濕法脫硫吸收串塔噴淋流場特性分析

文_郭宗林 呂超 溫佳琪 岳強

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1 設備改造概況

河北南網某熱電廠2×350MW超臨界供熱機組，煙氣脫硫（FGD）系統設計采用全煙氣石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫塔采用噴淋孔塔技術，塔內設計為3層噴淋，脫硫效率不低于95%。

本次脫硫改造項目擬采用串塔工藝，即在原有脫硫塔后增加一臺二級吸收塔串聯運行，對煙氣進行深度脫除。

2 CFD數值模擬技術

CFD(Computational Fluid Dynamics計算流體動力學)數值模擬技術是計算機數值計算求解控制流體流動的微分方程，如質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程等，得出流體運動流場在連續區域上的離散分布，從而模擬流體流動、傳熱、傳質的情況，主要步驟有：建立幾何模型；網格劃分；確定初始及邊界條件；求解控制參數；處理計算結果。其具有試驗時間短，獲取數據多，花費少的優點。

2.1 湍流模型

現階段湍流數值模擬模型常用的主要有：標準k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型，本計算中湍流模型選擇RNG k-ε模型。

2.2 數值計算

2.2.1 模型建立

FGD脫硫系統改造工程二級吸收塔根據現場實際建立吸收塔模型，采用空塔噴淋工藝。煙氣進入吸收塔分別經過噴淋層、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 網格劃分

本模擬采用ICEM CFD完成了求解區域的建模與網格劃分，網格采用結構化網格格式劃分。網格數量達到100萬左右，所有網格質量均在0.6以上，網格精度較高。

2.2.3 初始及邊界條件設置

（1）因漿液池液面波動對吸收塔內煙氣流場影響較小，所以假設漿液池為固定平面，不考慮其對煙氣流場的影響。

（2）在本模擬過程中，采用坐標噴淋的形式設置噴嘴，除霧器層采用多孔介質，忽略噴淋構件對塔內流場的影響。

（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）將塔內及入口煙道壁面視為光滑絕熱壁面。

（5）在理想狀態下煙氣流動參數與時間無關，假定為定常流動。

因氣流在塔內的傳質傳熱過程較為復雜，采取上述條件進行建模時，對數據精度造成一定程度的影響，但本模擬過程主要進行定性分析，在保證誤差范圍的同時，該模型計算更為簡便，收斂效果更好。

2.2.4 模型參數設置（見表1）

表1 模型參數設置

3 模型計算及分析

為使本模擬煙氣流場更加貼近現場實際情況，本模擬在鍋爐最大連續蒸發量（100%BMCR）工況下分析分別引入2層、3層噴淋后吸收塔內的速度場和壓力場的變化情況（見圖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層噴淋時縱截面方向速度云圖

圖4 3層噴淋時縱截面方向速度云圖

圖5 2層噴淋時橫截面方向速度云圖

圖6 3層噴淋時橫截面方向速度云圖

圖7 2層噴淋時縱截面方向壓力分布云圖

圖8 3層噴淋時縱截面方向壓力分布云圖

通過模擬可知，100%BMCR引入2層噴淋時，由于噴淋液的速度較高且噴淋量較大，在噴淋液滴強烈的整流作用下，吸收塔內氣流均布效果明顯，除吸收塔沿煙氣入口中心處速度稍高外，塔內煙氣流場分布基本趨于均勻。流場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，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，噴淋液滴對煙氣的作用力強，導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的煙氣流速較遠離入口一側稍高，形成較小偏流現象，但整體來說，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，在吸收段造成較強烈的湍流區域，與引入2層噴淋相比，煙氣波動較大，氣液兩相的湍流強度增加。湍流強度增加可使氣液兩相接觸面積增加，有利于相間傳質，但同時造成了橫截面處速度分布情況變差，橫截面上的標準速度偏差為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，在噴淋對氣相進行強烈的整流后，煙氣在同一高度層的各點上的壓力被均勻化，塔內壓降達到1170～1420Pa左右。

4 結論

本模擬運用CFD軟件100%BMCR下， 吸收塔內引入2層噴淋和3層噴淋時的速度場和壓力場進行數值模擬，模擬由模擬結果可知。

（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）在噴淋層數的增加時，湍流程度加劇，雖對塔內流場分布產生一定的影響，但其整體分布效果比較理想，滿足塔內氣流均布要求，有利于提高脫硫效率。