電站脫硫裝置的系統模擬與工藝改造研究

郭雷馬加朋趙穎

（1.山東省特種設備檢驗研究院，濟南 250101；2.山東省職業技能鑒定指導中心，濟南 250001）

電站脫硫裝置的系統模擬與工藝改造研究

郭雷1馬加朋1趙穎2

（1.山東省特種設備檢驗研究院，濟南 250101；2.山東省職業技能鑒定指導中心，濟南 250001）

本文利用計算流體力學（CFD）軟件對某2x1000MW電站機組脫硫系統進行吸收塔流場分析，通過檢驗煙氣等分布效果進行設計優化，以在滿足環保要求的前提下，降低脫硫系統運行費用為脫硫系統優化運行提供了參考。

脫硫 模擬改造

引言

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝因其脫硫效率高、脫硫劑容易取得、工藝成熟可靠等技術特點在脫硫工程中得到較大范圍的應用。由于脫硫系統在整個脫硫工程的投資中所占的比重較大，而工藝系統又是脫硫系統的主要成本構成要素，優化其工藝系統將對降低整體工程造價和運行費用起到決定性的作用。現階段盡管濕法脫硫工藝原理相同、系統類似，但是各脫硫系統擬定和工藝設備配置還有所區別，所以需要根據各工程的實際情況選擇合適的系統配置，并在運行過程中對運行參數合理調整，實現用最小的投入和消耗滿足環保需要，以降低工程投資和運行維護費用。

近年來，其他研究人員在脫硫優化方面做了大量的工作，取得了顯著成果。石財榮[1]等人研究了GGH堵塞處理措施及壓風機運行節能問題。楊愛玲[2]等人研究了制漿系統的運行優化。朱文彬[3]等人研究了優化運行提高石膏品質的措施。徐鋼[4]等人在1000MW機組上進行了脫硫系統的節能優化運行試驗，試驗重點為循環泵、壓風機、氧化風機等主要設備的節能運行。孫正杰[5]等人對北倉電廠脫硫系統進行了優化運行試驗，試驗內容包括循環泵行優化、pH運行優化和氧化風機優化。

與其他研究相比，本文以現有系統設備為基礎，著重利用計算流體力學（CFD）軟件對某2×1000MW電站機組脫硫系統進行吸收塔流場分析，通過對脫硫塔內流場分布均勻優化，得出了脫硫系統優化運行的操作方案，為實際優化運行提供了參考。

1 脫硫裝置的系統模擬

本文所使用的數值模擬工具為Fluent 6.2.16，數值模擬條件為增壓風機流出煙氣的總體積流量為4727654m3/h，密度為0.925kg/m3，煙氣壓力為2670Pa，溫度為124℃，且吸收塔內設有四層噴淋層，每一層漿液的體積流量為10500m3/h，四層漿液的總體積流量為42000m3/h，漿液密度為1149kg/m3。其中吸收塔內上部設有兩級除霧器。

（1）CFD模型建立。本文首先對吸收塔進行CFD數值模擬，模擬模型中的煙道為折線型彎頭設計。圖1所示煙道為折線型彎頭的CFD模型，其主要組成部分為煙氣入口、煙道、兩層除霧器、凈煙氣出口和漿池液面。圖2所示CFD數值模擬時的網格圖，其是由大量的六面體結構化網格和少量的四面體非結構化網格組合而成，網格數量約為684237個。本文在所創建網格的基礎上，對包括煙道和吸收塔在內的整個流場進行了單相流數值模擬。

圖1 CFD模型

圖2 CFD模型網格生成圖

（2）單相流數值模擬結果。圖3所示為折線型彎頭煙道和吸收塔內單相流數值模擬結果，表征煙氣在煙道和吸收塔內的流動情況，即流過吸收塔的4個截面的煙氣速度分布。圖3(a)中煙氣入口處由于邊界條件的原因速度均勻分布；在煙道兩彎板相交處，煙氣速度較低；在煙道的第二個彎板處，煙氣以最短的方式流入吸收塔內，導致了吸收塔入口截面速度分布極不均勻，頂部速度高達20m/s，底部速度低達1m/s；且在煙道底部有一個較大的回流區。圖3(b)與圖3(a)相比，該截面的速度分布較均勻，值在10～16m/s之間，且沒有回流區。圖3（c）顯示凈煙氣出口和吸收塔頂部的煙氣流動狀況較差，需要進行相關優化。圖3（d）所示為流過煙道兩個彎板相交處且垂直于地面的煙氣速度分布，可以得出煙氣流動狀況極差。

煙氣入口A、B開始（x=0m）至煙道結束截面處（約x=22m）之間不同截面的速度分布：煙氣在x=0～14m之間流動越來越不均勻；在x=14m處，煙道左右下角開始出現兩個面積較大的回流區，且隨著距離的增加，回流面積越來越大。

綜上所述，煙氣沿煙道進入吸收塔內呈現出沿煙道頂部速度高，底部速度低且塔內煙氣倒流的現象。出現這種分布主要由于煙氣在進入吸收塔之前經過多次拐彎，其方向變化很大，煙氣在煙道壁面約束下流動方向不斷改變，從而引起煙道截面上煙氣流速不均勻；另外，煙氣在進入吸收塔之前，還有一段擴張部分，使煙氣在低速區的速度再次下降，從而引發塔內部分煙氣回流到入口煙道中。所以本文需對折線型彎頭煙道和凈煙氣出口進行優化。

圖3 穿過煙道和吸收塔的截面速度分布圖

2 脫硫裝置的優化

（1）優化后的方案模型。本文對折線型彎頭煙道和凈煙氣出口進行優化，使得吸收塔入口處煙氣流速均勻且沒有回流現象。優化時，煙道主要的變化是將原來的折線型彎頭改為緩轉彎頭，以引導煙氣流動。新方案比舊方案更加緊湊且降低了吸收塔的總體高度。新方案優點：（1）與折線型彎頭煙道相比，煙氣速度減小了4m/s；底部速度低達1m/s，且在煙道底部有一個較大的回流區，這將使得漿液回流出煙道內；（2）與折線型彎頭煙道相比，速度分布更加均勻，沒有回流區，速度值在13m/s左右；（3）比原方案中的凈煙氣出口流動性好。

通過模擬從煙氣入口A、B開始（x=0m）至煙道結束截面處（約x=22m）之間不同截面的速度分布，可以得到煙氣在x=0～14m之間流動越來越不均勻，x=14m（約第二個拐彎處）后，煙道底部左、右下角開始形成回流，直至x=22m處，回流面積越來越大。

本文對緩轉彎頭煙道和凈煙氣出口進行優化，使得吸收塔入口處煙流速均勻且沒有回流現象。優化時，煙道主要變化是在原來的緩轉彎頭煙道增設導流板，以引導煙氣流動。

圖4所示為本文優化后的吸收塔的模型，其模型的主要組成部分：煙氣入口、煙道、導流板（共3片）、第一～第四噴淋層、兩層除霧器、凈煙氣出口和漿池液面。

圖4 優化后的CFD模型

（2）噴淋層、噴嘴特性。本文為模擬吸收塔內漿液噴射對煙氣流動的影響，采用了氣、液兩相流數學模型和Euler-Lagrange方法，即用Euler方法模擬連續氣相，用Lagrange方法跟蹤計算離散顆粒相。吸收塔內配有四層噴淋層，每一層漿液的體積流量為10500m3/h。每層180個噴嘴，靠近吸收塔壁面的40個噴嘴為實心錐型，其余的140個噴嘴均為中空錐切線型。

（3）最終優化方案兩相流數值模擬結果。優化后煙道內截面煙氣流動速度：在加入三片導流板后，煙氣在導流板的導引作用下較均勻地流入吸收塔內，平均速度在13m/s左右；且在煙道內沒有出現回流。吸收塔入口截面處下部速度值在15.3m/s左右，中上部的速度值在8.53m/s左右，平均值在12m/s左右。

圖5所示從煙氣入口A、B開始（x=0m）至煙道結束截面處（約x=18m）之間不同截面的速度分布。從圖中可以得出煙氣在x=0～8m之間流動越來越不均勻，在x=10m處經導流板后，煙道上部的煙氣速度開始變得均勻，至x=18m處，流動越來越均勻，且沒有回流區。

綜上所述，煙氣沿煙道進入吸收塔內的速度值在8.53～15.3m/s之間，速度分布較均勻，沒有回流區。

（4）吸收塔內壓降。本文所研究的煙氣通過吸收塔煙氣入口、噴淋層、除霧器、凈煙氣出口的壓力損失為：吸收塔煙氣入口為0.62 mbar；吸收塔入口為2.55 mbar；第一噴淋層為1.53 mbar；第二噴淋層為1.63 mbar；第三噴淋層為1.42 mbar；第四噴淋層為0.98 mbar；除霧器為1.68 mbar；吸收塔頂部為0.30 mbar；凈煙氣出口為1.31 mbar；總計為12.02 mbar。

（5）吸收塔內速度分布。煙氣入口A和B中間且穿過吸收塔的截面，煙氣沒有對沖進口對面塔壁，塔中間的煙氣流動變得均勻，經過噴淋層的煙氣以3～6m/s的速度流向吸收塔頂。在整個塔體范圍內，不存在大的回流區，且沿塔高方向截面速度分布均勻性始終保持較好，沒有明顯的高速氣帶。