燃煤锅炉导流板型脱硫烟塔的烟气流场优化设计

周赞庆，孙勤贺

(1.青岛能源热电有限公司，山东青岛266021;2.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061)

燃煤锅炉导流板型脱硫烟塔的烟气流场优化设计

周赞庆1，孙勤贺2

(1.青岛能源热电有限公司，山东青岛266021;2.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061)

针对工业锅炉现有脱硫烟塔存在的脱硫效果不佳现象，研究工业锅炉脱硫烟塔的流场优化与结构改进。提出内径渐缩管段和内壁非连续螺旋上升导流板设计，解决高位脱硫浆液喷淋不均和塔内流场不均、脱硫反应不足等问题。基于对塔内烟气流场的优化，确定塔内导流板的数量和结构参数。模拟分析改造前后脱硫烟塔的烟气流场，结果表明合理布置非连续螺旋上升导流板后，塔内烟气流场的均匀性与脱硫反应时间均得以有效改善，从而提高烟塔的脱硫效率。

脱硫烟塔;导流板;流场优化

0 引言

近几年，大型火电厂烟气脱硫工程强力推进并取得了一定成效，中小型锅炉的烟气治理也在跟进启动［1－2］。有机热载体锅炉广泛应用于化工、印染、制药等，因具有低压高温的工作特性而得到各领域用户青睐［3］。

某印染企业9.3MW有机热载体燃煤锅炉，液相工质为导热油，排烟温度为350～380℃，前期烟气仅采用多管除尘器除尘、脱硫吸收塔脱硫后经烟囱排出，系统运行不足半年，经常出现烟囱出力不足、脱硫塔堵塞等问题，更因烟尘、SO2排放浓度不达标而停机整顿。该印染企业决定对导热油锅炉机组现有脱硫烟塔存在的问题进行改进。调查发现，企业锅炉机组场地面积较小，烟气进入脱硫吸收塔时温度较高，烟气存在余热回收的必要，为此在原系统的基础上，增加了余热回收装置，同时采用脱硫烟塔代替原烟囱和脱硫吸收塔，所有装置(锅炉除外)均放置在高5m的平台上。

本文设计基于“烟塔合一”技术的脱硫烟塔装置，即将烟囱和脱硫吸收塔合二为一，并引入导流板改善流场分布，强化脱硫过程。因其工艺简单，投资节省，日常运行维护方便等特点，非常适用于中小型锅炉机组［4－5］。由于脱硫烟塔进口烟气温度在80℃左右，容易在烟囱内壁上凝结成腐蚀性酸液，加速了对烟囱的腐蚀，为解决此问题，全塔采用复合材料玻璃钢，它集中了玻璃纤维和合成树脂的特性，具有质量轻、强度高、耐化学腐蚀、绝缘隔热、耐瞬时高温烧蚀、强度和形状可设计性强等优点［6－8］。基于不同结构和运行条件下的模拟计算，优化塔内烟气流场，确定塔内导流板的结构参数。通过与未加装导流板脱硫空塔的烟气流场对比分析，验证该设计提高烟塔的脱硫效率的可行性，同时指出烟气流场数值模拟对布置喷淋层的重要指导意义。

1 设计思路与结构参数

脱硫烟塔本质上是一种喷淋塔，和喷淋塔一样，塔内烟气和浆液的流场分布直接决定着塔内的传质、传热及反应进行，特别是烟气的流动特性直接影响到烟塔几何尺寸的确定及塔内喷嘴数量、喷嘴型式和喷嘴的布置方式等［9－11］。

通过对脱硫烟塔的数值模拟，发现塔内烟气流动不均、气流偏转，而喷淋层布置采用同心圆方式，且喷嘴数量较少，从而导致了烟塔脱硫效率严重下降的问题。文中涉及的烟塔优化设计着眼点主要包括以下几点:(1)提高脱硫烟塔内烟气流场的均匀性;(2)在脱硫反应全高度段保持喷淋液的雾化效果;(3)使烟气具有旋流板塔的流动特性以增加喷淋浆液在烟塔内的行程及与烟气的接触反应时间［12－14］;(4)避免喷淋液在塔内壁和导流板表面的附着与堆积。基于上述考虑，在不改变脱硫烟塔主体结构的基础上，采用变直径高度段喷淋液上升管设计，在喷淋层和烟气进口之间嵌装螺旋上升的非连续导流板，如图1所示。

经过多次改变导流板数量、结构参数和位置，最终得到了合理优化的烟气流场。本设计在塔内布置3块导流板，高度均为100cm，均旋转180°，导流板自下至上的宽度分别为62、62、55cm，相邻两导流板在垂直方向间距15cm，在水平方向有10～20°的重合部分。第1块导流板安装位置的起点与烟气入口正对，高度距烟道上边垂直高度为25cm。

图1 脱硫烟塔模型

在7～12m的位置，均匀间隔1m布置四层喷淋层，每层布置6个喷淋支管，螺旋喷嘴布置在喷淋支管末端，每层6个喷嘴，喷淋支管直径和中间管道的直径见表1。

表1 喷淋支管直径和中间管道的直径

2 烟塔内流场数值模拟与优化

根据脱硫系统的实际运行环境，对改造前后脱硫烟塔内烟气流动状况作如下假设:烟速较低，可以将烟气视为不可压缩性牛顿流体;忽略重力和烟温对烟气流动的影响;不考虑塔内喷嘴、除雾器和小部件对烟气流场的影响;不考虑浆液喷淋对烟气流场的影响。

基于FLUENT平台模拟确定导流板最优结构参数和位置。因为烟塔内嵌有导流板，烟气流场湍流程度剧烈，且流动呈现旋流和回流，计算区域较大。而RNG k－ε模型来源于严格的统计技术，它在复杂剪切流动、旋流和分离流场中的预测比标准k－ε模型要好［15］。故本文采用重整化RNG k－ε模型，显示格式和Simple算法。

入口边界为速度入口，出口边界为自由出流，壁面边界采用标准壁面函数法。

网格化分时，在喷淋层和导流板处进行网格加密处理，图2、3分别显示了导流板和喷淋管的加密划分情况。划分的网格节点数为838735，单元网格数为4752861。对网格的纵横比、偏斜率、压扁程度等进行分析，网格质量符合要求。

图2 导流板处网格加密

图3 喷淋层网格加密

3 结果分析

本文对比分析改造前后脱硫烟塔的烟气速度流场，图4是改造前后烟气在整个脱硫烟塔内和喷淋区的流线分布情况。图4表明，改造后脱硫烟塔内部烟气的均匀性、充满度要高于改造前的脱硫烟塔。改造前，烟气在脱硫烟塔内发生偏离且集中在远离烟气进口侧，在喷淋区存在烟气盲区，通过加装导流板，这种现象得到有效改善。

图4 改造前后脱硫烟塔整体烟气流线

从改造前后脱硫烟塔内第一喷淋层横截面烟气速度矢量图可知，改造前脱硫烟塔在相同位置的烟气均匀性较差，且存在涡旋区，而改造后塔内烟气螺旋势头十分有序，流场均匀充满整个横截面。还表明，无论改造前后，脱硫烟塔烟气都密集分布在喷淋支管末端(即喷嘴处)，说明此处安装喷嘴的正确性。然而烟气在每层的喷淋支管处都较为密集，所以只在喷淋支管末端安装喷嘴，若喷淋重叠覆盖面积不足，则脱硫效果受到极大影响，尤其是在喷淋层的中心位置。

通过软件的计算可知，在不加导流板的工况下，喷淋层附近烟气沿烟囱轴向的速度为4.5m/s，加入导流板之后的速度为3.6m/s。烟气沿着轴向的速度明显降低，因此烟气与喷淋液接触的时间会明显增加，有利于烟气脱硫反应的充分进行。

4 结语

针对某印染企业导热油锅炉机组现有脱硫烟塔存在的脱硫效果不佳问题，提出内径渐缩管段和内壁非连续螺旋上升导流板设计，解决高位脱硫浆液喷淋不均和塔内流场不均、脱硫反应不足等问题。

借助FLUENT软件平台，通过数次改变导流板的数量、结构参数和导流板在塔内的位置，得到了烟气在塔内的最优流场。对比改造前后脱硫烟塔的烟气流场，结果表明导流板型脱硫烟塔塔内烟气均匀地分布在整个烟塔内，和未加导流板的脱硫烟塔相比，烟气与喷淋液有效的接触面积变大，这促进了脱硫反应的进行。另外，改造塔的烟气在近壁处仍呈现良好的均匀性和旋转性，使得烟气能冲刷壁面上的喷淋液，有效减少壁面处的结垢问题，这也为采用石灰－石膏法的大型喷淋塔所出现的结垢问题，提供实用的解决方法。

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Design on optimization of gas flow field in stack－desulfarization absorber with deflectors

The stack－desulfarization absorber is designed and built based on the unification technique on stack and absorber and used to remove SO2in the flue gas of oil boiler.To make the spray liquid in the upper layer evenly and better atomization，different but smaller diameter pipes are used to take the place of sprinkler pipes of the same diameter.In order to improve the flow filed of gas，the stack－desulfarization absorber is transformed by installation of some swirling but discontinuous deflectors.The quantity，structure parameters and the positions of the deflectors under the best flow field are identified.Comparison of the flow fields of gas in the stackdesulfarization absorber before and after the transformation，a conclusion is that the use of deflectors makes the flow field better.

stack－desulfarization absorber;deflectors;flow field optimization

X701.3

B

1674－8069(2015)05－032－03

2015-03-12;

2015-05-27

周赞庆(1976-)，男，工程师，主要研究方向为高效除尘脱硫技术与系统应用。E－mail:zhouzq76@sohu.com