馬英

摘 要：基于某發(fā)電廠脫硫塔兩爐一塔改為一爐一塔的實(shí)際工程問(wèn)題，通過(guò)吸收塔全尺寸數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)煙氣量減半后吸收塔內(nèi)部煙氣充滿度差且在進(jìn)風(fēng)口上方存在煙氣渦旋，致使脫硫效率低下。針對(duì)吸收塔煙氣進(jìn)口上方存在煙氣稀相區(qū)，大量浪費(fèi)吸收劑致使脫硫效率較低的問(wèn)題，提出在煙氣進(jìn)口上方加裝孔徑為100～150mm、開(kāi)孔率40%的均布板，模擬結(jié)果顯示加裝均布板可以大幅提升吸收區(qū)的煙氣分布均勻性，有效提高脫硫效率。

關(guān)鍵詞：濕法脫硫；吸收塔；煙氣量減半；均布板

某發(fā)電廠2X300MW機(jī)組的脫硫系統(tǒng)吸收塔設(shè)計(jì)之初是一個(gè)吸收塔承擔(dān)兩臺(tái)300MW發(fā)電機(jī)組的煙氣脫硫任務(wù)。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)脫硫效果不佳，個(gè)別工況下脫硫效率甚至低于90%，該發(fā)電廠決定將原先的兩爐一塔改為一爐一塔。由于脫硫塔煙氣處理量減半，煙氣在脫硫塔水平截面內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重分布不均。通過(guò)對(duì)煙氣量減半后的吸收塔內(nèi)氣液兩相流流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析氣流沿吸收塔水平截面的煙氣分布狀況。并針對(duì)吸收塔煙氣進(jìn)口上方存在煙氣稀相區(qū)，提出在煙氣進(jìn)口上方加裝均布板的改造方案，并通過(guò)三維模擬驗(yàn)證改造的有效性。

1 吸收塔幾何模型

本文選取該電廠300MW機(jī)組濕法脫硫吸收塔為研究對(duì)象展開(kāi)全尺寸數(shù)值模擬研究，各部分結(jié)構(gòu)按照實(shí)際尺寸建立幾何模型，以保證最后的計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)際工程具有指導(dǎo)作用。漿液池內(nèi)部區(qū)域不納入計(jì)算區(qū)域，漿液池表面視為靜止液面。為最大減小計(jì)算量，用多孔介質(zhì)模型對(duì)除霧器進(jìn)行等效果簡(jiǎn)化[1]。只考慮其主要管道對(duì)流場(chǎng)的干擾作用，忽略噴嘴的幾何尺寸，噴淋采取指定噴射角度的點(diǎn)噴射，液滴粒徑分布采用均勻粒徑分布代替噴頭的作用[2]。模擬計(jì)算結(jié)果表明以上簡(jiǎn)化可行且有效。

濕法脫硫吸收塔直徑為17m，高度為42.7m，采用離心雙向空心錐型噴嘴，配備2個(gè)屋脊式除霧器，由濕法脫硫吸收塔的煙氣入口截面至出口截面。漿液池不計(jì)在內(nèi)，漿液池的操作液面視為固體壁面，作為計(jì)算域的下邊界。用Solidworks建立幾何模型，圖1為吸收塔和噴淋層三維形狀。對(duì)幾何模型進(jìn)行區(qū)域劃分，對(duì)噴淋層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行以尺寸函數(shù)為引導(dǎo)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，對(duì)煙氣出口區(qū)域根據(jù)預(yù)測(cè)的煙氣流向進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[3]。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性結(jié)果驗(yàn)證后計(jì)算域網(wǎng)格共約100萬(wàn)。

2 模擬邊界設(shè)置

數(shù)值計(jì)算以fluent 軟件為平臺(tái)，采用顯式差分格式，SIMPLE 算法，k-ε雙方程realizable模型求解。模擬中邊界條件設(shè)置如下：

（1）吸收塔入口邊界條件認(rèn)為來(lái)流速度充分發(fā)展且分布均勻，改造前煙氣來(lái)自兩臺(tái)鍋爐，煙氣流速為12m/s，改造后煙氣來(lái)自一臺(tái)鍋爐，煙氣量為6m/s，入口煙氣溫度130攝氏度，入口k 值為來(lái)流速度平均動(dòng)能的0.5%，入口湍流強(qiáng)度：I=0.016（Re）-0.125；

（2）煙氣黏度采用定值：1.9894 ×10-5 kg/（m·s）；

（3）塔及煙道外壁為絕熱邊界，噴淋管外壁溫度取漿液溫度，漿液溫度為50℃；

（4）出口設(shè)置為自由出流邊界條件。

動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程的離散均采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。計(jì)算過(guò)程中，能量離散方程殘差控制在10-6以下，其他方程殘差控制在10-4以下[4]。

3 流量減半改造前問(wèn)題分析

吸收塔進(jìn)口管道以一定角度向下傾斜送風(fēng)，依靠氣流自身擴(kuò)容、擴(kuò)散和慣性作用進(jìn)行氣流分布，但這樣的氣流均布效果是有限的，塔內(nèi)氣流分布依舊很不均勻，入口對(duì)面塔壁一側(cè)局部風(fēng)速過(guò)大，而這部分區(qū)域噴淋的漿液密度小，多為貼壁流，所以造成部分氣流中SO2未完全脫除就被排出，同時(shí)，局部風(fēng)速過(guò)大也會(huì)使得除霧器不能很好的發(fā)揮作用，造成煙囪出口帶液嚴(yán)重的現(xiàn)象，既污染了周圍環(huán)境也浪費(fèi)了吸收劑。

為單獨(dú)分析煙氣量減半前后吸收塔內(nèi)煙氣橫截面上的均勻性的變化，在空塔情況下對(duì)吸收塔進(jìn)行原尺寸模擬，圖2為一爐一塔和二爐一塔（煙氣流速分別6m/s、12m/s）吸收塔空塔模擬結(jié)果流線圖展示。由于二爐一塔煙氣速度大，煙氣剛性大，煙氣沿著吸收塔進(jìn)出口外側(cè)流動(dòng)，但是由于二爐一塔煙氣量為一爐一塔的兩倍，吸收塔內(nèi)部煙氣充滿度比一爐一塔好，由圖2一爐一塔流線圖可以看出，噴淋層下方靠近煙氣進(jìn)口側(cè)煙氣流線較少，說(shuō)明經(jīng)過(guò)該區(qū)域煙氣量較少，導(dǎo)致該區(qū)域脫硫效率極低，其他區(qū)域脫硫負(fù)荷被迫升高。

煙氣量減半后，吸收塔煙氣進(jìn)口上方存在煙氣稀相區(qū)，導(dǎo)致吸收塔內(nèi)局部煙氣速度過(guò)大，脫硫效率低。提出在煙氣進(jìn)口上方加裝孔徑為100–150mm、開(kāi)孔率40%的均布板，使吸收區(qū)的煙氣分布更加均勻。

4 加裝均布板改造效果分析

吸收塔進(jìn)口管道以一定角度向下傾斜送風(fēng)，依靠氣流自身擴(kuò)容、擴(kuò)散和慣性作用進(jìn)行氣流分布，但這樣的氣流均布效果是有限的，塔內(nèi)氣流分布很不均勻，入口對(duì)面塔壁一側(cè)局部風(fēng)速過(guò)大，而這部分區(qū)域噴淋的漿液密度小，多為貼壁流，所以造成部分氣流中SO2未完全脫除就被排出。同時(shí)，局部風(fēng)速過(guò)大和過(guò)小也會(huì)使得除霧器不能很好的發(fā)揮作用，造成煙囪出口帶液嚴(yán)重的現(xiàn)象，既污染了周圍環(huán)境也浪費(fèi)了吸收劑。

針對(duì)該問(wèn)題，采用均布板加以改造，所采用的均布板為圓盤狀，其上開(kāi)有若干圓形孔洞，圓形孔洞分布均勻，孔洞的孔徑100–150mm，開(kāi)孔率40%，安裝在吸收塔煙氣入口正上方1m處。對(duì)安裝均布板之后的吸收塔進(jìn)行數(shù)值模擬，在額定工況下，均布板煙氣壓降為298pa，圖3是均布板下橫截面和均布板上橫截面的速度場(chǎng)比較?？梢钥吹?，經(jīng)過(guò)均布板，速度分布均勻性大幅提高。煙氣在塔內(nèi)的平均停留時(shí)間大幅延長(zhǎng)，脫硫反應(yīng)時(shí)間更加充裕，有利于提高脫硫效率。另一方面，煙氣從入口進(jìn)入塔內(nèi)，通過(guò)均布板的調(diào)節(jié)作用，使得均布裝置上部的塔內(nèi)煙氣能夠均勻分布，有效地減少了局部氣速過(guò)大的問(wèn)題，避免了因氣速過(guò)大或過(guò)小導(dǎo)致的除霧效果不佳的問(wèn)題，提高了除霧效率，減少了吸收液的浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

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[2]展錦程，冉景煜，孫圖星.煙氣脫硫吸收塔反應(yīng)過(guò)程的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2008，28（3）：433-437.

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[4]宋健斐，彭園園，郭本玲，等.循環(huán)流化床煙氣脫硫塔入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)值模擬[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，（10）：2283-2286.