脫硫塔增效的數值模擬研究

王 偉 宋 靜

（1 江蘇蘇美達成套設備工程有限公司 江蘇南京 210018 2 南京杰科豐環保技術裝備研究院有限公司 江蘇南京 211016）

引言

脫硫塔是鍋爐尾部煙氣進行脫硫的主要設備，煙氣從脫硫塔下部進入，在經過噴淋作用和吸收反應之后，經脫硫塔出口排出。脫硫的過程實質上就是氣液兩相接觸反應的過程，因此，塔內氣液兩相流的流場特性是影響脫硫效率的重要因素之一[1]。煙氣和漿液的流場分布直接決定著塔內的傳質、傳熱及反應進行程度，特別是煙氣的流場還直接影響到脫硫塔幾何尺寸的確定及塔內件的布置方式等。因此，在脫硫塔的所有截面上實現最大程度的氣液兩相均布是系統的最優狀態，才能使脫硫塔充分發揮所有空間的作用[2]-[4]。

南通某熱電廠目前采用的是氧化鎂（MgO）濕法煙氣脫硫裝置。鍋爐煙氣從脫硫塔中下部進入自下向上流動，吸收循環液則通過塔內的兩層布水器自上向下噴射，在塔板上進行氣液接觸。脫硫塔共有5 層塔板，布水器分別位于第一層塔板的上部和第五層塔板的下部。

本文在熱電廠現有脫硫塔基礎上，借助計算流體力學(CFD)技術，通過建立合理的數學模型對脫硫塔內煙氣流動過程進行了深入的數值模擬，對不同塔板配置條件下脫硫塔內的煙氣流場進行模擬和分析，并對設想的優化方案進行了模擬，為實現噴淋塔的優化設計與系統的穩定運行奠定了基礎。

1 現有脫硫塔煙氣流動模型的建立與分析

1.1 物理模型的簡化與網格的劃分

本文以熱電廠的MgO 濕法脫硫塔為模擬對象，脫硫塔為多孔托板塔，塔徑為6.9m，塔高為21.5m，塔內目前由下向上有五層塔板，塔頂有波紋板式除霧器，兩臺鍋爐（每臺130t/h）共用一套脫硫塔。設計運行工況下，單臺鍋爐運行時煙氣流量約220000m3/h；進口SO2含量1000～1500mg/m3，煙塵含量15-30mg/m3。

結合現場條件，選擇了ANSYS17.0 計算軟件進行流場計算，主要進行了包含所有邊界條件下流場計算，噴淋霧化模型的建立、液滴模型的建立、液滴與氣體之間傳熱傳質的模型建立、氣相與離散相耦合計算和計算優化工作、以及計算結果的分析等[5]。

根據煙氣在脫硫塔內的流動情況，將脫硫塔內的有關部件作如下簡化：

（1）煙速較低，可將煙氣視為不可壓縮性牛頓流體;

（2）忽略重力和煙溫對煙氣流動的影響;

（3）暫不考慮塔內噴嘴、除霧器和小部件對煙氣流場的影響;

（4）暫不考慮漿液噴淋對煙氣流場的影響。

簡化后的物理模型如圖1 所示，采用GAMBIT

圖1 現有脫硫塔計算模型

圖2 現有脫硫塔構體網格示意圖

1.2 數學模型的設定

采用三維穩態的SIMPLE 算法進行計算，就工程而言，用的最為廣泛的還是k-ε 二方程模型及其修正[6]。考慮到本例的實際情況和所擁有的計算資源，湍流模型采用標準k-ε 二方程模型。采用基于有限容積法的控制容積積分法對控制方程進行離散，采用拉格朗日隨機顆粒軌道模型，進行氣液兩相流動的模擬。

1.3 模擬結果與分析

圖3 現有脫硫塔SO2含量分布圖

圖4 現有脫硫塔縱切面速度矢量圖

從煙氣中的SO2分布來看，由于煙氣的分布不均勻，導致了各個區域的SO2分布不均勻，靠近入口位置側SO2濃度較高，遠離入口側SO2濃度較低。

從截面速度分布可以看出，存在靠近入口速度大，遠離入口速度較低的問題，經過塔板的整流之后，煙氣的速度均勻性相對較好，但從局部速度來看，靠近煙氣入口位置還有一些漩渦。

2 關鍵技術參數對流場的影響分析

通過選取脫硫塔最下方塔板截面的氣體速度均勻性來評價流場的均勻性，通過此參數可以分析脫硫吸收塔的關鍵技術參數：液氣比，塔板持液量，噴嘴形式和布置等，對流場分布的影響關系。

2.1 液氣比對流場分布的影響

選擇現有脫硫塔作為計算模型，分別增加和減少10%的液氣比（保持進氣量不變，增加和減少10 的噴淋量），得到計算結果如下：

表1 計算結果

從計算結果來看，增加液氣比可以增加流場的均勻性，但是程度比較有限。

2.2 塔板持液量對流場分布的影響

塔板持液量可以轉化為塔板的空隙率，空隙率越高，持液量越少，因此選擇現有脫硫塔作為計算模型，分別增加和減少塔板的空隙率監測流場截面均勻度，計算結果如下：

表2 計算結果

從計算結果來看，增加空隙率會降低流場的均勻性。

2.3 噴嘴型式對流場分布的影響

不同型式的噴嘴產生的液滴粒徑和分布不僅影響SO2的氣液傳質過程，同時對流場分布產生影響，因此選取了實心錐噴嘴，空心錐噴嘴和直噴噴嘴三種型式來分析對流場分布的影響，計算結果如下：從計算結果來看，噴嘴的形式，實心錐最好，其次是空心錐，最后是直噴噴嘴，但是總體來看，噴嘴型式對流場均勻性影響不大。

表3 計算結果

2.4 噴嘴布置對流場分布的影響

不同噴嘴布置通過產生不同的噴淋密度，進而對流場均勻度產生不同程度的影響，研究選擇在原有噴嘴布置的基礎上加密一倍和加密兩倍，但是保持噴淋總量不變：

表4 計算結果

從計算結果來看，相比于噴嘴型式對流場均勻度的影響，加密噴嘴對流場均勻性有非常明顯的影響。

3 優化后的脫硫塔煙氣流動模型的建立與分析

3.1 優化內容

通過對影響流場的關鍵技術參數的分析，為提高脫硫塔內流場均勻度，在原有脫硫塔結構基礎上，進行如下優化：

1）入口煙道更改為矩形煙道，煙道入口面積不變；

2）脫硫噴淋層中間的大型管道去除，噴淋漿液從吸收塔外接入；

3）冷卻噴淋層下方增加第六層塔板，開孔率與其他塔板相同。

3.2 優化后脫硫塔模型的簡化與網格的劃分

圖5 優化后脫硫塔計算模型

圖6 優化后脫硫塔構體網格示意圖

圖7 優化后脫硫塔SO2含量分布圖

圖8 優化后脫硫塔縱切面速度矢量圖

從煙氣中的SO2分布來看，由于噴淋層下方增加了塔板，SO2的分布相比于現有的五層塔板要更加均勻，出口SO2濃度也相對較低。

從煙氣速度分布可以看出，速度分布非常均勻。另外，從局部速度來看，靠近煙氣入口位置的漩渦已經完全消除，與現有的五層塔板脫硫塔結構相比，速度分布有明顯的改善。

結語

吸收塔原始結構設計不合理導致吸收塔入口回流區域嚴重，將吸收塔塔盤改成五層后雖有改善但仍存在回流區，從而使得漿液接觸不完全，效率偏低，因此建議改進吸收塔入口形狀，并在吸收塔入口處增設整流裝置，同時改進中心管模式，將噴淋層改成霧化形式，塔頂增設高效除霧裝置或濕式電除塵。

根據對優化建議改進后的結構進行CFD 計算，結果表明，吸收塔入口回流區完全消失，速度分布相當均勻，脫除效率有所提高，滿足超低排放要求，雖因加設整流設施，阻力有所上升，但氣流改善又有助于降低阻力，因此阻力僅上升200Pa 左右，且改造后的SO2排放能夠滿足環保要求。