使流場更加均勻，其安裝距液膜反應區(qū)3 m以上，隨著距離的增加，軸向速度均勻性更好有助于脫硫效率，同時壓降更低，有利于脫硫經(jīng)濟性。

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