文_郭宗林 呂超 溫佳琪 岳強(qiáng)

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1 設(shè)備改造概況

河北南網(wǎng)某熱電廠2×350MW超臨界供熱機(jī)組，煙氣脫硫（FGD）系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全煙氣石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫塔采用噴淋孔塔技術(shù)，塔內(nèi)設(shè)計(jì)為3層噴淋，脫硫效率不低于95%。

本次脫硫改造項(xiàng)目擬采用串塔工藝，即在原有脫硫塔后增加一臺(tái)二級(jí)吸收塔串聯(lián)運(yùn)行，對(duì)煙氣進(jìn)行深度脫除。

2 CFD數(shù)值模擬技術(shù)

CFD(Computational Fluid Dynamics計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))數(shù)值模擬技術(shù)是計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算求解控制流體流動(dòng)的微分方程，如質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程等，得出流體運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而模擬流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的情況，主要步驟有：建立幾何模型；網(wǎng)格劃分；確定初始及邊界條件；求解控制參數(shù)；處理計(jì)算結(jié)果。其具有試驗(yàn)時(shí)間短，獲取數(shù)據(jù)多，花費(fèi)少的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 湍流模型

現(xiàn)階段湍流數(shù)值模擬模型常用的主要有：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型，本計(jì)算中湍流模型選擇RNG k-ε模型。

2.2 數(shù)值計(jì)算

2.2.1 模型建立

FGD脫硫系統(tǒng)改造工程二級(jí)吸收塔根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建立吸收塔模型，采用空塔噴淋工藝。煙氣進(jìn)入吸收塔分別經(jīng)過(guò)噴淋層、除霧器層后排出。漿液由均勻布置于噴淋層的霧化噴嘴引入，與煙氣逆流，吸收SO2后下落至漿液池。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

本模擬采用ICEM CFD完成了求解區(qū)域的建模與網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格格式劃分。網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到100萬(wàn)左右，所有網(wǎng)格質(zhì)量均在0.6以上，網(wǎng)格精度較高。

2.2.3 初始及邊界條件設(shè)置

（1）因漿液池液面波動(dòng)對(duì)吸收塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)影響較小，所以假設(shè)漿液池為固定平面，不考慮其對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響。

（2）在本模擬過(guò)程中，采用坐標(biāo)噴淋的形式設(shè)置噴嘴，除霧器層采用多孔介質(zhì)，忽略噴淋構(gòu)件對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響。

（3）假定煙氣在煙道截面的流速相等且分布均勻，流向與軸線平行。

（4）將塔內(nèi)及入口煙道壁面視為光滑絕熱壁面。

（5）在理想狀態(tài)下煙氣流動(dòng)參數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)，假定為定常流動(dòng)。

因氣流在塔內(nèi)的傳質(zhì)傳熱過(guò)程較為復(fù)雜，采取上述條件進(jìn)行建模時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)精度造成一定程度的影響，但本模擬過(guò)程主要進(jìn)行定性分析，在保證誤差范圍的同時(shí)，該模型計(jì)算更為簡(jiǎn)便，收斂效果更好。

2.2.4 模型參數(shù)設(shè)置（見(jiàn)表1）

表1 模型參數(shù)設(shè)置

3 模型計(jì)算及分析

為使本模擬煙氣流場(chǎng)更加貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本模擬在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（100%BMCR）工況下分析分別引入2層、3層噴淋后吸收塔內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化情況（見(jiàn)圖1-圖8）。 圖2 3層煙氣速度流線圖

圖1 2層煙氣速度流線圖

圖3 2層噴淋時(shí)縱截面方向速度云圖

圖4 3層噴淋時(shí)縱截面方向速度云圖

圖5 2層噴淋時(shí)橫截面方向速度云圖

圖6 3層噴淋時(shí)橫截面方向速度云圖

圖7 2層噴淋時(shí)縱截面方向壓力分布云圖

圖8 3層噴淋時(shí)縱截面方向壓力分布云圖

通過(guò)模擬可知，100%BMCR引入2層噴淋時(shí)，由于噴淋液的速度較高且噴淋量較大，在噴淋液滴強(qiáng)烈的整流作用下，吸收塔內(nèi)氣流均布效果明顯，除吸收塔沿?zé)煔馊肟谥行奶幩俣壬愿咄猓?nèi)煙氣流場(chǎng)分布基本趨于均勻。流場(chǎng)的均勻分布可使氣液兩相接觸面積增加，有利于相間的傳質(zhì)，噴淋漿液的利用效率和脫硫效率都得到提高。

100%BMCR引入3層噴淋后，由于煙氣入口速度降低，噴淋液滴對(duì)煙氣的作用力強(qiáng)，導(dǎo)致煙氣流在吸收塔入口處分布較集中，吸收塔靠近入口一側(cè)的煙氣流速較遠(yuǎn)離入口一側(cè)稍高，形成較小偏流現(xiàn)象，但整體來(lái)說(shuō)，煙氣流分布效果比較理想，可滿足吸收塔氣流均勻分布的要求。煙氣流由于受漿液滴的影響，在吸收段造成較強(qiáng)烈的湍流區(qū)域，與引入2層噴淋相比，煙氣波動(dòng)較大，氣液兩相的湍流強(qiáng)度增加。湍流強(qiáng)度增加可使氣液兩相接觸面積增加，有利于相間傳質(zhì)，但同時(shí)造成了橫截面處速度分布情況變差，橫截面上的標(biāo)準(zhǔn)速度偏差為1.343（噴淋層下1m處）/0.522（除霧器處）較引入2層噴淋時(shí)的1.231（噴淋層下1m處）/0.452（除霧器處）大。

在100%BMCR引入不同噴淋層后，在噴淋對(duì)氣相進(jìn)行強(qiáng)烈的整流后，煙氣在同一高度層的各點(diǎn)上的壓力被均勻化，塔內(nèi)壓降達(dá)到1170～1420Pa左右。

4 結(jié)論

本模擬運(yùn)用CFD軟件100%BMCR下， 吸收塔內(nèi)引入2層噴淋和3層噴淋時(shí)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬由模擬結(jié)果可知。

（1）引入噴淋層后，在噴淋液滴的整流作用下，吸收塔內(nèi)氣流均布效果明顯，橫截面方向上的速度偏差較小，煙氣速度分布明顯均勻化。

（2）在噴淋層數(shù)的增加時(shí)，湍流程度加劇，雖對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)分布產(chǎn)生一定的影響，但其整體分布效果比較理想，滿足塔內(nèi)氣流均布要求，有利于提高脫硫效率。