趙大周，鄭文廣，何　勝，劉　博（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

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基于CFD的脫硫塔內(nèi)部流場優(yōu)化

趙大周，鄭文廣，何勝，劉博
（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

摘要：建立了三維脫硫塔數(shù)值模型，模擬研究了托盤及雨披環(huán)對塔內(nèi)流動的影響，結(jié)果表明：托盤能夠有效改善塔內(nèi)流場，利于脫硫反應(yīng)的進行，使脫硫效率增大，但是會增大系統(tǒng)壓降。雨披環(huán)可以有效減少煙氣沿壁面的逃逸，系統(tǒng)壓降略有增大。

關(guān)鍵詞：脫硫塔；托盤；雨披環(huán)；流場

0　引言

脫硫系統(tǒng)經(jīng)過近20年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，成為我國大型火電廠的一個重要組成部分，為我國的環(huán)保事業(yè)做出了巨大的貢獻[1]。但是，隨著國家對環(huán)保方面的要求越來越高[2]，部分傳統(tǒng)的火電廠脫硫系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)今的環(huán)保標準，脫硫塔的優(yōu)化構(gòu)件改造成為了一個重要的解決方案。數(shù)值模擬因具有簡便、快捷、高效等優(yōu)點因而被廣泛的應(yīng)用[3-4]，為工程設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

本文采用計算流體力學(xué)Fluent對脫硫塔內(nèi)托盤、雨披環(huán)兩種種比較常見的流場優(yōu)化構(gòu)件進行模擬比較分析。

1　模型的建立

1.1模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文根據(jù)現(xiàn)場施工圖，按照1∶1的比例利用GAMBIT軟件建模并進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格使用的是結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化組成的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為100萬，如圖2所示。

1.2假設(shè)與簡化

本文在模擬計算時對脫硫塔模型、以及其內(nèi)部煙氣的流動、漿液與煙氣之間兩相流動做了如下假設(shè)與簡化[5，6]：

（1）將煙氣視為不可壓縮流動。

（2）將液滴作剛性球體考慮，不考慮漿液液滴之間的碰撞、破碎和并聚。

（3）忽略塔內(nèi)噴淋管等部件對流場的影響。

（4）計算區(qū)域僅考慮漿液池以上的部位。

2　數(shù)學(xué)模型

選用標準k-ε模型描述脫硫塔內(nèi)煙氣的湍流流動，反應(yīng)器內(nèi)的托盤以及除霧器用多孔介質(zhì)模型代替，本文的液滴運動采用拉格朗日離散相模型來描[8，9]，采用隨機漫步模型（Discrete Random Walk，DRW）來修正塔內(nèi)湍流流動對液滴運動的影響。液滴在塔內(nèi)的受力只考慮曳力和重力的作用。

3　模擬結(jié)果與分析

3.1托盤分析

托盤又稱多孔板，是一種布滿很多圓孔的圓形薄板，煙氣和液滴可以從其中的圓孔中穿過，托盤一般安裝在在脫硫塔煙道入口的上方。托盤作為流場優(yōu)化構(gòu)件的作用主要體現(xiàn)在兩方面：一方面對塔內(nèi)流場進行整流達到改善流場的作用，從而使得氣液混合更加均勻有利于脫硫反應(yīng)的進行；另一方面向下噴淋的液滴與托盤會發(fā)生碰撞、破碎、反彈等作用，從而增加了塔內(nèi)的持液時間，使得氣液充分反應(yīng)，從而提高脫硫效率。加托盤前后脫硫塔內(nèi)部截面速度分布圖如圖3所示。

通過對比圖3a）和圖3b）可以看出，經(jīng)過托盤的整流作用，塔內(nèi)速度場的高速漩渦區(qū)消失，塔內(nèi)流場更加均勻。

圖4給出了加托盤前后的塔內(nèi)截面壓力云圖，由圖可知，經(jīng)過托盤的整流作用，塔內(nèi)的壓降有所增大，約有150Pa。

3.2雨披環(huán)分析

雨披環(huán)是一種安裝在塔壁四周的環(huán)狀優(yōu)化構(gòu)件，與塔壁呈一定角度，它可以有效的減少煙氣沿著壁面的逃逸量，傳統(tǒng)的脫硫塔進行脫硫過程中，由于塔壁區(qū)域噴淋漿液的覆蓋率不高，容易形成噴淋盲區(qū)，使得煙氣沿塔壁向上逃逸從而降低了脫硫效率。圖5為雨披環(huán)安裝位置及結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是加雨披環(huán)前后的塔內(nèi)煙氣跡線圖，從圖中可以清晰的看出煙氣從入口到出口的流動軌跡，在圖6a）中煙氣沿著塔的高度方向流動，部分煙氣的運動軌跡是貼著塔壁上升，這些煙氣沿塔壁逃逸，逃脫與噴淋漿液的接觸，從而影響到煙氣整體的脫硫效率，而在圖6b）中，由于雨披環(huán)的阻擋作用，煙氣上升過程中在雨披環(huán)附近發(fā)生了繞流現(xiàn)象，從而使得全部煙氣都可以與噴淋漿液進行接觸反應(yīng)，減少了煙氣貼壁逃逸，在一定程度上提高了脫硫效率。

然而由于雨披環(huán)形狀結(jié)構(gòu)較小，僅對貼壁的煙氣流動產(chǎn)生一定影響，因此加雨披環(huán)以后整個系統(tǒng)增加的阻力不大，約20Pa，圖7加雨披環(huán)前后塔內(nèi)截面壓力分布云圖。

4　結(jié)語

本文通過Fluent軟件對脫硫塔內(nèi)兩種流場優(yōu)化構(gòu)件進行比較分析，通過模擬研究可以得出結(jié)論：托盤、雨披環(huán)對于脫硫塔內(nèi)部流場的優(yōu)化都有著各自的作用。其中，托盤主要針對于整體流場的優(yōu)化，可以有效的提高脫硫效率，但是相應(yīng)的壓降較大，造成風(fēng)機能耗增加；雨披環(huán)主要針對于沿壁面逃逸的煙氣，產(chǎn)生的壓降較小，對于噴淋的壁面盲區(qū)具有特定的效果，一定程度上提高了脫硫效率。

參考文獻：

[1]禾志強，祁利明，張銘，等.濕法脫硫系統(tǒng)優(yōu)化運行[J].鍋爐技術(shù)，2014，45（1）：72～75.

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[7]王福軍.計算流體動力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社有限公司，2004.

[8]王翱，宋薔，姚強.脫硫塔內(nèi)單液滴捕集顆粒物的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報，2014，（9）：045.

修回日期：2015-12-11

Optimization of Flow Field in the Desulfurizer Tower Based on CFD

ZHAO Da-zhou，ZHENG Wen-guang，HE Sheng，LIU Bo
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Abstract：A three dimensional numerical model of desulfurization tower was established. The influence of perforated plate and poncho ring on flow field was simulated. The result show that，the perforated plate can improve the flow field of tower efficiently and good for desulfurization reaction，also increase the efficiency of flue gas desulfurization. But it will increase pressure drop of the system. The Poncho ring can reduce gas escape along the wall effectively，the pressure drop increased slightly.

Key words：desulfurization tower；perforated plate；poncho ring；flow field

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：趙大周（1990-），男，山東棗莊人，碩士，研究方向：燃煤電廠大氣污染物的控制。

中圖分類號：X701.3

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0035-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.008