基于CFD的脱硫塔内部流场优化

赵大周，郑文广，何　胜，刘　博（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）



基于CFD的脱硫塔内部流场优化

赵大周，郑文广，何胜，刘博
（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

摘要：建立了三维脱硫塔数值模型，模拟研究了托盘及雨披环对塔内流动的影响，结果表明：托盘能够有效改善塔内流场，利于脱硫反应的进行，使脱硫效率增大，但是会增大系统压降。雨披环可以有效减少烟气沿壁面的逃逸，系统压降略有增大。

关键词：脱硫塔；托盘；雨披环；流场

0　引言

脱硫系统经过近20年的发展已经日趋成熟，成为我国大型火电厂的一个重要组成部分，为我国的环保事业做出了巨大的贡献[1]。但是，随着国家对环保方面的要求越来越高[2]，部分传统的火电厂脱硫系统已经无法满足现今的环保标准，脱硫塔的优化构件改造成为了一个重要的解决方案。数值模拟因具有简便、快捷、高效等优点因而被广泛的应用[3-4]，为工程设计及优化提供参考。

本文采用计算流体力学Fluent对脱硫塔内托盘、雨披环两种种比较常见的流场优化构件进行模拟比较分析。

1　模型的建立

1.1模型的建立及网格划分

本文根据现场施工图，按照1∶1的比例利用GAMBIT软件建模并进行网格划分，网格使用的是结构化和非结构化组成的混合网格，网格总数约为100万，如图2所示。

1.2假设与简化

本文在模拟计算时对脱硫塔模型、以及其内部烟气的流动、浆液与烟气之间两相流动做了如下假设与简化[5，6]：

（1）将烟气视为不可压缩流动。

（2）将液滴作刚性球体考虑，不考虑浆液液滴之间的碰撞、破碎和并聚。

（3）忽略塔内喷淋管等部件对流场的影响。

（4）计算区域仅考虑浆液池以上的部位。

2　数学模型

选用标准k-ε模型描述脱硫塔内烟气的湍流流动，反应器内的托盘以及除雾器用多孔介质模型代替，本文的液滴运动采用拉格朗日离散相模型来描[8，9]，采用随机漫步模型（Discrete Random Walk，DRW）来修正塔内湍流流动对液滴运动的影响。液滴在塔内的受力只考虑曳力和重力的作用。

3　模拟结果与分析

3.1托盘分析

托盘又称多孔板，是一种布满很多圆孔的圆形薄板，烟气和液滴可以从其中的圆孔中穿过，托盘一般安装在在脱硫塔烟道入口的上方。托盘作为流场优化构件的作用主要体现在两方面：一方面对塔内流场进行整流达到改善流场的作用，从而使得气液混合更加均匀有利于脱硫反应的进行；另一方面向下喷淋的液滴与托盘会发生碰撞、破碎、反弹等作用，从而增加了塔内的持液时间，使得气液充分反应，从而提高脱硫效率。加托盘前后脱硫塔内部截面速度分布图如图3所示。

通过对比图3a）和图3b）可以看出，经过托盘的整流作用，塔内速度场的高速漩涡区消失，塔内流场更加均匀。

图4给出了加托盘前后的塔内截面压力云图，由图可知，经过托盘的整流作用，塔内的压降有所增大，约有150Pa。

3.2雨披环分析

雨披环是一种安装在塔壁四周的环状优化构件，与塔壁呈一定角度，它可以有效的减少烟气沿着壁面的逃逸量，传统的脱硫塔进行脱硫过程中，由于塔壁区域喷淋浆液的覆盖率不高，容易形成喷淋盲区，使得烟气沿塔壁向上逃逸从而降低了脱硫效率。图5为雨披环安装位置及结构示意图。

图6是加雨披环前后的塔内烟气迹线图，从图中可以清晰的看出烟气从入口到出口的流动轨迹，在图6a）中烟气沿着塔的高度方向流动，部分烟气的运动轨迹是贴着塔壁上升，这些烟气沿塔壁逃逸，逃脱与喷淋浆液的接触，从而影响到烟气整体的脱硫效率，而在图6b）中，由于雨披环的阻挡作用，烟气上升过程中在雨披环附近发生了绕流现象，从而使得全部烟气都可以与喷淋浆液进行接触反应，减少了烟气贴壁逃逸，在一定程度上提高了脱硫效率。

然而由于雨披环形状结构较小，仅对贴壁的烟气流动产生一定影响，因此加雨披环以后整个系统增加的阻力不大，约20Pa，图7加雨披环前后塔内截面压力分布云图。

4　结语

本文通过Fluent软件对脱硫塔内两种流场优化构件进行比较分析，通过模拟研究可以得出结论：托盘、雨披环对于脱硫塔内部流场的优化都有着各自的作用。其中，托盘主要针对于整体流场的优化，可以有效的提高脱硫效率，但是相应的压降较大，造成风机能耗增加；雨披环主要针对于沿壁面逃逸的烟气，产生的压降较小，对于喷淋的壁面盲区具有特定的效果，一定程度上提高了脱硫效率。

参考文献：

[1]禾志强，祁利明，张铭，等.湿法脱硫系统优化运行[J].锅炉技术，2014，45（1）：72～75.

[2]王鸯鸯，赵盟.我国火电脱硫行业现状及“十二五”前景展望[J].中国环保产业，2010，（7）：9～12.

[3]过小玲，金保升，沈丹.装有多孔板的脱硫喷淋塔流场数值模拟研究[J].锅炉技术，2007，38（6）：5～9.

[4]郭瑞堂，高翔，丁红蕾，等.湿法烟气脱硫喷淋塔内流场的优化[J].中国电机工程学报，2008，28（29）：70～77.

[5]高原.湿法烟气脱硫吸收塔烟气流场数值模拟研究[J].节能技术，2012，30（1）：66～69.

[6]潘卫国，郭瑞堂，冷雪峰，等.大型燃煤电站锅炉脱硫塔脱硫效率的数值模拟[J].动力工程学报，2011，31（4）：306～311.

[7]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社有限公司，2004.

[8]王翱，宋蔷，姚强.脱硫塔内单液滴捕集颗粒物的数值模拟[J].工程热物理学报，2014，（9）：045.

修回日期：2015-12-11

Optimization of Flow Field in the Desulfurizer Tower Based on CFD

ZHAO Da-zhou，ZHENG Wen-guang，HE Sheng，LIU Bo
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Abstract：A three dimensional numerical model of desulfurization tower was established. The influence of perforated plate and poncho ring on flow field was simulated. The result show that，the perforated plate can improve the flow field of tower efficiently and good for desulfurization reaction，also increase the efficiency of flue gas desulfurization. But it will increase pressure drop of the system. The Poncho ring can reduce gas escape along the wall effectively，the pressure drop increased slightly.

Key words：desulfurization tower；perforated plate；poncho ring；flow field

收稿日期：2015-10-12

作者简介：赵大周（1990-），男，山东枣庄人，硕士，研究方向：燃煤电厂大气污染物的控制。

中图分类号：X701.3

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0035-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.008