馬科偉，楊　迪，肖愛(ài)萍，朱　銘，陳遐齡，高凱拓

(中國(guó)聯(lián)合工程公司，浙江　杭州　310052)

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流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)在脫硫塔托盤(pán)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馬科偉，楊迪，肖愛(ài)萍，朱銘，陳遐齡，高凱拓

(中國(guó)聯(lián)合工程公司，浙江杭州310052)

采用k-ε湍流模型對(duì)某燃煤鍋爐煙氣脫硫塔的托盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了各種孔隙率下，在托盤(pán)上方形成的持液層高度及因此而產(chǎn)生的壓降，對(duì)脫硫塔托盤(pán)的開(kāi)孔率和開(kāi)孔尺寸的設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用。在此分析基礎(chǔ)上選取合適的開(kāi)孔率并對(duì)脫硫塔整體建模進(jìn)行CFD流場(chǎng)數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果滿足工程實(shí)際需要，并已成功應(yīng)用于某熱電廠，實(shí)際運(yùn)行效果良好。

煙氣脫硫；數(shù)值模擬；托盤(pán)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)煤炭仍然占據(jù)著能源消費(fèi)的主要地位，隨著環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，環(huán)保部門(mén)對(duì)燃煤鍋爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格[1]。鍋爐煙氣脫硫技術(shù)層出不窮，其中應(yīng)用最為廣泛的是石灰石——石膏濕法脫硫，該工藝中SO2吸收系統(tǒng)是整個(gè)脫硫島的核心，主要由吸收塔、循環(huán)漿液泵和氧化風(fēng)機(jī)等設(shè)備組成。脫硫裝置為逆流式噴淋吸收塔，底部為循環(huán)漿池，中部主要部分為噴淋洗滌區(qū)，布置了托盤(pán)和三層噴淋系統(tǒng)。在吸收塔的上部布置除霧器，脫除煙氣夾帶的液滴。

1　研究對(duì)象

某煤粉鍋爐煙氣脫硫塔尺寸為φ5000 mm ×28000 mm，熱煙氣從入口煙道進(jìn)入脫硫塔，經(jīng)過(guò)托盤(pán)的減壓和均流之后，熱煙氣降溫并與托盤(pán)上方的漿液層充分混合，使得托盤(pán)上方形成含有大量泡沫的持液層，并進(jìn)行第一次脫硫反應(yīng)。隨后，煙氣繼續(xù)上行，與噴淋層噴淋而下的漿液混合，形成第二次脫硫反應(yīng)。最后，干凈的煙氣經(jīng)過(guò)除霧器脫除液滴后經(jīng)煙囪排出。

托盤(pán)是一種兩相逆流篩孔板，在篩孔板上表面設(shè)有單元隔離板，將上表面隔離一個(gè)個(gè)單元，煙氣在托盤(pán)上表面形成泡沫層，同時(shí)漿液也從中落下。氣流和液流之間有規(guī)律地脈動(dòng)，氣流和液流間歇通過(guò)小孔。托盤(pán)上的隔離板是為了防止脈動(dòng)過(guò)大，造成氣流通量不均勻。特別當(dāng)脫硫塔直徑增大后，若無(wú)隔離板，即會(huì)出現(xiàn)有些孔只通氣，不落液的現(xiàn)象，而有些則剛好相反，這勢(shì)必將嚴(yán)重影響氣液間傳質(zhì)，降低脫硫效率。由于托盤(pán)的每一個(gè)隔離區(qū)有多個(gè)通路存在，這種脈動(dòng)流動(dòng)可視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。托盤(pán)產(chǎn)生的壓降進(jìn)一步促進(jìn)了煙氣分布的均勻性，為噴淋層洗滌區(qū)的氣液均勻接觸提供了更為良好的保證。托盤(pán)產(chǎn)生的壓降由三部分組成，一是托盤(pán)的干板壓降；二是表面張力產(chǎn)生的壓降；三是托盤(pán)上表面的泡沫持液層產(chǎn)生的靜壓降。托盤(pán)的干板壓降是煙氣加速通過(guò)小孔時(shí)產(chǎn)生的，表面張力產(chǎn)生的壓降是為了克服氣液間的表面張力，靜壓降為托盤(pán)上表面的氣液泡沫層產(chǎn)生的，與泡沫層的高度有關(guān)。

以氣液兩相流體力學(xué)及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的觀點(diǎn)，噴淋吸收塔內(nèi)流體流動(dòng)的目的是強(qiáng)化氣液兩相的混合和質(zhì)量傳遞；延長(zhǎng)氣液兩相在塔內(nèi)吸收段的接觸時(shí)間，增大氣液兩相的接觸面積并盡量降低吸收塔系統(tǒng)阻力。而脫硫塔內(nèi)增加托盤(pán)是在增加一定壓降的前提下，大大增加了氣液混合程度及化學(xué)反應(yīng)的接觸面積，從而大大增加了塔內(nèi)的脫硫效率。

利用CFD軟件中的多相流模型分析液氣兩相在脫硫塔內(nèi)的接觸混合，氣流的走向及均勻程度，氣液在托盤(pán)位置的混合，持液層高度及隨之而來(lái)的壓降。本文首先選取脫硫塔內(nèi)的一個(gè)單元分析托盤(pán)孔隙率對(duì)持液層高度及壓降的影響；在確定合適的托盤(pán)孔隙率之后，再進(jìn)行脫硫塔的整體流場(chǎng)分析。

為分析簡(jiǎn)化，作如下假設(shè)：(1)吸收塔內(nèi)為絕熱過(guò)程，不考慮吸收塔與外界的傳熱；(2)將煙氣視為一具有均勻物性的氣體，具有混合氣體平均的密度、粘度、傳熱系數(shù)等物理性質(zhì)，忽略煙氣中特定組分對(duì)噴淋吸收塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)及流體流動(dòng)過(guò)程的影響；(3)不考慮漿液池上方氣液兩相區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)，且漿液池不計(jì)入計(jì)算域，化學(xué)反應(yīng)由過(guò)程化學(xué)模型計(jì)及；(4)忽略由于漿液池中因過(guò)剩氧化空氣的析出而導(dǎo)致的煙氣流量、組分及性質(zhì)的變化；(5)忽略噴淋吸收塔塔內(nèi)支撐件的具體結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)過(guò)程的影響，對(duì)噴淋層、噴嘴等塔內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行必要的數(shù)值簡(jiǎn)化處理[2-4]。

在此基礎(chǔ)上，建立了噴淋吸收塔內(nèi)湍流多相流動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型、液滴噴淋模型對(duì)吸收塔內(nèi)的湍流多相流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)氣相的湍流流動(dòng)和湍流輸運(yùn)特性、多相流動(dòng)及混合進(jìn)行了探討。

2　數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1托盤(pán)孔隙率分析結(jié)果

圖1是托盤(pán)分析計(jì)算的模型，選取了脫硫塔內(nèi)的一個(gè)單元進(jìn)行分析。煙氣從下方進(jìn)入，通過(guò)多孔托盤(pán)和噴淋層之后從上方流出；漿液從上方的噴嘴噴出，撞擊到多孔托盤(pán)后形成還有泡沫的持液層。本模擬分析了各種孔隙率下，在托盤(pán)上方形成的持液層高度及因此而產(chǎn)生的壓降。

圖1　脫硫塔噴淋單元

圖2　不同孔隙率積液層的高度

圖3　不同孔隙率壓力分布(Pa)

表1　噴淋單元計(jì)算結(jié)果匯總

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，孔隙率在35%～38%之間，持液層可以維持在100～200 mm之間，壓降維持在100～200 Pa之間，比較符合設(shè)計(jì)要求，建議托盤(pán)孔隙率維持在35%～38%之間。

2.2脫硫塔整體模型模擬結(jié)果

原始設(shè)計(jì)模塊，每個(gè)模塊的局部孔隙率為46.4%， 整體孔隙率為37.8%；調(diào)整為，中間的整體模塊(600×975)的開(kāi)孔為φ110 mm，邊角非整體模塊的開(kāi)孔為φ120 mm，這樣模塊的局部孔隙率為39.0%，整體孔隙率為33.8%。

邊角部分由于有擋液板，所以積液量會(huì)較多，增大邊角部分(非整體模塊)的開(kāi)孔直徑，可以適當(dāng)邊角部分積液流動(dòng)更加順暢，減小漿液沉積結(jié)垢的機(jī)會(huì)。整體脫硫塔模型見(jiàn)圖4。

圖4　脫硫塔整體模型

煙氣入口流量：290000 m3/h，溫度140 ℃；漿液噴淋量3000 m3/h，漿液密度1150 kg/m3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5～圖8。

圖5　脫硫塔整體壓力分布

圖6　脫硫塔整體漿液組分分布

圖7　脫硫塔整體速度分布

圖8　脫硫塔高度14 m和15.5 m高度的速度分布

從整體計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，33.8%孔隙率的托盤(pán)可以得到150～200 mm高度的持液層，該持液層帶來(lái)的壓降為200 Pa左右(托盤(pán)本身壓降45 Pa)，氣流在托盤(pán)之前的均勻程度為0.88，在經(jīng)過(guò)托盤(pán)和持液層的整流之后，均勻度增加到0.96。

3　結(jié)　論

本文首先選擇一個(gè)較小的噴淋單元來(lái)研究托盤(pán)的孔隙率與持液層及壓降之間的關(guān)系，得到了不同開(kāi)孔率下積液層高度和及因此而產(chǎn)生的壓降。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，孔隙率在35%～38%之間，持液層可以維持在100～200 mm之間，壓降維持在100～200 Pa之間，比較符合設(shè)計(jì)要求，建議托盤(pán)孔隙率維持在35%～38%之間。并在此基礎(chǔ)上，選擇33.8%孔隙率的托盤(pán)作為脫硫塔的構(gòu)建來(lái)模擬脫硫塔整體模型，從整體計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，33.8%孔隙率的托盤(pán)可以得到150～200 mm高度的持液層，該持液層帶來(lái)的壓降為200 Pa左右(托盤(pán)本身壓降45 Pa)，氣流在托盤(pán)之前的均勻程度為0.88，在經(jīng)過(guò)托盤(pán)和持液層的整流之后，均勻度增加到0.96。本文研究成果對(duì)于脫硫塔托盤(pán)開(kāi)孔率和開(kāi)孔尺寸設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用，已成功應(yīng)用于某熱電廠，實(shí)際效果良好。

[1]王立生.煙氣脫硫系統(tǒng)及其控制技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[2]岑可法, 樊建人.工程氣固多相流的理論及計(jì)算[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，1990:22.

[3]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2005:36.

[4]李仁剛,管一明.煙氣脫硫噴淋塔流體力學(xué)特性研究[J].電力環(huán)境保護(hù),2002,17(4):4-8.

Application of Flow-field Numerical Simulation Technology in the Optimized Design of Desulfurization Tower Tray Structure

MAKe-wei,YANGDi,XIAOAi-ping,ZHUMing,CHENXia-ling,GAOKai-tuo

(China United Engineering Corporation, Zhejiang Hangzhou 310052, China)

The k-ε turbulence model was adopted for numerical simulation of the desulfurization tower tray structure for a boiler flue gas. The liquid layer height above tray and corresponding pressure drop were analyzed for tray with different porositys. This research would play a guiding role for opening rate and hole size design of desulfurization tower tray.

FGD; numerical simulation; tray; optimized design

馬科偉(1985-)，男，工程師，研究生，從事煙氣脫硫脫硝工作與研究。

TE9

A

1001-9677(2016)05-0172-03