脫硫塔除霧器安裝高度對煙氣攜液量影響的模擬研究

張雙平，陳偉雄，賈西部，袁園

（1.大唐西北電力試驗研究院，陜西省 西安市 710021；2.動力工程多相流國家重點實驗室(西安交通大學)，陜西省 西安市 710049）

0 引言

隨著大氣排放標準的日益嚴苛，國內在役的燃煤機組于 2017年年底已基本實現排放煙氣的超凈改造運行。隨著環保設施運行時間的延長，仍將會面臨各種不可預知的問題，因此，“節能降耗”將成為燃煤電廠在穩定生產過程中的新課題[1-3]。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫作為一種運行穩定、脫硫效率高、運行費用低的工藝技術，得到了廣泛的應用[4-8]。某燃煤電廠由于燃用煤種發生變化，脫硫入口 SO2質量濃度從 4.5 g/m3升高到 6 g/m3，通過增大脫硫石灰石漿液循環量的方式滿足排放要求，由于噴淋漿液增多，進除霧器的煙氣攜帶的漿液液滴量增多，超過除霧器除霧能力(漿液液滴質量濃度不超過15 g/m3)，導致運行過程中存在周期性的除霧器阻力上升和結垢現象，造成除霧器局部坍塌。通過增大除霧器沖洗水量和減小進入除霧器的漿液液滴量的方法能夠有效避免此問題再次發生。然而大量增加除霧器沖洗水會導致脫硫水平衡難以維持，因此，減少進入除霧器的漿液液滴量成為緩解高硫煤電廠的除霧器阻力上升和結垢現象的有效手段。

目前，國內外學者對脫硫塔內部流場進行了廣泛的研究。曾芳等[9-10]對一種簡易的濕法脫硫噴淋塔進行三維數值模擬，并對脫硫塔內流場進行了分析和優化。耿萍等[11]通過CFD軟件Fluent對濕法脫硫立式噴淋塔的流場進行數值模擬，研究了噴淋塔的煙氣入口角度對流場內煙氣分布的影響。趙喆等[12]對噴淋層運行和停運2種情況下出口截面煙氣速度分布的均勻性進行了模擬研究。李樹華[13]模擬研究了運行參數對脫硫噴淋塔的阻力和脫硫效率的影響。Katolicky等[14]在考慮液滴的蒸發以及液滴與煙氣之間的傳質過程的影響下，對半干法煙氣脫硫的吸收過程進行了模擬研究。Novosád等[15]對煙氣脫硫吸收塔中2種噴嘴類型和 4種不同噴嘴布置方式進行了數值模擬。Carletti等[16]通過對石灰石溶解實驗建立數學模型，分析并優化濕法煙氣脫硫除塵器的運行。Perales等[17]提出了一種適用于大規模生產控制的識別方法，能夠在大范圍控制條件下的濕法煙氣脫硫系統中預測其動力特性，分析試驗裝置動力特性過程的物理化學現象。

以上學者主要針對脫硫塔結構和運行參數及其對脫硫效率的影響進行研究，對于煙氣對噴淋漿液的攜帶能力以及進入除霧器的漿液液滴量研究比較缺乏。為解決某電廠的除霧器阻力上升和結垢，甚至造成除霧器局部坍塌的問題，本文通過數值模擬方法分析脫硫塔流場及其液滴的攜帶特性，研究除霧器距離噴淋層高度變化和噴淋霧化粒徑變化等因素對進入除霧器的漿液液滴量的影響規律，為存在類似問題的國內燃煤電廠提供理論指導。

1 計算模型

1.1 邊界條件

本文選取速度入口和壓力出口邊界條件模擬研究脫硫塔內部氣液兩相流動。其中，Discrete Phase Model (DPM)模型中邊界條件為：脫硫塔塔壁選取trap類型；脫硫塔入口及出口選取escape類型。表1為對脫硫塔數值模擬的相關計算參數，計算參數選取的是某電廠脫硫塔實際運行數據。

表1 脫硫塔數值模擬的相關計算參數Tab. 1 Relevant calculation parameters of numerical simulation for desulphurization tower

1.2 物理模型

圖1為脫硫塔結構簡圖，煙氣進入脫硫塔，與噴淋層霧化的漿液液滴充分接觸，煙氣中的SO2與噴淋漿液中的石灰石發生反應并脫除。脫硫塔內部物理化學反應主要涉及如下幾部分：氣液多相流場分布；氣液之間的傳熱和傳質；煙氣和漿液之間的脫硫化學反應；噴淋液滴水分的蒸發；除霧器區域液滴的捕集。在模擬脫硫塔內部流場的過程中，特對塔內煙氣流動作如下假設和簡化：將煙氣視為不可壓縮的牛頓流體，并以空氣代替；石灰石漿液用液態水代替，其碰到塔壁后貼壁流下，不與流場作用；不考慮漿液之間碰碎與聚并及對煙氣流場的影響；忽略漿液池對煙氣、漿液的影響；液滴以球形狀態下落，不考慮液滴的蒸發。

圖1 脫硫塔結構Fig. 1 Desulphurization tower structure

由于脫硫塔內部煙氣對噴淋液滴具有攜帶作用，除霧器對煙氣攜帶的部分噴淋液滴捕集后，處理過的煙氣流經脫硫塔出口，并通過煙囪排放至大氣。除霧器對煙氣攜帶噴淋液滴的捕集會增大除霧器自身重量，需要定期對除霧器進行噴水沖洗。若吸收塔出口的煙氣攜帶液滴質量濃度升高，則會加劇除霧器自身的運行負荷。

1.3 數學模型

脫硫塔內部流場十分復雜，存在著高強度湍動的氣液兩相流，以及煙氣連續相和噴淋液滴顆粒離散相的相互耦合作用。選用合適的多相流模型和湍流模型，來分析脫硫塔內部的煙氣流場以及煙氣對噴淋液滴的攜帶作用至關重要。本文采用Realizablek-ε湍流模型計算煙氣介質連續相湍流流動，DPM模型用于模擬噴淋漿液液滴氣液兩相耦合計算。

1.4 網格劃分及網格無關性驗證

本文利用Fluent 16.0 對噴淋脫硫塔內部的氣液兩相流場進行數值模擬，采用前處理器 ICEM網格劃分工具對計算區域進行網格劃分。本文所研究的煙氣脫硫塔計算區域下部及出入口結構比較簡單，故采用結構化六面體網格。然而噴淋區結構復雜，需采用非結構化四面體網格。分別通過1 753 264、2 740 749和3 501 482的網格數進行模擬計算，選取脫硫塔內部中心線上壓力進行網格無關性驗證，見圖2。由于2 740 749和3 501 482的網格數模擬計算結果相同，綜合考慮計算機資源和計算結果可靠性，最終選取2 740 749作為后續脫硫塔氣液兩相流動的網格數。計算區域幾何模型的網格劃分結果如圖3所示。

圖2 網格劃分及無關性驗證Fig. 2 Mesh generation and irrelevance validation

圖3 脫硫塔計算區域網格劃分Fig. 3 Mesh generation of calculation zone for desulphurization tower

1.5 煙氣攜液高度理論分析模型

噴淋液滴在煙氣氣流作用下運動，主要受力為重力、浮力以及煙氣氣流對噴淋液滴的拽力。Turner等[18]在1969年提出了球形液滴模型(以下簡稱“Turner模型”)，并假設液滴在高速氣流攜帶下是球形。李閩等[19]認為被高速氣流攜帶的液滴前后存在一個壓力差，在壓力差的作用下液滴會變成橢球體(以下簡稱“李閩模型”)，如圖 4所示。扁平橢球液滴具有較大的有效面積，更容易被攜帶到井口中，因此所需的臨界流速都會小于球形液滴模型的計算值。

圖4 扁平橢球液滴Fig. 4 Flat oval droplet

在臨界流狀態下，液滴相對于井筒保持不動。液滴的重力等于浮力與阻力之和。李閩模型的計算公式[19]為

式中：ρ1為液滴的密度，kg/m3；ρg為煙氣的密度，kg/m3；vg為煙氣流速，m/s；v1為液滴的下降流速，m/s；V為液滴的體積，m3；S為液滴的垂直投影面積，m2；Cd為阻力系數，數值取1。

2 模擬過程與分析

2.1 除霧器特性與分析

除霧器自身的性能取決于煙氣流速。合理的煙氣流速是除霧器高效運行的關鍵，過低的煙氣流速導致液滴的慣性降低，液滴的逃逸量增加；在過高的煙氣流速下，能夠攜帶更大尺寸的液滴，到達除霧器入口液滴質量濃度增加，同時在除霧器本體內被二次攜帶的液滴量也增加。除霧器對液滴的分離也有極限，這種極限是由液滴極限尺寸來定義，小于極限尺寸的液滴只能部分被分離。所有大于極限尺寸的液滴理論上可被100%分離，同時極限尺寸取決于除霧器自身的型式和煙氣流速。行業內一般以小于20 μm的液滴質量濃度進行指標控制，各種型式除霧器的理論運行效率均在99%以上。除霧器的特性曲線如圖5、6所示。

圖5 除霧器液滴質量濃度和煙氣流速的關系Fig. 5 Relationship between droplet mass concentration and flue gas velocity in mist eliminator

圖6 除霧器液滴極限尺寸和煙氣流速的關系Fig. 6 Relationship between droplet limit size and flue gas velocity in mist eliminator

2.2 液滴被攜帶的臨界煙氣流速

脫硫塔中噴淋液滴一般平均直徑在2 000 μm左右，本節選取噴淋液滴粒徑為1 500～2 500 μm，計算了各模型下不同液滴粒徑對應的煙氣臨界流速，具體計算結果如圖7所示。目前普遍認為李閩模型能夠作為相對可靠的臨界流速計算模型，因此研究將以李閩模型的模擬結果進行數值分析。噴淋液滴的臨界流速選取范圍為4.5～5.7 m/s。

圖7 各模型下不同噴淋液滴粒徑的臨界流速Fig. 7 Critical velocity of spraying droplet size under different models

2.3 安裝高度及噴淋霧化粒徑對除霧器自身負荷的影響

目前該電廠脫硫系統除霧器距離噴淋層高度為 2.0 m，脫硫塔漿液噴淋霧化粒徑一般服從 R-R分布。本文分別對除霧器距離噴淋層高度為 2.0、2.5、3.0、3.5 m四個典型高度及平均噴淋霧化粒徑為1 500、2 000、2 500 μm三種粒徑進行模擬計算。到達除霧器的噴淋漿液液滴量決定了除霧器自身的運行負荷。當脫硫塔噴淋霧化粒徑為 2 000 μm時，在不同的除霧器距離噴淋層高度下，到達除霧器的液滴質量濃度分布云圖如圖8所示。可以看出，隨著除霧器距離噴淋層高度的增加，煙氣攜帶的液滴質量濃度顯著降低，同一水平斷面上的液滴質量濃度也逐漸趨于均勻。

圖8 不同高度下除霧器最下沿液滴質量濃度分布云圖Fig. 8 Distribution graphs of droplet mass concentration along the bottom of mist eliminator at different heights

在除霧器距離噴淋層不同高度及不同噴淋霧化粒徑下，到達除霧器最下沿的液滴質量濃度變化曲線如圖 9所示。可以看出，隨著除霧器距離噴淋層高度的增加，進入除霧器的漿液液滴量顯著下降。當d=2 000 μm，除霧器距離噴淋層高度從2.0 m分別增加至2.5、3.0、3.5 m時，進入除霧器的漿液液滴質量濃度從25 g/m3分別降低至19、14、12 g/m3。由此可見，當除霧器距離噴淋層高度增加至3.0 m時，能夠達到除霧器除霧能力。由圖 9可知，噴淋霧化粒徑的增大也能有效降低進入除霧器的漿液液滴量。當除霧器距離噴淋層高度為2.0 m，噴淋霧化粒徑從1 500 μm分別增大至2 000、2 500 μm時，進入除霧器的漿液液滴質量濃度從52 g/m3分別降低至23、10 g/m3。由此可見，當噴淋霧化粒徑達到2 500 μm時，也能夠達到除霧器除霧能力。

圖9 除霧器最下沿的液滴質量濃度變化曲線Fig. 9 Variation curve of droplet mass concentration at the bottom edge of mist eliminator

3 結論

為解決某電廠因燃煤硫分升高而導致除霧器阻力上升和結垢，甚至造成局部坍塌的問題，通過數值模擬方法對脫硫塔內部氣液兩相流場進行模擬，研究脫硫塔除霧器安裝高度對煙氣攜液量的影響，結論如下：

1）除霧器距離噴淋層高度的增加能夠有效降低進入除霧器的漿液液滴量。當噴淋霧化粒徑為2 000 μm，除霧器距離噴淋層高度從2.0 m增加至3.0 m時，進入除霧器的漿液液滴質量濃度從25 g/m3降低至 14 g/m3，降低了 44%，能夠達到除霧器除霧能力。

2）噴淋漿液噴淋霧化粒徑的增大能夠有效降低進入除霧器的漿液液滴量。當除霧器距離噴淋層高度保持在2.0 m，噴淋霧化粒徑從2 000 μm增大至2 500 μm時，進入除霧器的漿液液滴質量濃度從23 g/m3降低至10 g/m3，能夠達到除霧器除霧能力。