CFD分析在煙氣脫硫中的實際運用與研究

饒益龍

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

CFD分析在煙氣脫硫中的實際運用與研究

饒益龍

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

為降低某公司燒結機干法脫硫裝置煙道阻力，減少引風機出力，實現節能優化，運用計算流體力學軟件，對引風機出口煙道內流場進行三維數值模擬，并根據分析結果進行煙道的優化改造。改造后，吸收塔入口負壓由-200Pa提升至-560Pa，風機電流由328A降為301.4A，節能降耗顯著。

煙道;節能降耗;CFD;數值分析;優化改造

1 引言

某煉鐵廠495m2燒結機的全煙氣脫硫項目采用LJS燒結煙氣干法脫硫及多組分污染物協同凈化工藝。項目運行脫硫效率在95%以上，SO2排放濃度低于100mg/Nm3，粉塵排放濃度低于20mg/Nm3，整體運行良好。但由于干法脫硫系統布置在燒結機主抽風機出口煙道至煙囪間，場地較為緊張，引風機出口煙道直插入原有煙道，形成異形段，同時由于實際運行煙氣量比設計值偏高，從而導致了風機出力增大，電流偏高的狀況。運用CFD軟件對引風機出口煙道進行模擬分析，并根據分析結果對煙道進行優化改造，最后在實踐中取得了顯著效果。

2 網格模型建立及計算參數

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

圖1中的截面1和截面2將作為數據采集面，通過分析兩截面及進出口面的數據從而得到各段煙道的壓力降。煙道入口方圓節圓截面尺寸為φ5.62m，整體煙道尺寸為5m×5m，出口煙囪為鋼煙囪，直徑為φ5.35m，總長度約為135m，根據實測煙氣流量數據，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℃。

為保證計算精度，并綜合考慮網格劃分的各方面因素，對不規則異形段煙道采用混合網格進行精細劃分，避免了完全利用結構網格式劃分困難的問題，同時又保證了網格數量。該區域的網格數量達到38萬個，而對規則煙道，則采用結構網格（六面體網格）進行劃分。最終建立的煙道模型的網格數量達到113萬個。

圖1 某鋼廠引風機出口煙道模型

3 流動控制模型的選擇

根據流體理論，煙道內的流動是三維湍流問題。由于湍流的復雜性，通常需要借助合適的湍流模型，由于煙道內存在一定的回流及旋流，且計算區域較多，本文采用應用較多的 標準模型。其控制方程如下：

（1）連續性方程：

（2）動量方程：

（3）能量方程：

（4）湍動能與耗散率方程：

4 邊界條件

數值分析選擇連續相模型及顯示差分格式，采用SIMPLE算法求解κ-ε標準模型，模擬分析煙道內速度壓力分布情況。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，根據實測數據，出口壓力設定為-500Pa，煙道壁面視為絕熱壁面，對與壁面附近的區域，采用壁面函數法修正。

5 煙道模擬結果分析及優化

（1）煙道運動軌跡分析

煙氣在煙道內的運動軌跡流線如圖2、3所示。圖2為截面1至截面2之間的煙道流場放大圖。煙氣以24.2m/s的速度進入煙道后，在引風機出口煙道內流場相對較為均勻，流線平穩；當煙氣進入原有煙道后由于直插式異形段，煙氣會沖撞到煙道壁板（如圖3），然后沿著壁板進入煙囪，最后在煙囪內螺旋上升，同時也會在煙囪底部形成旋流。

圖2 煙道運動軌跡流線圖

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現，進口面至截面1之間長達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，其壓力降相對較低。

表1為各個截面的平均壓力速度值。從表1中可以發現，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。

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）優化措施及效果

為降低煙道壓降，同時根據現場實際情況，通過數值模擬對多種不同的優化方案進行模擬研究，最終確定的最佳優化方案如圖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，對異形段的改造主要包括：1）將引風機出口煙道直插式進入原有煙道改成400mm弧形斜入口的方式；2）在煙囪底部增加了一個45°的1/2底座。

煙道優化后，模擬得到的煙氣運動軌跡流線如圖6、圖7。由圖6可見，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，將直插式入口改成弧形斜入口的方式后，煙氣將不再沖撞煙道壁面，從而大大地增加了煙氣實際流通截面，改善煙氣流場。

表2為改造后各個截面的平均壓力速度值，比較表1與表2的值可以發現，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。

圖6 優化后煙道運動軌跡流線圖

圖7 優化后截面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 改造效果驗證

根據模擬所得到的優化方案，在該燒結機檢修期間，對脫硫引風機煙道進行改造。圖8為改造前后脫硫系統運行DCS畫面，表3為改進前后運行數據總結對照表，可以發現改造后，吸收塔入口負壓由原有的-0.2kPa提升至-0.56kPa，引風機入口壓力由原有的-3.66kPa提升至-3.99kPa，脫硫引風機的電流也從原有的328A下降至301.4A，有效地降低了煙道壓降，減小了風機出力，降低了風機電流。

圖8 改造前后脫硫系統DCS畫面

表3 改造前后運行數據對照表

此后在運行中將運行參數調整至168運行期間數據發現，在燒結機主燒結主排風機的開度分別為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，把吸收塔入口負壓降至約-0.1kPa，引風機靜葉開度在69%～72%，引風機的電流在255～267A，比168運行前減小了近60A。由此可見改造后，煙氣流場得到了顯著改善，壓力降明顯降低，從而減少了引風機出力，降低引風機工作電流，有效地減少了能耗。

7 結論

（1）以計算流體力學理論為指導，運用CFD模擬軟件來模擬氣體流動特性，并對流場進行優化，能夠用于煙風道設計與優化。

（2）通過模擬優化改進后，燒結機脫硫引風機出口煙道阻力有明顯的降低，有效地優化了煙氣流場，從而降低了引風機出力和電流，實現了節能降耗優化。

（3）運用計算流體力學軟件進行數值分析，能夠更詳細的分析整個流動過程，從而更好的優化煙道設計，在節能降耗的同時，實現了干法脫硫系統的精準化設計。

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