脫硫塔流場結構優化及速度不均勻度分析

李偉偉，宋 獻，張立棟，陳繼宇，睢銀江，霍延明

(1.華能巢湖發電有限責任公司，安徽 巢湖 238015；2.中國中元國際工程有限公司，北京 100089；3.東北電力大學 油頁巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林 132012)

0 引 言

為實現“十四五”能源清潔高效發展目標，火電機組運行中須保持常態化的高環保指標。負荷波動時脫硫效率波動較大，為保證環保要求和超凈排放，國內火電機組煙氣脫硫運行過程被迫降低反應效率，增加石灰石消耗[1]。大型石灰石濕法脫硫塔平穩負荷且高效運行時，才能保證高脫硫效率(約96%)。研究發現，脫硫塔內煙氣流動不均[2-3]，煙氣沖擊脫硫塔一側壁面現象十分明顯，但設計時漿液霧化噴嘴的布置方式為均勻布置，同一水平截面煙氣中SO2濃度差異較大。煙氣速度較低一側的石灰石漿液相對煙氣中SO2反應所需量較充足，能充分反應，但煙氣速度較高處的SO2濃度較高，超出該區域反應能力[4-6]。為解決此問題，避免煙氣脫硫效率大幅下降，運行時需增加石灰石漿液流量，保證煙氣速度較高，SO2含量較高的區域才能充分反應。實際運行中600 MW機組的煙氣脫硫塔，即使在負荷較低情況下，漿液循環泵也須保持2臺及以上投入運行。

針對上述問題，國內外學者提出了改造方案，曾芳[7]、宋健斐等[8]提出將入口改為斜向下，增加煙氣流程。過小玲等[9]研究發現塔內增加均流孔板等進行均流可以提高反應效率。但WANG等[10]研究塔內渦流尺度時發現孔板造成的壓損增加為原先的3～4倍。于菲等[11]研究塔內旋流板安裝角度對壓差損耗的影響。郭瑞堂等[12]提出優化塔內流場可改變反應效率。何仰朋等[13]提出增加脫硫催化劑可有效提高脫硫效率，但催化劑長期使用成本較高，且對漿液pH影響較大，燃用不同煤種需調整。FRANDSEN等[14]通過研究流場內情況改進反應效率，李立清等[15]分析氨法反應器內液滴顆粒運行軌跡和反應時，發現與濕法反應有相似性。為從根本上改變塔內反應不均問題，提出一種塔內煙氣流動的整體優化方案，實現煙氣流動均勻優化，減少成本。

筆者針對目前600 MW機組石灰石濕法煙氣脫硫技術存在的不足進行優化設計，根據塔內煙氣速度分布隨負荷波動的特性，提出一種整體煙氣流動優化方案，具有較高的可行性，為同類型機組改造和優化提供理論基礎和參考。

1 物理模型

研究對象為某600 MW機組脫硫塔，原設計結構如圖1所示，塔體高度總高度為34.053 m，外部直徑15 m，液相區深度8.472 m，煙氣反應區高度24.25 m；入口設計下部傾斜設置，與豎直方向夾角82°，入口與塔體中心線最近距離為4.565 m，入口與煙道連接位置上壁面與水平夾角為10°；傾斜段長度0.6 m，下壁面夾角為15°，傾斜段長度1.961 m，與煙道連接截面寬度7.519 m，水平段長度6.868 m，入口段長度11.9 m。出口端寬度3.8 m，與煙道連接截面與塔體中心線距離為8.2 m，長度為15 m。噴嘴區域布置在出口下部，寬度5.172 m，噴嘴方向為雙向，上下對稱布置。

圖1 脫硫塔結構Fig.1 Structure of the FGD tower

在原設計基礎上增加均流板和導葉以減少回流[16]及阻力[17]，結構如圖2所示，均流板設置在液相區之上7.5 m，高度為1 m，與入口方向垂直的均流板采用斜置，角度與豎直方向夾角為72°，均流孔為正方形，沿入口煙氣方向與垂直入口方向均為2 m，在靠近壁面位置，與入口煙氣流動方向垂直的均流板向塔體中心傾斜角度為72°。平行于煙氣入口流動方向均流板垂直布置，垂直和平行于入口流動方向均流板數目均為7片。2片導葉共同作用，葉片1為圓弧導葉角度40°，半徑1.5 m，布置在入口上壁面下0.6 m，距離入口水平段端點1.6 m；導葉2包括圓弧段與直段，角度為35°，半徑3.5 m，直段長度為1 m，布置在距導葉1入口端點的1.042 m，距入口上壁面1.39 m位置處。導葉和均流板壁厚均設置為0.01 m。

圖2 優化方案結構設計Fig.2 Structure design of the optimized scheme

2 計算設置

對研究對象進行網格劃分，流場為液相區以上部分，其網格及無關性如圖3所示，噴嘴均勻布置，對煙氣流動的不均性影響較小，研究塔內流場時可簡化。塔內煙氣流動受結構影響較大，采用非結構化四面體網格進行分區劃分，以適應流場變化[18]，在入口階段和反應區加密[19-20]。進行網格無關性驗證，選取不同網格數30萬、47萬、68萬、90萬，網格數達到68萬時，出口速度基本保持穩定，考慮計算效率，選取網格數68萬。

圖3 網格及無關性驗證Fig.3 Grid and independent verification

煙氣在脫硫塔內部流動，負荷一定時流場基本不變，近似為定常流動，入口為速度入口，出口為壓力入口。湍流模型選取適合低壓力梯度的k-ε標準型，算法采用速度壓力耦合算法，魯棒性較好，精度二階。不同負荷下，煙氣速度不同，入口工況見表1。

表1 方案設置

3 計算結果與分析

3.1 煙氣速度不均勻分析

脫硫塔技術十分成熟，目前常用于通過石灰石漿液與煙氣反應脫除SO2及少量SO3，主要方程為

(1)

脫硫塔設計中，漿液噴嘴均勻布置在塔體內部，在不同高度向下均勻噴灑石灰石漿液，影響脫硫效率的主要因素為煙氣速度分布。通過研究煙氣流動得出脫硫塔內的主要流場特性。

不同工況下，流場內速度變化對脫硫效率影響較大，實際運行中，漿液中脫硫劑(Ca(OH)2(s))濃度、pH和煤中硫分基本不變時，反應效率隨負荷變化如圖4所示。可知在24 h內，脫硫效率a隨負荷波動呈明顯的反向變化趨勢。且隨著負荷上升，脫硫效率下降，相反負荷下降時，脫硫效率在短時間內明顯上升，主要原因是增負荷過程中，煙氣速度增加，原先煙氣較集中的區域，煙氣量進一步增加，導致短時間內局部大量SO2和少部分SO3無法與石灰石漿液完全反應，總體脫硫效率下降；反之當負荷下降時，之前高流量區域煙氣量減少，脫硫效率上升，當負荷穩定時，流場內煙氣速度分布處于穩定狀態，石灰石漿液pH、漿液濃度和噴淋效果處于穩定狀態，脫硫效率基本穩定。

圖4 脫硫效率和負荷隨時間變化Fig.4 Change of desulfurization efficiency α and load with time

由于中間區域為主要反應發生區域，量化分析反應區域的立體速度分布不均程度。選取X-Y方向垂直高度為8、11、14、17、20 m截面，將空間分為4部分，通過體積加權方式得出整體速度不均勻度。

通過將截面分為N個單元面采用面積加權方式分析截面不均勻度λ，具體為

(2)

單元部分中間截面速度不均度取上下截面的不均勻度平均數：

(3)

式中，ωi為單個截面平均不均勻度，%；λu為上截面不均勻度，%；λd為下截面不均勻度，%。

整體中間區域的速度不均勻度ω為

(4)

在原設計流場下，保持機組負荷、石灰石物理性質、漿液pH及噴淋投入不變，漿液制備設備穩定，研究入口速度對脫硫效率和不均勻度的影響，結果如圖5所示。可知脫硫效率α在不同負荷下與ω的變化趨勢基本相同，表明煙氣速度分布為影響脫硫效率的主要因素，通過研究煙氣流動能得出脫硫塔內的主要流場變化。

圖5 α與ω隨入口速度的變化Fig.5 Change of α and ω with inlet velocity

對比優化前后塔體內的不均勻度，結果見表2。可知不同入口速度下，2個方案的塔體ω總體隨入口速度的升高而降低，且優化方案采用柵板和導流板，11 m截面處ω降低約10%，14、17 m截面處降低約20%，主要是由于11 m截面處通過優化結構分流，煙氣初步均流，14、17 m處，優化結構下并未形成大尺度渦，速度分布明顯改善，除8和20 m處優化方案較高，其他位置優化后速度不均勻程度明顯低于原設計。采用優化方案后，煙氣流動明顯改善。

表2 各工況下截面不均勻度ωi與中間區域不均勻度ω

3.2 塔內流場分析

3.2.1塔內速度分布

分析了不同高度X-Y截面速度分布，不同水平截面內，速度分布差異明顯。無煙氣流動干擾下，漿液霧滴在脫硫塔內均勻向下流動，但實際同一高度水平截面內的煙氣速度分布不同，裹挾液滴能力不同。選取液相區以上高度為3.5(優化結構下方)、10(優化結構上方)、15、22 m的水平截面，以入口4 m/s為例，原設計與優化設計的速度差異如圖6所示，可知差異主要體現在10 m和15 m截面，在該高度下，煙氣流過均流板后，在水平截面內分布更均勻，相對原設計速度較低和速度過高區域面積明顯減小，且中間位置煙氣速度較高。原設計中速度較高的位置偏向一側，截面煙氣偏向導致差值超過2 m/s。高度3.5 m位置，下層煙氣流動方面，優化設計方案低速區面積同樣減少，同時煙氣流出入口位置由于導葉2存在，導致煙氣轉向，形成一個向上匯聚的渦流，但經過均流板后消旋。在22 m處，原設計由于煙氣從一側向出口流動，煙氣速度在水平分布上優于優化方案，優化方案的煙氣由塔體中間位置向出口方向流動，在出口對側出現明顯的流動不暢區域。

圖6 入口4 m/s不同高度截面速度分布Fig.6 Velocity distributions on different heightsections under the inlet velocity of 4 m/s

以入口速度3.4 m/s為例，中間X-Z方向截面的速度分布如圖7所示，可知原設計的結構流場中間截面，煙氣進入塔內受入口結構影響，主流彎曲，之后與對側的吸收塔壁面發生碰撞，流向在吸收塔頂部基本水平，從出口流出。流場內存在明顯渦流，尺寸較大，直徑為15～18 m，入口上部，煙氣沿壁面下沖，運行中該位置發生下洗現象，漿液霧滴被裹挾至壁面位置，形成液膜向下流動，并導致入口石膏堆積，出現石膏層。同時由于慣性原因，超過80%的煙氣從入口對側流向吸收塔上部，該位置煙氣速度較高，超過1.8 m/s，渦流中心位置的煙氣速度則低于0.3 m/s。整個塔體內，入口方向的對側、下部和上部都存在明顯流動死區。總體上入口對側的速度明顯大于靠近入口一側的速度，但噴嘴均勻布置，煙氣速度分布容易造成塔體的脫硫效率在實際運行中低于設計值，只能依靠增加漿液循環量彌補，能耗較大。

圖7 入口速度3.4 m/s中間截面速度分布Fig.7 Velocity distributions on centre sectionsunder the inlet velocity of 3.4 m/s

優化設計方案中，煙氣進入吸收塔后，先經過入口處導葉分配流量，靠近入口結構上部壁面區域約1/8煙氣經過導葉1向上偏轉，并通過均流板后向上流動，部分煙氣流經導葉1和2之間的區域，由于導葉1彎曲導致通流截面縮小，煙氣加速達到整個流場內最高速度4 m/s左右，之后流向均流板中間位置，流過均流板后繼續向上流動。而入口中下部，約1/2煙氣受導葉2影響，其向上偏轉的位置被推遲。導葉2由直段和圓弧段構成，可減少阻力損失，同時使圓弧段位置更靠后，推遲轉向，但煙氣流過直段后，發生偏轉的位置更靠近塔體中心，繼續向上流動，煙氣進入靠近入口對側的均流板。通過導葉1和2入口的煙氣被分配為3部分，較均勻分布在同一水平面。均流板設計區別于傳統均流孔板與蜂窩器，其Y軸方向的板體為斜置，且偏向入口方向，使煙氣流過入口后的斜向運動被抑制。由于入口一側布置，導致煙氣流入塔內后，在慣性作用下，不可避免向入口對側偏轉，導致靠近入口的上部空間出現渦流。實際運行中，由于塔內石灰石漿液的存在，內部濕度較高，煙氣流過入口后即攜帶大量液滴，煙氣混合物密度增加，流動慣性增強，渦流加強。而采用斜置均流板，該現象明顯削弱，塔內沒有與原設計流場內相似的渦流。為防止煙氣沿壁面流動，將靠近壁面位置均流板偏轉方向改為朝向塔體中心。采用均流板和入口導葉后，整個截面內無直徑超過2 m的渦流，入口上部渦流尺寸明顯減小，靠近上部位置的壁面附近無大量煙氣沿壁面向下流動，漿液沿壁面流動和形成石膏層的可能性明顯降低。

3.2.2塔內動壓分布

脫硫塔運行過程中，煙氣與噴嘴射流之間的空間分布不均，使漿液顆粒與SOx接觸在不同空間位置上存在較大差異，煙氣過于集中在某一區域，分析X軸方向不同位置的動壓，動壓與速度的關系為

(5)

式中，p為動壓，Pa；ρ為工質密度，空氣密度為1.06 kg/m3；v為法向速度，m/s。

選取X-Z方向中間截面，以反應區中心點為原點，X方向為正方向，分析-5.5、-4.0、-1.0、3.0、5.8 m 處5條線上的垂直動壓分布，如圖8所示。

由圖8可知，原設計方案在各工況下，總體上動壓分布可分為3部分：入口段(0～6 m)、中間區域(7～20 m)、出口區域(20～24 m)。5.8、3.0、-1.0 m垂直高度上動壓變化趨勢與-4.0、-5.5 m相反。主要是由于塔體內中間截面的動壓隨高度變化波動較大，在入口、頂部出口處中間區域和入口一側的煙氣流動方向發生偏轉，渦流導致垂直方向在出入口附近速度較低，中部區域后側煙氣局部速度增加明顯，在該區域塔體的后部區域動壓明顯高于其他位置。中部區域為主要脫硫反應發生的區域，對脫硫效率影響較大。靠近入口位置的動壓變化較早，但入口速度為3.4 m/s時，在中部區域動壓分布區別于其他工況，后部-5.5 m在高度12～17 m變化早于-4.0 m位置，且動壓高出20%左右，靠近中間位置動壓較平緩，入口側波動幅度有所增加。主要原因是入口煙氣在底部發生偏轉后向上流動，形成的主流貼壁向塔體中心位置移動，入口側渦流尺度和位置發生變化。隨入口速度增加，出口區域的沖擊和轉向現象增強，在22 m處，后部位置的動壓下降，而靠近入口側則有所上升。

采用導流板和均流柵板后流場內5 m后各位置的動壓差異明顯減小，中部主要脫硫反應區的動壓差異減少約70%。入口和出口段動壓明顯較大，主要是由于靠近入口和出口一側煙氣進出流場時通流面積改變。

3.2.3出口參數

出口截面的參數變化如圖9所示，通過對比出口速度得到不同方案的煙氣流動阻力，而湍動能反映煙氣將漿液帶出吸收塔的可能性，湍動能過大將增加除霧器壓差，嚴重時導致降負荷甚至停機。不同入口速度下，優化方案的出口平均速度均大于原設計方案，有效減少引風機電耗，降低廠用電量。優化方案出口平均湍動能均小于原設計，且隨著入口速度增加，降低程度增加，最高降低約50%。

圖9 出口參數變化Fig.9 Parameter changes of outlet

總體而言，原設計脫硫塔運行內煙氣流動過程分布不均，使漿液和煙氣內SO2和SO3在部分區域反應不完全，部分區域漿液過多。通過優化煙氣分布，煙氣被分割為3部分，并在多個彎轉向上運動的過程中分配流量，通過斜向均流板，提高了煙氣塔體速度分布的均勻程度，流動更順暢，明顯改善與漿液反應不完全或漿液過多等情況。

4 結 論

1)對脫硫塔進行整體優化，利用均流板進一步減少煙氣流動的分布不均。塔內流場隨負荷波動發生變化，對脫硫效率影響較大，脫硫效率變化與負荷呈負相關，煙氣速度不均勻度與脫硫效率變化趨勢相同。

2)原設計方案塔內流場存在明顯渦流，且尺寸較大，直徑為15～18 m，煙氣流動偏向一側，嚴重影響脫硫效率。

3)優化方案的煙氣流動分布較均勻，流場內無大型渦流，有利于提高脫硫效率，中間反應區域動壓差異減少70%左右。

4)不同負荷下，優化方案煙氣流動阻力較低，出口速度相對原設計增加0.1～0.2 m/s，出口湍動能最高降低約50%，漿液被裹挾出塔的可能性降低。