湿法脱硫系统事故烟气急冷数值模拟研究

高 原，薛 雷

(哈尔滨电气股份有限公司，黑龙江哈尔滨 150046)

0 引言

石灰石－石膏湿法烟气脱硫技术是目前大型火电机组广泛采用的一种脱硫方法，具有技术成熟、脱硫效率高、系统可利用率高等优点。另一方面，脱硫系统实际运行的安全性也是衡量系统优劣的一个重要指标，尤其是在系统取消烟气旁路的情况下［1－2］。事故急冷装置是为了避免事故高温烟气对吸收塔内件造成损害而采取的一套安全设施［3］。事故急冷装置设计和安装在湿法烟气脱硫系统入口烟道处［4］。本文结合某具体2×350MW机组脱硫实体工程，对系统中的事故急冷装置进行了气液两相流动和换热的数值模拟计算。在此基础之上，通过改变冷却喷嘴的布置方式，进行了流场和温度场的对比，给出了最优的理论设计方案。

1 几何模型、网格模型及数值计算模型

根据某2×350MW火电机组工程脱硫系统的总体布置，事故急冷集装置拟布置在引风机出口与吸收塔之间的烟道内，为了保证冷却介质有足够的换热蒸发距离，装置布置在吸收塔远端并靠近引风机侧。吸收塔入口处的烟气温度即事故急冷装置出口侧的烟温是本研究的关注点，为了剔除数值计算过程中边界插值对计算结果带来的影响，将计算域进行适当延伸，使关键参数位于计算域内部，而不是计算域的边界处，避开了边界插值对计算结果的影响，几何模型具体参看图1。脱硫系统事故冷却装置几何结构相对规则、拓扑相对简单，采用ANSYS网格工具生成全六面体的结构化网格进行求解。

本数值计算研究，采用流体力学软件ANSYS FLUENT进行数值求解。主要考察事故高温烟气经过急冷装置后到吸收塔入口处的冷却情况，事故烟气温度为230℃，冷却烟气温度降至80℃以下。急冷装置核心部件为冷却喷嘴，螺旋实心锥式，具有120°的喷雾角，在0.7MPa下粒径为167μm。冷却水温度为25℃。

设备内流道的截面形状和流动方向多变，导致烟气流动的不均匀性，这将严重影响喷雾产生的雾化液滴的运动、蒸发情况。另外，急冷装置的后端联接有低温省煤器，热烟气通过省煤器会产生压降与温降，对应急装置内的流动和传热产生综合影响。本数值模拟工作之初，已经对急冷装置内的烟气流动和换热过程进行了单相的数值计算，并以此来校验和标定了所建立的数学模型。

事故工况的模型选择和参数如下：湍流模型采用realizable k～ε;组分输运模型计算4种主要成分(O2、N2、CO2和H2O)的输运过程;省煤器简化模型选择多孔介质模型;多相流模型：DPM［5－6］。边界条件：气体入口 mass－flow－inlet 237.35kg/s;出口：pressure－outlet;壁面：按绝热壁面处理;参考压力：103630Pa。

图1 事故急冷装置布置几何模型

2 事故工况下单相流数值模拟计算

对于事故工况的单相流计算(考虑低温省煤器不工作的极端恶劣工况)，即在没有急冷喷嘴对事故烟气喷雾降温的情况下，急冷装置内不发生传热过程，省煤器的存在仅影响烟气的流动，不影响烟气的温度。

如图2所示，为事故工况条件下，计算到的设备内气体的流线，该图显示气体在设备内存在一定的回流情况。烟气从对置的进口进入，发生对撞后依次通过90°弯头和渐扩的膨胀节，在膨胀节上方形成一个大涡流。烟气通过省煤器区域，而后通过扇形烟道，受到一定的离心力作用，使烟气贴着扇形烟道外侧运动，造成烟气流场分布不均匀。

事故工况下，烟气的温度相对较高，相同质量流量的烟气流经急冷装置，流速更高，速度场分布见图3。CFD计算中以时间表示的流线显示烟气在设备内的停留时间相对正常工况要小一些。

图2 急冷装置事故工况下流线

图3 急冷装置事故工况下速度场

图4 急冷装置安装截面上速度场/速度矢量分布

单相流场的CFD计算结果显示，拟选定的喷嘴安装位置(膨胀节以上0.5m处)截面上的速度场分布并不均匀，见图4。为保证蒸发效果，我们将基于该计算结果设计并优化喷嘴的布置方式。

3 原始喷嘴布置方案的数值计算

喷嘴拟布置方案如图5所示，该布置方案中采用96支螺旋实心锥喷嘴，设置每支喷嘴的流量为49.8l/min，对应系统的水耗为 286.85t/h。

图5 原始喷雾系统布置方案

经过数值模拟计算，得到了温度场分布情况，结果发现设备内的温度场分布并不均匀，这主要是由于烟气在经过对撞流、90度弯头、膨胀节等几何特征后在膨胀节上方形成大涡流所致。涡流的存在造成喷雾液滴的回流，使得液滴在设备内停留时间的差异很大。另外，烟气通过扇形烟道时，受到一定离心力的作用，使烟气贴着扇形烟道外侧运动，其中所裹挟的液滴也将贴着扇形烟道外侧运动，造成出口截面上烟气的温度分布不均匀，且扇形烟道内侧的温度偏高。

图6为事故工况条件下增设喷雾冷却系统，喷雾冷却系统采用如图5原始布置方案时，计算得到的设备内喷雾液滴的运动轨迹图。

图6 事故急冷装置采用原始喷雾布置方案液滴运动轨迹

从图6可以看出，膨胀节上方大涡流的存在使喷雾液滴受到裹挟而滞留，对照温度云图也可发现，因为液滴的停留时间长，大涡出现的地方温度明显更低，造成温度分布不均匀。另外，出口烟道中液滴运动轨迹的俯视图也清晰的表明烟气通过扇形烟道，受到一定的离心力，造成烟气贴着扇形烟道外侧运动，而液滴同样受到离心力与气流裹挟力的作用，具有贴着扇形烟道外侧运动的趋势，使得靠近外侧壁面的气液相间接触更为充分，对照温度云图也可发现，靠近扇形烟道内侧处，温度更高，造成温度分布的不均匀。

表1给出了事故工况下急冷装置内各流场参数的分布情况。该方案采用96支实心锥喷嘴，采用不均匀布置方式，考虑省煤器不工作的最极端恶劣工况。设置每支喷嘴的流量为49.8L/min，即对应水耗286.85t/h。在当前布置方案下，可以实现蒸发率41.99%;烟道出口平均温度为66.15℃，烟道出口截面上最高温度为74.8℃;烟道进口平均温度为68.79℃，烟道出口截面上最高温度为74.8℃;烟道进口平均温度为68.79℃。

由上述计算结果可见，出口截面的平均温度与最高温度均低于设计要求，且目前的蒸发率并不算高，还有一定的优化空间，使出口烟气在满足设计要求的前提下，进一步降低水耗。

表1 事故急冷装置采用原始喷雾布置数值计算结果

4 优化喷嘴布置方案的数值计算

基于上述原始喷嘴布置方案的计算结果，我们采用CFD对喷雾系统的布置以及水耗进行了优化。图7为优化后喷雾系统的布置方案。该布置方案中采用84支喷嘴，设置每支喷嘴的流量为48L/min，对应系统的水耗为241.92t/h。

图7 优化后的喷雾系统布置方案

事故工况条件下增设喷雾冷却系统，喷雾系统采用如图7所示优化的布置方案时，计算得到设备内气体的温度场分布，以及液滴运动轨迹与喷雾形态(详见图8)。不难看出，与原始喷雾布置方案计算结果相比较，其变化规律和趋势基本保持一致，只是具体指标有所差异。表2给出了事故工况下采用优化的喷雾系统布置方案时急冷装置内各流场参数分布情况。

表2 事故急冷装置采用优化的喷雾布置数值计算结果

采用优化的喷雾布置方案，设置每支喷嘴的流量为48l/min，即对应水耗241.92t/h。在当前布置方案下，可以实现蒸发率49.57%;合金烟道出口平均温度为67.04℃，合金烟道出口截面上最高温度为78.88℃;合金烟道进口平均温度为73.76℃，合金烟道进口截面上最高温度为85.56℃。由上述计算结果可见，该喷雾系统布置方案下出口截面的平均温度与最高温度均满足设计要求。

图8 事故急冷装置采用优化喷雾系统布置方案液滴运动轨迹

5 结语

本数值模拟计算根据某实体脱硫系统事故急冷装置几何及物理参数按照1∶1比例建立了急冷装置内喷雾蒸发冷却过程的CFD数值计算模型。采用商用计算流体力学软件ANSYS FLUENT进行模拟，建立的数学模型中考虑了液滴的雾化、蒸发、与主体气流之间双向耦合作用。本研究采用标定过的数学模型对急冷装置在事故工况下其前后的流场及温度场分布进行了预测，并提出了基于原始喷雾布置方案的一种优化方案，该方案在能满足设计要求的前提下，最大限度的减少喷嘴数量和水耗。由于本数值计算研究假设的烟气温度、流量、成分均为衡定的工况，实际工程中这些参数均处于波动状态，同时，目前选择的急冷喷嘴在工作压力700kPa的条件下，能提供64l/min的流量，具有较大的调节范围，所以建议在正式施工或使用中预留一定的水量余量，以确保装置冷却性能的可靠性。

［1］蒋丛进.国华三河电厂脱硫装置取消烟气旁路技术［J］.中国电力，2007，(7)：93－96.

［2］沈海涛.无旁路湿法烟气脱硫系统的设计原则与设备配置［J］.电力科技与环保，2013，29(5)：11 －12.

［3］Alstom Technology Ltd.FGD User＇s Design Manual［M］.USA：Alstom Technology Ltd.2004.

［4］朱国宇.湿法烟气脱硫装置喷水降温方案设计［J］.电力科技与环保，2013，29(5)：8 －10.

［5］Fluent Inc.FLUENT User＇s Guide［M］.USA：Fluent Inc，2001.

［6］陶文铨.数值传热学［M］.西安：西安交通大学出版社，2006.