CFD分析在煙氣脫硫中的實(shí)際運(yùn)用與研究

饒益龍

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

CFD分析在煙氣脫硫中的實(shí)際運(yùn)用與研究

饒益龍

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

為降低某公司燒結(jié)機(jī)干法脫硫裝置煙道阻力，減少引風(fēng)機(jī)出力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件，對(duì)引風(fēng)機(jī)出口煙道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行煙道的優(yōu)化改造。改造后，吸收塔入口負(fù)壓由-200Pa提升至-560Pa，風(fēng)機(jī)電流由328A降為301.4A，節(jié)能降耗顯著。

煙道;節(jié)能降耗;CFD;數(shù)值分析;優(yōu)化改造

1 引言

某煉鐵廠495m2燒結(jié)機(jī)的全煙氣脫硫項(xiàng)目采用LJS燒結(jié)煙氣干法脫硫及多組分污染物協(xié)同凈化工藝。項(xiàng)目運(yùn)行脫硫效率在95%以上，SO2排放濃度低于100mg/Nm3，粉塵排放濃度低于20mg/Nm3，整體運(yùn)行良好。但由于干法脫硫系統(tǒng)布置在燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)機(jī)出口煙道至煙囪間，場(chǎng)地較為緊張，引風(fēng)機(jī)出口煙道直插入原有煙道，形成異形段，同時(shí)由于實(shí)際運(yùn)行煙氣量比設(shè)計(jì)值偏高，從而導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)出力增大，電流偏高的狀況。運(yùn)用CFD軟件對(duì)引風(fēng)機(jī)出口煙道進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)煙道進(jìn)行優(yōu)化改造，最后在實(shí)踐中取得了顯著效果。

2 網(wǎng)格模型建立及計(jì)算參數(shù)

圖1為利用Gambit軟件繪制引風(fēng)機(jī)出口煙道的模型圖，模擬選擇從引風(fēng)機(jī)出口至煙囪60m高處，并包括了風(fēng)擋處的盲腸段。

圖1中的截面1和截面2將作為數(shù)據(jù)采集面，通過(guò)分析兩截面及進(jìn)出口面的數(shù)據(jù)從而得到各段煙道的壓力降。煙道入口方圓節(jié)圓截面尺寸為φ5.62m，整體煙道尺寸為5m×5m，出口煙囪為鋼煙囪，直徑為φ5.35m，總長(zhǎng)度約為135m，根據(jù)實(shí)測(cè)煙氣流量數(shù)據(jù)，確定煙道入口流速約為24.2m/s，煙氣密度為0.986kg/m3，煙氣溫度為75℃。

為保證計(jì)算精度，并綜合考慮網(wǎng)格劃分的各方面因素，對(duì)不規(guī)則異形段煙道采用混合網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，避免了完全利用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格式劃分困難的問(wèn)題，同時(shí)又保證了網(wǎng)格數(shù)量。該區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到38萬(wàn)個(gè)，而對(duì)規(guī)則煙道，則采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（六面體網(wǎng)格）進(jìn)行劃分。最終建立的煙道模型的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到113萬(wàn)個(gè)。

圖1 某鋼廠引風(fēng)機(jī)出口煙道模型

3 流動(dòng)控制模型的選擇

根據(jù)流體理論，煙道內(nèi)的流動(dòng)是三維湍流問(wèn)題。由于湍流的復(fù)雜性，通常需要借助合適的湍流模型，由于煙道內(nèi)存在一定的回流及旋流，且計(jì)算區(qū)域較多，本文采用應(yīng)用較多的 標(biāo)準(zhǔn)模型。其控制方程如下：

（1）連續(xù)性方程：

（2）動(dòng)量方程：

（3）能量方程：

（4）湍動(dòng)能與耗散率方程：

4 邊界條件

數(shù)值分析選擇連續(xù)相模型及顯示差分格式，采用SIMPLE算法求解κ-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，模擬分析煙道內(nèi)速度壓力分布情況。入口邊界條件采用速度入口，邊界入口速度為24.2m/s，入口κ值和ε值按公式求得；出口截面為壓力出口，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，出口壓力設(shè)定為-500Pa，煙道壁面視為絕熱壁面，對(duì)與壁面附近的區(qū)域，采用壁面函數(shù)法修正。

5 煙道模擬結(jié)果分析及優(yōu)化

（1）煙道運(yùn)動(dòng)軌跡分析

煙氣在煙道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡流線如圖2、3所示。圖2為截面1至截面2之間的煙道流場(chǎng)放大圖。煙氣以24.2m/s的速度進(jìn)入煙道后，在引風(fēng)機(jī)出口煙道內(nèi)流場(chǎng)相對(duì)較為均勻，流線平穩(wěn)；當(dāng)煙氣進(jìn)入原有煙道后由于直插式異形段，煙氣會(huì)沖撞到煙道壁板（如圖3），然后沿著壁板進(jìn)入煙囪，最后在煙囪內(nèi)螺旋上升，同時(shí)也會(huì)在煙囪底部形成旋流。

圖2 煙道運(yùn)動(dòng)軌跡流線圖

圖3 截面1至截面2段放大圖

（2）壓力分析

圖4為如圖1所示選取截面的壓力分布云圖，比較各截面壓力可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口面至截面1之間長(zhǎng)達(dá)60多米的煙道壓力降并不是太大，要小于100Pa，而截面1至截面2之間異形段的壓力將很大，不低于700Pa，異形段產(chǎn)生了很大的局部阻力，從截面2至煙囪出口面之間的煙囪屬于直管段，其壓力降相對(duì)較低。

表1為各個(gè)截面的平均壓力速度值。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，從入口面至截面1段壓力降為73Pa，從截面1至截面2段壓力降為835Pa，從截面2至出口面的煙道段的壓力降為90Pa。由此可知，異形段產(chǎn)生的局部阻力是增大煙道阻力的主要原因，也是改善煙道壓力降的著手點(diǎn)。

表1 煙道選取截面的平均壓力、速度值

圖4 各截面壓力云圖

圖5 截面1至截面2異形段改造后模型示意圖

（3）優(yōu)化措施及效果

為降低煙道壓降，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)多種不同的優(yōu)化方案進(jìn)行模擬研究，最終確定的最佳優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5為截面1至截面2異形段改造后模型示意圖。由圖5可見(jiàn)，對(duì)異形段的改造主要包括：1）將引風(fēng)機(jī)出口煙道直插式進(jìn)入原有煙道改成400mm弧形斜入口的方式；2）在煙囪底部增加了一個(gè)45°的1/2底座。

煙道優(yōu)化后，模擬得到的煙氣運(yùn)動(dòng)軌跡流線如圖6、圖7。由圖6可見(jiàn)，增加煙囪1/2底座后，底部煙氣旋流明顯減少，減少了煙氣滯留。而由圖7異形段放大圖可見(jiàn)，將直插式入口改成弧形斜入口的方式后，煙氣將不再?zèng)_撞煙道壁面，從而大大地增加了煙氣實(shí)際流通截面，改善煙氣流場(chǎng)。

表2為改造后各個(gè)截面的平均壓力速度值，比較表1與表2的值可以發(fā)現(xiàn)，截面1至截面2異形段壓降由原有的835Pa降低至386Pa，降低449Pa，煙道整體壓降由原有的998Pa降低至496Pa，有效降低壓降502Pa，大大改善了煙氣流場(chǎng)。

圖6 優(yōu)化后煙道運(yùn)動(dòng)軌跡流線圖

圖7 優(yōu)化后截面1至截面2段放大圖

表2 改造后煙道選取截面的平均壓力、速度值

6 改造效果驗(yàn)證

根據(jù)模擬所得到的優(yōu)化方案，在該燒結(jié)機(jī)檢修期間，對(duì)脫硫引風(fēng)機(jī)煙道進(jìn)行改造。圖8為改造前后脫硫系統(tǒng)運(yùn)行DCS畫(huà)面，表3為改進(jìn)前后運(yùn)行數(shù)據(jù)總結(jié)對(duì)照表，可以發(fā)現(xiàn)改造后，吸收塔入口負(fù)壓由原有的-0.2kPa提升至-0.56kPa，引風(fēng)機(jī)入口壓力由原有的-3.66kPa提升至-3.99kPa，脫硫引風(fēng)機(jī)的電流也從原有的328A下降至301.4A，有效地降低了煙道壓降，減小了風(fēng)機(jī)出力，降低了風(fēng)機(jī)電流。

圖8 改造前后脫硫系統(tǒng)DCS畫(huà)面

表3 改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)照表

此后在運(yùn)行中將運(yùn)行參數(shù)調(diào)整至168運(yùn)行期間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)機(jī)主燒結(jié)主排風(fēng)機(jī)的開(kāi)度分別為83%和73%；床層壓降控制在1.0～1.1kPa之間，布袋壓差控制在1.25～1.3kPa之間，把吸收塔入口負(fù)壓降至約-0.1kPa，引風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度在69%～72%，引風(fēng)機(jī)的電流在255～267A，比168運(yùn)行前減小了近60A。由此可見(jiàn)改造后，煙氣流場(chǎng)得到了顯著改善，壓力降明顯降低，從而減少了引風(fēng)機(jī)出力，降低引風(fēng)機(jī)工作電流，有效地減少了能耗。

7 結(jié)論

（1）以計(jì)算流體力學(xué)理論為指導(dǎo)，運(yùn)用CFD模擬軟件來(lái)模擬氣體流動(dòng)特性，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，能夠用于煙風(fēng)道設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

（2）通過(guò)模擬優(yōu)化改進(jìn)后，燒結(jié)機(jī)脫硫引風(fēng)機(jī)出口煙道阻力有明顯的降低，有效地優(yōu)化了煙氣流場(chǎng)，從而降低了引風(fēng)機(jī)出力和電流，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗優(yōu)化。

（3）運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值分析，能夠更詳細(xì)的分析整個(gè)流動(dòng)過(guò)程，從而更好的優(yōu)化煙道設(shè)計(jì)，在節(jié)能降耗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了干法脫硫系統(tǒng)的精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

Actual Application and Research of CFD Analysis in Flue Gas Desulfurization

RAO Yi-long
(Fujian Longking Co., Ltd, Longyan Fujian 364000, China)

In order to reduce the flue resistance of dry process of desulfurization installation of sintering machine in a certain company, to decrease the contribution of drawing wind machine, to realize energy saving and optimization and to use calculation and hydrodynamics software so as to conduct numerical value simulation of three dimension in flue inner field of drawing wind machine exit and make the flue optimizing reform in accordance with the analysis result. After reform, the negative pressure increases to -560Pa from -200Pa in inlet of absorption tower, the electric current of wind machine decreases to 301.4A from 328A, it shows an obvious achievement in energy saving and consumption reduction.

flue; energy saving and consumption reduction; CFD; numerical value analysis; optimizing reform

X701.3

A

1006-5377（2012）10-0037-04