范俊俊

(山西威德睦方煤礦設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030001)

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)石化燃料的消耗不斷增加，其在推動(dòng)人類社會(huì)不斷進(jìn)步的同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，特別是煤炭燃料在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵、二氧化硫、二氧化碳等污染物質(zhì)，導(dǎo)致全球氣候變暖、酸雨等，給人類社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。在全球環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)的今天，如何在確保經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)煤炭等石化燃料需求的同時(shí)，降低其在燃燒過程中對(duì)大氣的污染，已經(jīng)成為人類迫切需要研究的課題。本文針對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)鍋爐在燃?xì)馀欧胚^程中對(duì)二氧化硫和粉塵的脫硫除塵效果差、成本高昂的缺點(diǎn)，應(yīng)用FLUENT仿真分析軟件對(duì)鍋爐脫硫除塵的工作流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，并進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，有效地提升了鍋爐脫硫除塵效果。

1 鍋爐脫硫除塵系統(tǒng)工藝流程

本文以某型鍋爐的脫硫除塵系統(tǒng)為研究對(duì)象，其脫硫除塵的工藝流程，如圖1所示[2]。

在該鍋爐脫硫除塵系統(tǒng)中，其主要將氫氧化鈣作為主要脫硫劑，用于對(duì)燃燒時(shí)產(chǎn)生的硫化物進(jìn)行處理，該系統(tǒng)主要包括了脫硫劑的供應(yīng)設(shè)備、煙氣系統(tǒng)電除塵設(shè)備、脫硫灰循環(huán)及排放系統(tǒng)等。

當(dāng)鍋爐內(nèi)的燃料燃燒后的氣體排出鍋爐后，首先經(jīng)過預(yù)除塵裝置的處理，然后由吸收塔的底部逐漸進(jìn)入到吸收塔內(nèi)，在吸收塔內(nèi)與氫氧化鈣等脫硫劑發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化物的吸收。經(jīng)脫硫后的煙塵從吸收塔的頂板排出，進(jìn)入到布袋除塵系統(tǒng)內(nèi)，通過布袋除塵系統(tǒng)收集的粉塵再進(jìn)入到脫硫灰循環(huán)及排放系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)過反復(fù)脫硫循環(huán)后傳輸?shù)矫摿蚧規(guī)?，最后，通過加濕設(shè)備對(duì)其進(jìn)行加濕后外排，煙氣在經(jīng)過脫硫除塵后通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入煙道內(nèi)排放到空氣中。

圖1 脫硫除塵工藝流程圖

2 鍋爐脫硫除塵系統(tǒng)的數(shù)值模擬

當(dāng)煙氣在吸收塔內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其是由煙塵顆粒、水霧及高溫?zé)煔饨M成的固、液、氣相結(jié)合的三維流場(chǎng)，因此，為了對(duì)煙氣在鍋爐內(nèi)的脫硫除塵過程進(jìn)行分析，可利用Fluent流體仿真分析軟件對(duì)其工作過程進(jìn)行仿真分析，在分析時(shí)采用k-ε湍流模型作為分析時(shí)的基準(zhǔn)模型。

以某型鍋爐脫硫除塵裝置為基準(zhǔn)對(duì)象，利用三維建模軟件建立其三維機(jī)構(gòu)模型，其塔身總高為45.6 m，塔身直徑為6.5 m，布袋除塵裝置的高度為14.78 m，將三維模型與FLUENT仿真分析軟件結(jié)合，分別對(duì)脫硫劑不同加入位置情況下脫硫效果的影響進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如148頁圖2、圖3所示。

圖2 脫硫劑從文丘里管下方注入時(shí)SO2的質(zhì)量濃度示意圖

圖3 脫硫劑從文丘里管上方注入時(shí)SO2的質(zhì)量濃度示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)將脫硫劑從文丘里管的上方注入時(shí)，二氧化硫氣體在吸收塔內(nèi)的分布均勻性更高，能更加充分地與脫硫劑進(jìn)行反應(yīng)。這主要是由于，當(dāng)將脫硫劑從文丘里管[3]上方注入時(shí)，對(duì)吸收塔內(nèi)煙塵流場(chǎng)產(chǎn)生偏流作用，其速度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的分布均勻性更好，脫硫劑在吸收塔內(nèi)各處停留時(shí)間基本一致，使其能夠與吸收塔內(nèi)的二氧化硫氣體進(jìn)行充分的接觸，充分地利用吸收塔內(nèi)的空間。

煙塵在鍋爐內(nèi)擴(kuò)散的軌跡，如圖4所示。

圖4 煙塵在脫硫除塵裝置內(nèi)的擴(kuò)散流場(chǎng)示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，煙塵在煙道內(nèi)隨著高度的升高其粉塵含量的濃度逐漸降低，這主要是因?yàn)?，部分煙塵在上升過程中在氣流作用下相互碰撞、結(jié)合，使其體積增加、質(zhì)量增大，在重力作用下逐漸下落[4]。在經(jīng)過布袋除塵裝置后其粉塵質(zhì)量濃度快速地從最初的約600 mg/m3降低為100 mg/m3以下，除塵效果顯著。

通過以上分析可知，進(jìn)行脫硫除塵時(shí)采用從文丘里管上方注入脫硫劑，同時(shí)配合布袋除塵方案，能夠使該鍋爐脫硫除塵效果達(dá)到最佳。

3 吸收塔系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提升鍋爐脫硫除塵的效果，在以上分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，本文提出了以下優(yōu)化方案：

1) 對(duì)吸收塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將脫硫劑的噴管方向設(shè)置為和煙氣流出方向相同，并且設(shè)置到文丘里管的上端，且在四周呈環(huán)形分布，使脫硫劑加入時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化吸收塔內(nèi)的氣流流場(chǎng)，加大煙塵和脫硫劑的接觸時(shí)間和有效接觸面積，進(jìn)一步提升脫硫效率。

2) 脫硫灰循環(huán)及排放系統(tǒng)的優(yōu)化。在現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)期循環(huán)脫灰時(shí)會(huì)導(dǎo)致在循環(huán)通道內(nèi)灰塵的集聚，因此，可在循環(huán)系統(tǒng)的入口位置設(shè)置一個(gè)熱風(fēng)吹入裝置，一方面，提升了循環(huán)灰塵的溫度，避免低溫下的黏結(jié)，另一方面，可以提高循環(huán)灰塵與脫硫劑的反應(yīng)速度，提升循環(huán)脫硫效果。

3) 優(yōu)化噴槍的噴嘴結(jié)構(gòu)。將目前常用的液體單相噴槍更改為氣液雙相噴槍結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行噴淋時(shí)同步通入高壓氣體，進(jìn)一步將液體粉碎化處理，增加霧化效果，提高脫硫效率。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)鍋爐脫硫除塵工作原理的分析，利用FLUENT仿真分析軟件對(duì)脫硫除塵過程進(jìn)行了仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果針對(duì)性地提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，結(jié)果如下。

1) 將脫硫劑從文丘里管上方注入時(shí)的脫硫效果要顯著高于將脫硫劑從文丘里管下方注入時(shí)的脫硫效果。

2) 布袋除塵裝置能夠?qū)⒎蹓m質(zhì)量濃度從600 mg/m3快速降低為100 mg/m3以下，除塵效果顯著。

3) 當(dāng)在進(jìn)行脫硫除塵時(shí)采用從文丘里管上方注入脫硫劑，同時(shí)配合布袋除塵方案，能夠使該鍋爐脫硫除塵效果達(dá)到最優(yōu)。

4) 通過對(duì)吸收塔結(jié)構(gòu)、脫硫灰循環(huán)及排放系統(tǒng)及噴槍的噴嘴結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化均能夠有效地提升鍋爐脫硫除塵系統(tǒng)對(duì)二氧化硫和粉塵的過濾效果。