煙氣濕法脫硫噴淋塔導流板優化

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都將會占據重要地位。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構比較大，而且為單側進氣，所以很容易產生煙氣偏流現象，塔內液氣比分布不均勻，導致脫硫漿液利用率低以及煙氣逃逸等問題[4]。通過改變脫硫系統反應器內部結構，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煙氣偏流和氣液傳質效果差的問題，在噴淋塔內增加了多孔托盤，在一定程度上改善了噴淋塔內氣液接觸條件，提高了脫硫效率[5]。但是在實際操作中，一般需要雙塔串聯或者單塔雙循環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形成一種劇烈的旋轉翻騰流動狀態，起到了強化傳質過程的作用。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，難以實現超低排放穩定運行。

本文在脫硫塔入口段增設導流板，組織噴淋塔內氣相流場，可避免偏流現象，從而改善塔內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，控制或者降低系統阻力。

1 數值計算方法

圖1為煙氣偏流現象與導流板式噴淋塔。

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

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

噴淋塔內氣液兩相流動中煙氣為連續的攜帶相，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、質量和速度，下標g 和d 分別代表氣相與液滴。

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

噴淋塔內液滴粒徑為2～3 mm，可以認為液滴內溫度均勻分布，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、表面積和溫度，對流換熱系數h可以根據Ranz 和Marshal 提出的經驗關系式進行計算[10]。

SO2的吸收過程可根據雙膜理論[4]建立求解模型。在雙膜理論中，氣液交界面兩側存在液膜和氣膜。SO2組分在濃度梯度的驅動下擴散至氣液交界面，溶于液膜，并與液相中的石灰石發生反應。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過程。根據雙膜理論，相界面的SO2質量源項等于SO2的傳質速率，其表達式為

總傳質系數K與氣膜、液膜中SO2的傳質系數有關[12]，其表達式為

式中，kg和kl分別為膜、液膜中SO2的傳質系數，E為增強因子[13]。

氣膜側傳質系數通過計算舍伍德數求解[14]

式中，Sh、Sc分別為舍伍德數和施密特數，D為擴散系數，R為通用氣體常數。

液膜側傳質系統通過經驗公式進行計算[15]：

式中、分別為中間系數與表面張力。

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為例，其噴淋塔幾何模型與網格劃分如圖2所示。塔體內徑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%，設計系統阻力為1 613 Pa，設計參數見表1。

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

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

由于塔體尺寸較大，內部安裝有多種構件，屬于結構復雜幾何體，采用六面體結構進行網格劃分。以實際脫硫塔液面高度為計算區域底面；簡化噴淋層結構，只考慮噴淋支管對塔內流場的影響；忽略噴淋塔內導流環的影響，托盤和除霧器采用多孔介質模型處理，網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，不考慮水分的凝結與揮發過程。

噴淋塔內除霧器和托盤對流場的影響，采用階躍型多孔介質模型進行簡化處理。階躍型多孔介質模型中，多孔介質假設為一定厚度的“阻力膜”。多孔介質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可根據不同風速下的多孔介質阻力試驗測試結果確定。

3 結果與分析

3.1 模型驗證

選擇與入口方向平行的豎直剖面考察塔內流動與組分分布狀態，原塔模擬計算結果如圖3所示。由圖3可以看出：塔內煙氣偏流現象明顯，靠近入口側煙氣速度較高；入口離散顆粒物（DPM）質量濃度分布呈明顯的干濕分界面；阻力損失主要發生在噴淋區和兩層除霧器附近；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，最終與漿液溫度接近（322 K）。

圖3 原塔內流場分布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逐漸增加，上、下頁導流板夾角基本不變，導流板結構參數見表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，對噴淋塔內流場進行模擬計算。采用六面體結構對計算區域進行網格劃分，4 種設計方案中，網格個數為2.07×106～2.34×106。圖5為加入4 塊導流板后噴淋塔結構與網格劃分示意。

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

計算區域內，導流板設置為內部壁面，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設置與第2 節中SO2吸收模型驗證過程一致。模擬計算得到原噴淋塔（Case 1）與加入不同結構參數導流板后的噴淋塔（Case 2—Case 5）的脫硫效率與系統阻力如圖6所示。

圖6 不同導流板方案脫硫效率及系統阻力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 質量濃度及及SO2質量分數分布變化趨勢，結果如圖7所示。

圖7 流場與DPM 質量濃度和SO2 質量分數分布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 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%，同時系統阻力與原塔接近?？梢?，在脫硫系統噴淋塔入口處適當增加導流板，可緩解脫硫塔內煙氣偏流現象，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。