薛景巖，陳 陣，丁艷軍

（1.國家電力投資集團有限公司，北京 100029；2.清華大學能源與動力工程系，北京 100084）

煤炭是我國當前最重要的一次性能源，而且在未來較長一段時間內(nèi)都將會占據(jù)重要地位。我國煤炭利用以直接燃燒為主，排放了大量污染物，主要包括SO2、NOx、顆粒物、重金屬和有機物等[1]。近年來，我國大氣污染物排放水平正在逐漸降低，但環(huán)境問題依然嚴重，燃煤過程仍是主要污染源[2]。濕法脫硫系統(tǒng)是處理燃煤煙氣最常用設備之一，在當前我國燃煤煙氣超低排放的治理背景下，超低排放改造后脫硫系統(tǒng)運行成本高是亟需解決的重要問題[3]。

由于濕法脫硫噴淋塔的結(jié)構比較大，而且為單側(cè)進氣，所以很容易產(chǎn)生煙氣偏流現(xiàn)象，塔內(nèi)液氣比分布不均勻，導致脫硫漿液利用率低以及煙氣逃逸等問題[4]。通過改變脫硫系統(tǒng)反應器內(nèi)部結(jié)構，組織氣-液兩相流場，可以起到改善氣液接觸條件的作用[4-5]。例如，為了解決脫硫噴淋塔內(nèi)煙氣偏流和氣液傳質(zhì)效果差的問題，在噴淋塔內(nèi)增加了多孔托盤，在一定程度上改善了噴淋塔內(nèi)氣液接觸條件，提高了脫硫效率[5]。但是在實際操作中，一般需要雙塔串聯(lián)或者單塔雙循環(huán)的方法才能滿足超低排放的要求，運行成本較高。張開元[6]提出了一種旋匯耦合裝置，安裝于噴淋層下方，煙氣和漿液在該裝置內(nèi)形成一種劇烈的旋轉(zhuǎn)翻騰流動狀態(tài)，起到了強化傳質(zhì)過程的作用。而在實際過程中，旋匯耦合裝置對鍋爐運行負荷變動的適應性差，難以實現(xiàn)超低排放穩(wěn)定運行。

本文在脫硫塔入口段增設導流板，組織噴淋塔內(nèi)氣相流場，可避免偏流現(xiàn)象，從而改善塔內(nèi)液氣比分布的均勻性與氣液接觸條件，在提升脫硫效果的同時，控制或者降低系統(tǒng)阻力。

1 數(shù)值計算方法

圖1為煙氣偏流現(xiàn)象與導流板式噴淋塔。

圖1 煙氣偏流現(xiàn)象與導流板式噴淋塔Fig.1 The flue gas deviation and the spraying tower equipped with deflectors

本文采用數(shù)值計算的方法，對噴淋塔內(nèi)氣液流動與脫硫過程進行分析，考察導流板對塔內(nèi)流場分布與脫硫效率、系統(tǒng)阻力的影響規(guī)律。濕法脫硫系統(tǒng)的運行過程包括SO2吸收、反應、中和、氧化和結(jié)晶等過程，屬于多相流動耦合傳熱傳質(zhì)和化學反應的復雜過程[7-8]。

噴淋塔內(nèi)氣液兩相流動中煙氣為連續(xù)的攜帶相，采用歐拉方法描述，其控制方程與單相流動方程類似，只是需要在源項上加入液滴運動對連續(xù)相的影響。離散相的顆粒即漿液液滴，運動軌跡可以通過拉格朗日方法進行計算。流場中液滴主要受浮力、重力和曳力作用，忽略其他作用力，由曳力引起的氣相/液相的動量源項可以表示為

式中，Smon、m和v分別表示動量源項、質(zhì)量和速度，下標g 和d 分別代表氣相與液滴。

式中，F(xiàn)D為曳力，CD為曳力系數(shù)[9]，μ、р和d分別為運動黏度、密度和粒徑，Re為雷諾數(shù)。

噴淋塔內(nèi)液滴粒徑為2～3 mm，可以認為液滴內(nèi)溫度均勻分布，同時忽略輻射傳熱過程以及液滴中水分的蒸發(fā)和冷凝過程，因此相間傳熱過程僅包括對流換熱，相應的能量源項表達式為

式中，Sen、h、A和T分別表示能量源項、相間對流換熱系數(shù)、表面積和溫度，對流換熱系數(shù)h可以根據(jù)Ranz 和Marshal 提出的經(jīng)驗關系式進行計算[10]。

SO2的吸收過程可根據(jù)雙膜理論[4]建立求解模型。在雙膜理論中，氣液交界面兩側(cè)存在液膜和氣膜。SO2組分在濃度梯度的驅(qū)動下擴散至氣液交界面，溶于液膜，并與液相中的石灰石發(fā)生反應。由于化學反應過程很快，所以SO2的吸收過程為氣膜控制，主要取決于在氣液交界面的傳質(zhì)過程。根據(jù)雙膜理論，相界面的SO2質(zhì)量源項等于SO2的傳質(zhì)速率，其表達式為

總傳質(zhì)系數(shù)K與氣膜、液膜中SO2的傳質(zhì)系數(shù)有關[12]，其表達式為

式中，kg和kl分別為膜、液膜中SO2的傳質(zhì)系數(shù)，E為增強因子[13]。

氣膜側(cè)傳質(zhì)系數(shù)通過計算舍伍德數(shù)求解[14]

式中，Sh、Sc分別為舍伍德數(shù)和施密特數(shù)，D為擴散系數(shù)，R為通用氣體常數(shù)。

液膜側(cè)傳質(zhì)系統(tǒng)通過經(jīng)驗公式進行計算[15]：

式中、分別為中間系數(shù)與表面張力。

2 物理模型與邊界條件

以某660 MW 燃煤機組鍋爐的濕法脫硫系統(tǒng)為例，其噴淋塔幾何模型與網(wǎng)格劃分如圖2所示。塔體內(nèi)徑16.4 m，高40.7 m，包括4 層噴淋層、2 層屋脊式除霧器，設計脫硫效率為82.2%，設計系統(tǒng)阻力為1 613 Pa，設計參數(shù)見表1。

圖2 原噴淋塔幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.2 The geometric model and mesh generation of the original spraying tower

表1 660 MW 機組脫硫系統(tǒng)噴淋塔設計參數(shù)Tab.1 The design parameters of the wet FGD spraying tower in a 660 MW unit

由于塔體尺寸較大，內(nèi)部安裝有多種構件，屬于結(jié)構復雜幾何體，采用六面體結(jié)構進行網(wǎng)格劃分。以實際脫硫塔液面高度為計算區(qū)域底面；簡化噴淋層結(jié)構，只考慮噴淋支管對塔內(nèi)流場的影響；忽略噴淋塔內(nèi)導流環(huán)的影響，托盤和除霧器采用多孔介質(zhì)模型處理，網(wǎng)格劃分時不做單獨處理（圖2）。

進行模擬計算時，采取逐個加入噴淋點的方式對噴淋過程進行處理，選擇中空-錐形噴淋模型，噴淋位置、擴張角度、流量、粒徑分布等參數(shù)參考實際脫硫塔設計條件設定。噴淋液滴粒徑分布服從Rosin-Rammler 分布，平均粒徑為2.5 mm。采用隨機漫步模型（discrete random walk model）近似處理氣相湍流對顆粒運動的影響；滴液設定為多組分顆粒，包括水分和SO2，不考慮水分的凝結(jié)與揮發(fā)過程。

噴淋塔內(nèi)除霧器和托盤對流場的影響，采用階躍型多孔介質(zhì)模型進行簡化處理。階躍型多孔介質(zhì)模型中，多孔介質(zhì)假設為一定厚度的“阻力膜”。多孔介質(zhì)的阻力主要包括達西定律決定的阻力損失和慣性損失，表達式為

式中ΔP、α和分別為阻力、開孔率和厚度。

除霧器和多孔托盤的阻力系數(shù)可根據(jù)不同風速下的多孔介質(zhì)阻力試驗測試結(jié)果確定。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗證

選擇與入口方向平行的豎直剖面考察塔內(nèi)流動與組分分布狀態(tài)，原塔模擬計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：塔內(nèi)煙氣偏流現(xiàn)象明顯，靠近入口側(cè)煙氣速度較高；入口離散顆粒物（DPM）質(zhì)量濃度分布呈明顯的干濕分界面；阻力損失主要發(fā)生在噴淋區(qū)和兩層除霧器附近；煙氣進入噴淋塔與漿液接觸后，溫度梯度較高，氣液兩相很快達到熱平衡狀態(tài)，最終與漿液溫度接近（322 K）。

圖3 原塔內(nèi)流場分布Fig.3 The flow field distribution inside the original spraying tower

模擬計算得到原噴淋塔入口脫硫效率和系統(tǒng)阻力分別為82.3%、1 617 Pa，與脫硫塔設計值82.2%、1 613 Pa 接近，驗證了基于雙模理論所建立的脫硫模型準確、有效。

3.2 導流板設計方案

在原噴淋塔內(nèi)加入不同設計方式的導流板，設計方案如圖4所示。原噴淋塔為Case 1，分別添加2、3、4、5 塊折板型導流板。導流板尺寸從噴淋塔入口向內(nèi)逐漸增加，上、下頁導流板夾角基本不變，導流板結(jié)構參數(shù)見表2。導流板間距為l，上、下頁導流板剖面長度分別為a和b，夾角為θ。

圖4 脫硫噴淋塔內(nèi)導流板設計方案Fig.4 The design schemes of the deflectors in wet FGD spraying tower of the 660 MW unit

表2 導流板參數(shù)設置Tab.2 Parameters setting for the deflectors

為比較4 種導流板設計方案的均流效果，對噴淋塔內(nèi)流場進行模擬計算。采用六面體結(jié)構對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，4 種設計方案中，網(wǎng)格個數(shù)為2.07×106～2.34×106。圖5為加入4 塊導流板后噴淋塔結(jié)構與網(wǎng)格劃分示意。

圖5 加入導流板后的噴淋塔幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.5 The geometric model and mesh generation of the wet FGD spraying tower equipped with deflectors

計算區(qū)域內(nèi)，導流板設置為內(nèi)部壁面，顆粒與導流板接觸后響應方式為顆粒逃逸，不再納入計算過程，忽略液滴在導流板壁面上的聚集過程與導流板上液膜的脫硫作用。該計算過程中的簡化處理方法與參數(shù)設置與第2 節(jié)中SO2吸收模型驗證過程一致。模擬計算得到原噴淋塔（Case 1）與加入不同結(jié)構參數(shù)導流板后的噴淋塔（Case 2—Case 5）的脫硫效率與系統(tǒng)阻力如圖6所示。

圖6 不同導流板方案脫硫效率及系統(tǒng)阻力ΔPFig.6 The desulfurization efficiency and system resistance ΔP with different deflector structures

由圖6可以看出：加入3 塊導流板后（Case 3），系統(tǒng)阻力最低（1 573 Pa），相比原塔降低了44 Pa，但脫硫效率比原塔降低了1.4%（脫除效率提升幅度的絕對量，下同）；加入4 塊導流板后（Case 4），脫硫效率最高87.1%，比原塔高4.9%，同時系統(tǒng)阻力與原塔相當（僅提高了5 Pa）。因此，在當前導流板的設計參數(shù)下，加入4 塊導流板脫硫提效作用最為顯著，同時有效控制了噴淋塔的系統(tǒng)阻力。

選擇噴淋下方與入口方向平行的截面（22 m），對比Case 1 與Case 4 速度分布、DPM 質(zhì)量濃度及及SO2質(zhì)量分數(shù)分布變化趨勢，結(jié)果如圖7所示。

圖7 流場與DPM 質(zhì)量濃度和SO2 質(zhì)量分數(shù)分布Fig.7 The distribution of flow field and mass concentrations of DPM and mass fractions of SO2

由圖7可見：不加導流板時，靠近噴淋塔入口側(cè)壁面處煙氣速度較高，最高煙氣速度約為15 m/s；加入4 塊導流板后，最高煙氣速度降低至12.5 m/s以下，說明煙氣偏流問題得到一定程度的緩解。

4 結(jié) 論

1）本文基于歐拉-拉格朗日模型和雙膜理論建立的噴淋塔內(nèi)多相流動與化學反應計算模型。并驗證了模型的準確性。

2）針對某660 MW 機組濕法脫硫噴淋塔設計了4 種不同結(jié)構的導流板。模擬計算得到，在一定條件下，加入4 塊導流板后，脫硫效率提升效果最為明顯，脫硫效率由82.2%升至87.1%，同時系統(tǒng)阻力與原塔接近?？梢姡诿摿蛳到y(tǒng)噴淋塔入口處適當增加導流板，可緩解脫硫塔內(nèi)煙氣偏流現(xiàn)象，提高液氣比分布均勻性，從而增強脫硫效果，同時降低或控制了噴淋塔阻力損失。