作者/魏新，大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司大唐電力設(shè)計(jì)研究院

脫硫吸收塔出口形式流場分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

作者/魏新，大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司大唐電力設(shè)計(jì)研究院

脫硫吸收塔的結(jié)構(gòu)型式對塔內(nèi)煙氣流場分布影響大，進(jìn)而影響系統(tǒng)的煙氣阻力、脫硫效率及除塵除霧效果。本文以張家口電廠8#機(jī)脫硫吸收塔為例，對吸收塔出口形式流場進(jìn)行研究分析并優(yōu)化，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

吸收塔；出口形式；流場分析

引言

吸收塔作為脫硫系統(tǒng)的核心部件，其結(jié)構(gòu)型式對塔內(nèi)煙氣流場分布影響較大，進(jìn)而會影響脫硫系統(tǒng)的性能。塔內(nèi)煙氣流速分布均勻性越好，脫硫效率越高，除霧器能發(fā)揮最佳性能，對出口霧滴分離、附加除塵效果越好。

張家口8#機(jī)原脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)采用側(cè)排的方式，煙氣出口扁而寬（見下圖所示），此種結(jié)構(gòu)出口造成煙氣流場分布均勻性較差。對出口進(jìn)行優(yōu)化，塔頂做個變徑錐段，從錐段上引出煙氣出口，此種結(jié)構(gòu)煙氣流過時可以平穩(wěn)過度，使得煙氣流場均勻性較好。本研究對優(yōu)化的煙氣出口型式與原出口型式進(jìn)行煙氣流場CFD對比模擬，以驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)越性。

1.CFD軟件及湍流模型

數(shù)值模擬采用的軟件是CFD軟件ANSYS/FLOTRAN。FLOTRAN CFD采用的離散化方法是有限元法，它提供了兩種流體單元：FLUID 141和FLUID142， FLUID 141單元是二維四節(jié)點(diǎn)四邊形或三節(jié)點(diǎn)三角形單元，F(xiàn)LUID 142單元是三維四節(jié)點(diǎn)四面體或八節(jié)點(diǎn)六面體單元。這兩種流體單元都具有多個自由度。

FLOTRAN提供了多種湍流模型，如零方程湍流模型、標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型、RNG湍流模型、NKE湍流模型和GIR湍流模型等，且這些湍流模型均是渦粘模型。其中，零方程湍流模型是最簡單和最快的湍流模型，但它只適用于幾何形狀和流動特征都相對簡單的問題；標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型是默認(rèn)的湍流模型，它通常能提供流動的真實(shí)情況，能用于計(jì)算管道和通道中的湍流流動。

對于脫硫吸收塔內(nèi)三維煙氣流動，采用FLUID 142三維流體單元，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。

2.模擬域

研究塔內(nèi)煙氣流場分布必須模擬三維流場，模擬域?yàn)槲账肟谥脸隹谔幍臒煔饬鲃臃秶?，塔?nèi)為漿液液面以上部分，在ANSYS中建立流場模型，分別對這兩種出口型式進(jìn)行三維建模流場模擬：原吸收塔煙氣出口型式較為扁平，水平方向的寬度與吸收塔的橫截面直徑一致，而推薦優(yōu)化后的出口型式則是在吸收塔頂部設(shè)置一個圓錐段，在錐段上水平開口，相對原吸收塔出口型式，推薦優(yōu)化后的開口在維持煙道出口截面面積不變的前提下，在水平方向收縮，同時高度方向加高，具體變化如圖1、2所示（為了便于觀察，采用2個角度視圖顯示）。

圖1 原吸收塔煙氣出口型式的煙氣流場模擬域

圖2 推薦優(yōu)化的煙氣出口型式的煙氣流場模擬域

3.分析結(jié)果

■3.1原吸收塔煙氣出口型式

出口煙道截面積一致的前提下，采用這種出口型式，則吸收塔出口煙道煙氣流速最小為0（表明該區(qū)域煙氣基本不流通），而且流速接近0的區(qū)域較大（在與吸收塔出口正對的那一面深藍(lán)色區(qū)域），最大為22.374m/s（靠近吸收塔出口側(cè)面），總體上這種型式下吸收塔出口區(qū)域的流場不均勻性較大。如圖3所示。

圖3 原出口型式的煙氣流場速度矢量分布云圖（煙氣出口區(qū)）

■3.2 推薦優(yōu)化的煙氣出口型式

出口煙道截面積一致的前提下，采用這種出口型式，則吸收塔出口煙道煙氣流速最小為0（表明該區(qū)域煙氣基本不流通），而且流速接近0的區(qū)域較?。ㄔ谂c吸收塔出口正對的那一面圓錐與直段相交的深藍(lán)色區(qū)域），流速最大為17.905m/s（靠近吸收塔出口底面的較大范圍），相對于上一種型式，流場不均勻性較小，再加上最高流速與最低流速相差較小，因此可以確定，這種型式的流場更加均勻。如圖4所示。

4.結(jié)語

從上述分析結(jié)果可見，吸收塔原煙氣出口型式氣流分布均勻性較差，煙氣出口區(qū)背面塔頂角度較小，流速極低（氣流死區(qū)）的范圍較大，出口截面上由于速度分布不均勻，最大氣速達(dá)到了22.374m/s。

推薦優(yōu)化的煙氣出口型式氣流分布均勻性比原出口型式好，煙氣出口區(qū)背面塔頂角度較大，流速極低（氣流死區(qū)）的范圍很小，整個出口區(qū)域流速過度比較平穩(wěn)，出口截面上最大氣速達(dá)為17.905m/s。

圖4 推薦優(yōu)化的出口型式的煙氣流場速度矢量分布云圖（煙氣出口區(qū)）

由此可見，優(yōu)化改造的煙氣出口型式比原出口型式煙氣流場均勻度要好，采用優(yōu)化的出口型式，可以為吸收塔及除霧器發(fā)揮最佳性能創(chuàng)造更加有利的條件，從而能最大限度地降低吸收塔出口粉塵含量。

* [1]孟煒，單新宇，魏宗新，鄭傳祥.大型脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與設(shè)計(jì)[J]化工裝備技術(shù)，2015年8月，第36卷第4期.

* [2]李天，孫永勝.高塔型煙氣脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)動力特性分析[J]鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2007，28（2）：64～67.

* [3]杜云貴，鄧佳佳，馮治云等.濕法煙氣脫硫塔設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]環(huán)境工程，2010，28（2）：69～71.

* [4]李明惠，時文忠，劉德宏等.大直徑薄壁大開孔塔結(jié)構(gòu)的有限元分析[J]壓力容器，2005，22（2）：14～17.