循環(huán)流化床半干法脫硫裝置煙道流場模擬優(yōu)化

于 斌，王 愛，孫洪斌，瓦其爾，陳俞安，鄭 妍，姚 宣

(1.北京國電電力有限公司 薩拉齊電廠，內(nèi)蒙古 包頭 014199；2.北京國電龍源環(huán)保工程有限公司，北京 100039)

0 引 言

工業(yè)總量的持續(xù)增長伴隨著環(huán)境污染的擴散，使得大氣污染治理成為我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)中的重點工作[1-2]。硫氧化物為燃煤發(fā)電機組煙氣排放的主要污染物之一，過量排放的SO2溶于雨水形成酸雨，容易導(dǎo)致呼吸道及眼部疾病[3-5]，因此，硫氧化物的排放控制成為電力行業(yè)全面加強治理的領(lǐng)域之一。目前，依據(jù)工藝條件可將煙氣脫硫技術(shù)分為濕法、干法和半干法脫硫[6-8]。其中，半干法脫硫結(jié)合了濕法與干法技術(shù)優(yōu)點[9]，具有占地面積小、操作成本低、不存在廢水處理問題等特性[10-13]。而在半干法脫硫系統(tǒng)中，流場特性對于提高脫硫效率、除塵效率、降低系統(tǒng)阻力有重要影響[14-15]。

循環(huán)流化床半干法脫硫工藝技術(shù)要求高，流場均勻性和穩(wěn)定是2個關(guān)鍵點，只有流化床設(shè)計和配置輸送設(shè)備合理才能保證脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行。朱玉琴等[16]研究了半干法系統(tǒng)中入口溫度、煙氣流速、噴水量等因素對整體系統(tǒng)效率的影響，并提出了相關(guān)指導(dǎo)方案。而理論方面，強國等[17]通過計算流體力學(xué)(CFD)方法研究了循環(huán)流化床半干法系統(tǒng)的壓力和流場分布，為設(shè)計穩(wěn)定的反應(yīng)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。但鮮見有關(guān)整體流場優(yōu)化以及通過優(yōu)化煙道改善脫硫系統(tǒng)運行穩(wěn)定性等方面研究。

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，針對脫硫塔區(qū)域煙道以及除塵器后煙道的流場進行建模計算，給出氣體流動的相關(guān)微觀細節(jié)，從而進一步設(shè)計對應(yīng)優(yōu)化方案，提高系統(tǒng)內(nèi)流場分布的均勻性，降低系統(tǒng)阻力損失，獲得較為經(jīng)濟性可靠的運行條件，為循環(huán)流化床半干法系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化提供理論和技術(shù)支持。

1 研究對象與模型描述

1.1 脫硫塔裝置

某300 MW燃煤機組采用建造爐外脫硫塔裝置實現(xiàn)硫氧化物的脫除。鍋爐煙氣先自預(yù)除塵器經(jīng)過初步除塵后，進入4個喇叭口匯合至聯(lián)箱，再由豎井煙道和彎頭導(dǎo)向，自下而上進入半干法脫硫塔。脫硫塔下部設(shè)置7個文丘里管，以提供加速段，實現(xiàn)物料懸浮狀態(tài)和均勻混合。在文丘里管下部向床內(nèi)噴入脫硫劑(消石灰粉末)，在文丘里管上部向床內(nèi)噴入適量霧化水，與上升煙氣中的硫氧化物進行脫硫反應(yīng)。脫硫后的煙氣進入布袋除塵器實現(xiàn)粉塵脫除，除塵后的凈煙氣返回引風(fēng)機前的聯(lián)箱，完成脫硫工藝。脫硫與除塵設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 脫硫除塵裝置設(shè)計參數(shù)

計算模型將脫硫裝置內(nèi)煙氣流動簡化為單相三維流動，采用Fluent建立多物理場耦合的三維模型。除局部異形煙道以外，均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格易于生成，在流動方向與網(wǎng)格邊界平行的條件下，能夠獲得較快的收斂速度；對于幾何形體較為復(fù)雜的模擬對象，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以用較小的網(wǎng)格數(shù)量實現(xiàn)網(wǎng)格化過程。此處煙氣的流動屬于三維高雷諾數(shù)湍流問題，采用對高雷諾模擬有較高精度的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進行數(shù)值模擬，選取入口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件。

1.2 模型A：脫硫塔區(qū)域煙道

模型A(圖1)范圍自預(yù)除塵器出口4個喇叭口的聯(lián)箱至布袋除塵器入口，為主要脫硫反應(yīng)的發(fā)生區(qū)。其優(yōu)化主要目的是保證進入脫硫塔內(nèi)的煙氣均勻，改善偏流問題，提高脫硫效率和運行穩(wěn)定性。

圖1 模型A示意Fig.1 Diagram of model A

1.3 模型B：除塵器后煙道

模型B(圖2)范圍自布袋除塵器出口至引風(fēng)機入口聯(lián)箱。煙氣經(jīng)布袋過濾作用后，粉塵濃度極低。其模型優(yōu)化主要目的為降低系統(tǒng)阻力，避免出現(xiàn)局部渦流區(qū)，降低系統(tǒng)引風(fēng)機電耗。

圖2 模型B示意Fig.2 Diagram of model B

1.4 煙道流場優(yōu)化方法

為改善煙道內(nèi)的流場均勻分布，本文選擇在煙道內(nèi)增加導(dǎo)流葉片等內(nèi)構(gòu)件的形式，借助導(dǎo)流葉片的均流作用，改善煙道內(nèi)氣體分布，提高流場均勻性，有效消除局部的高速區(qū)、渦流區(qū)。導(dǎo)流葉片的優(yōu)點在于使用范圍廣，適用于各類改造項目的煙道布置，尤其是對于均勻程度要求較高的工程項目，改善效果十分顯著。本文設(shè)計了數(shù)十種導(dǎo)流葉片安裝方案，以下將通過CFD計算，針對導(dǎo)流葉片的安裝位置及數(shù)量對煙道流場特性的影響進行分析與優(yōu)化。

2 模型A存在問題與模擬優(yōu)化

2.1 模型A存在問題

模型A的核心優(yōu)化目的為脫硫塔的流場均勻性，因此關(guān)注的重點為脫硫塔底部的布置方式。聯(lián)箱出口的煙氣自上而下經(jīng)過彎頭轉(zhuǎn)為自下而上(圖1)，在較短區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)了180°翻轉(zhuǎn)，因此極易出現(xiàn)煙氣偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致進入脫硫塔文丘里的氣體分布不均，影響脫硫塔運行的穩(wěn)定性。以下將根據(jù)不同方案的導(dǎo)流葉片設(shè)置，以CFD數(shù)值模擬方法，分析模型A的流場、壓力場優(yōu)化結(jié)果。

參照《煙風(fēng)道通流元件選型的優(yōu)化導(dǎo)則》，設(shè)計4種導(dǎo)流葉片裝置優(yōu)化方案(方案1～4的導(dǎo)流葉片數(shù)量分別為1、2、3、4)，模擬了不同導(dǎo)流葉片數(shù)量、曲率半徑對于脫硫塔入口煙氣流場均勻性的影響。

2.2 模型A流場優(yōu)化

首先計算無導(dǎo)流葉片時脫硫塔內(nèi)部的流場分布模擬，如圖3所示。原始布置條件下，脫硫塔底部出現(xiàn)了極為明顯的偏流現(xiàn)象，在氣流偏轉(zhuǎn)的過程中，由于慣性力的存在，使得氣流多沿?zé)煹劳獗诹鲃樱行膮^(qū)域流量顯著減少，導(dǎo)致進入文丘里管的氣體流量分布不均，極大影響脫硫塔的工作性能。

圖3 模型A優(yōu)化前速度分布Fig.3 Velocity distribution of model A before optimization

對4種優(yōu)化方案進行模擬，不同優(yōu)化方案的速度分布如圖4所示。采用方案1導(dǎo)流能顯著改善脫硫塔底部的速度分布情況，氣體流動更為均勻。

圖4 不同優(yōu)化方案的速度分布Fig.4 Velocity distribution of different optimization schemes

不同方案條件下的速度矢量分布如圖5所示，可見方案1產(chǎn)生較為明顯的負壓卷吸現(xiàn)象，出現(xiàn)一定的旋轉(zhuǎn)矢量，有助于卷吸返回脫硫塔的物料。

2.3 模型A壓力場優(yōu)化

圖6為不同導(dǎo)流葉片布置條件下的塔底壓力場，

圖5 不同優(yōu)化方案的速度矢量分布Fig.5 Velocity vector distribution of different optimization schemes

可表征為系統(tǒng)的阻力分布，各方案自預(yù)除塵器出口至布袋除塵器入口煙道的總阻力如圖7所示。

圖7計算結(jié)果表明，所有不同工況的總阻力皆為2 200 Pa左右。與優(yōu)化前相比，方案1、3的阻力相對較小，但總阻力變化依然維持100 Pa以內(nèi)，可見整體阻力優(yōu)化空間有限。

2.4 模擬分析結(jié)果

根據(jù)以上分析結(jié)果，安裝導(dǎo)流葉片能有效改善脫硫塔煙氣偏流的現(xiàn)象。經(jīng)過CFD數(shù)值模擬得出，在適當(dāng)位置布置一塊導(dǎo)流葉片(對應(yīng)方案1)，可達到最佳的流場均勻性效果，改善偏流問題，同時整體的道體阻力在較優(yōu)范圍。另外，半干法脫硫塔內(nèi)懸浮物料較多(固體物料通常在500～1 000 Pa)，通過煙氣流場優(yōu)化降低整體阻力的空間較為局限。因此，模型A將優(yōu)化重點集中在提高脫硫塔入口煙氣的均勻性，保證物料流化狀態(tài)，提升脫硫效率應(yīng)。

圖6 不同優(yōu)化方案的壓力場分布Fig.6 Pressure field distribution of different optimization schemes

圖7 不同優(yōu)化方案的系統(tǒng)壓力Fig.7 System pressure of different optimization schemes

3 模型B存在問題與模擬優(yōu)化

3.1 模型B存在問題

布袋除塵器的出口煙道接入原引風(fēng)機入口煙道聯(lián)箱，通過布置優(yōu)化，縮短煙道路徑，減少沿程阻力(圖8)，由于路徑存在直轉(zhuǎn)彎頭，為進一步降低煙道阻力，在布袋除塵器出口豎直煙道底部彎頭(彎頭1)、和引風(fēng)機聯(lián)箱上游彎頭處(彎頭2)設(shè)計導(dǎo)流葉片，改善流場均勻性以降低系統(tǒng)阻力。以下將根據(jù)不同方案的導(dǎo)流葉片安裝位置(試驗Ⅰ)以及不同導(dǎo)流葉片數(shù)量(試驗Ⅱ)，以CFD數(shù)值模擬方法，分析模型B的流場、壓力場優(yōu)化結(jié)果。

圖8 模型B示意Fig.8 Diagram of Model B

參照《煙風(fēng)道通流元件選型的優(yōu)化導(dǎo)則》，設(shè)計3種導(dǎo)流葉片裝置優(yōu)化方案(表2)，模擬了不同導(dǎo)流葉片安裝位置對煙氣流場與壓力場的影響。

表2 模型B導(dǎo)流葉片裝置優(yōu)化方案

3.2 模型B流場優(yōu)化

3.2.1模擬試驗Ⅰ

圖9為模擬試驗I中不同優(yōu)化方案后的速度場，可見優(yōu)化前方案2水平煙道中存在高速、低速流動區(qū)域，流場均勻性較差。可推斷在彎頭2處設(shè)置導(dǎo)流葉片無法顯著改善此高低速度區(qū)域的問題。

圖9 模擬試驗I的速度分布Fig.9 Flow field distribution of experiment I

方案1與方案3對速度分布的改善效果更明顯。通過在彎頭1處設(shè)置導(dǎo)流葉片，水平煙道的整體速度場分布明顯改善。因此方案1與方案3的優(yōu)化效果較好。模擬試驗I煙道內(nèi)部速度矢量分布如圖10所示。由于水平急轉(zhuǎn)彎頭的存在，優(yōu)化前方案2的煙道速度矢量流向均勻性較差，出現(xiàn)較多渦流區(qū)，造成阻力增加。對比方案1、3可以看出在彎頭1處設(shè)置導(dǎo)流葉片后，氣流總體分布更均勻。

圖10 模擬試驗Ⅰ的速度矢量分布Fig.10 Velocity vector distribution of experiment I

3.2.2模擬試驗Ⅱ

基于上述模擬優(yōu)化結(jié)果，進一步進行模擬試驗Ⅱ，對彎頭1處的導(dǎo)流葉片數(shù)量進行分析。模擬試驗Ⅱ的速度分布和速度矢量分布如圖11、12所示。可知彎頭1處僅布置1或2片導(dǎo)流葉片時，水平煙道中流場分布并不均勻，而采用3片及以上導(dǎo)流葉片后，偏流現(xiàn)象得到抑制。從煙道氣體的均勻性來看，方案6與方案7的氣流分布更加均勻，方案4與方案5的氣流均勻性相對較差。

圖11 模擬試驗Ⅱ的速度分布Fig.11 Velocity distribution of experiment Ⅱ

3.3 模型B壓力場優(yōu)化

3.3.1模擬試驗Ⅰ

針對模擬試驗I優(yōu)化條件的煙道壓力場進行模擬分析。圖13為不同導(dǎo)流葉片安裝位置下的壓力場，可表征為系統(tǒng)的阻力分布狀況，并將模擬試驗I的系統(tǒng)壓力匯總?cè)鐖D14所示。由圖13可知，方案2對于煙道阻力不存在降低或均勻分布的效果，與優(yōu)化前的壓力場分布無明顯區(qū)別。方案1與方案3顯著改善了水平煙道壓力分布的均勻性。說明在彎頭1處設(shè)置導(dǎo)流葉片有助于降低煙道局部阻力。

由煙道進出口壓差發(fā)現(xiàn)，布袋除塵器出口豎直煙道底部彎頭1處安裝導(dǎo)流葉片會使煙道阻力下降，而在引風(fēng)機聯(lián)箱上游的彎頭2處安裝導(dǎo)流葉片則對煙道阻力幾乎無影響，故應(yīng)在彎頭1處布置一定數(shù)量的導(dǎo)流葉片，彎頭2處可不設(shè)置導(dǎo)流葉片。

圖12 模擬試驗Ⅱ的速度矢量分布Fig.12 Velocity vector distribution of experiment Ⅱ

圖13 模擬試驗I的壓力場分布Fig.13 Pressure field distribution of experiment I

圖14 模擬試驗Ⅰ的系統(tǒng)壓力Fig.14 System pressure of experiment Ⅰ

3.3.2模擬試驗Ⅱ

針對模擬試驗Ⅱ的優(yōu)化條件進行煙道壓力場分析,如圖15所示。可知，方案4的水平煙道仍存在大范圍的高壓區(qū)和低壓區(qū)分布，而方案6和方案7明顯消除壓力分布不均的現(xiàn)象。將模擬試驗Ⅱ阻力計算匯總?cè)鐖D16所示，可知4種方案的阻力相差不大，差值基本在10～20 Pa，處于同一阻力水平。

圖15 模擬試驗Ⅱ的壓力場分布Fig.15 Pressure field distribution of experiment Ⅱ

圖16 模擬試驗Ⅱ的系統(tǒng)壓力Fig.16 System pressure of experiment Ⅱ

3.4 優(yōu)化結(jié)果

模型B模擬試驗Ⅰ、Ⅱ的數(shù)值模擬結(jié)果表明，除方案2外，其他方案的系統(tǒng)阻力均處在同一水平，說明通過安裝彎頭1處的導(dǎo)流葉片能有效降低系統(tǒng)阻力。方案1、3、6、7有助于提升氣體流動的均勻性，改善了煙氣慣性導(dǎo)致的高速區(qū)與低速區(qū)的存在。

結(jié)合模擬試驗Ⅰ、Ⅱ結(jié)果，說明在布袋除塵器出口煙道底部的彎頭1處設(shè)置導(dǎo)流葉片，葉片數(shù)量推薦采用3或4片，能達到煙氣流速的均勻效果，同時降低系統(tǒng)阻力。而引風(fēng)機聯(lián)箱入口的彎頭2處所設(shè)置的導(dǎo)流葉片，對系統(tǒng)流場、阻力影響不大，可根據(jù)工程實際情況進行調(diào)整設(shè)計。

4 結(jié) 論

(1)本文采用CFD模擬工具對半干法脫硫煙道的流場均勻性進行模擬研究，探索影響流場均勻性的關(guān)鍵因素及通過優(yōu)化煙道及導(dǎo)流葉片布置提高流場均勻性的措施。預(yù)除塵器出口喇叭口匯合處，采用典型的擴容聯(lián)箱方案，借助降低流速改善煙氣對沖，但需考慮擴容流速降低帶來的積灰現(xiàn)象，調(diào)整煙道、鋼結(jié)構(gòu)積灰荷載的設(shè)計，提高安全裕度。

2)脫硫塔段(模型A)的核心優(yōu)化要素為提高脫硫塔氣流的均勻性。在脫硫塔底部設(shè)置一塊導(dǎo)流葉片可有效改善偏流現(xiàn)場，保證進入文丘里的煙氣速度均勻性，同時有效控制系統(tǒng)阻力。

3)布袋除塵器出口煙道(模型B)的核心優(yōu)化要素為降低系統(tǒng)阻力。在彎頭1處設(shè)置導(dǎo)流葉片，可有效改善速度分布，降低煙道阻力。導(dǎo)流葉片為1～2片時效果較差，導(dǎo)流葉片數(shù)量超過3片時，阻力基本達到最優(yōu)值，氣流分布也較好。彎頭2處的導(dǎo)流葉片對降低阻力、提高煙氣流場均勻性的影響不大。