湿法烟气脱硫塔内流场模拟及优化

蔺海艳，雷本喜

（江苏科行环保科技有限公司，江苏盐城224051）

湿法烟气脱硫塔内流场模拟及优化

蔺海艳，雷本喜

（江苏科行环保科技有限公司，江苏盐城224051）

以某热电厂脱硫装置为模拟对象，采用CFD流场模拟软件对脱硫装置进行几何建模、网格划分、数值模拟及计算等，分析脱硫装置内的速度分布、温度分布、烟气入射角及压损等，并进行优化，得到最佳结构及内部导流板布置形式。

脱硫；CFD；流场分布；托盘

引言

电厂燃煤锅炉要达到ρ（SO2）≤35mg/Nm3的超低排放标准，石灰石-石膏湿法脱硫技术仍将是首选技术。该技术脱硫装置内烟气流场既能影响脱硫效率，也会影响除雾效率。

本文运用CFD数值模拟技术对脱硫系统进出口烟道、脱硫塔内部烟气分布进行数字模拟分析，预测脱硫系统的烟气分布，优化设计导流板、聚气环等装置，从而使烟气能够充分均匀混合，保证流场的均匀性，并有效降低系统的阻力。同时对吸收塔内部托盘、喷淋层、除雾器等进行近似模拟计算，探讨吸收塔内部流场分布，为脱硫系统的设计提供参考。

1　模型建立与计算

1.1几何建模及网格划分

按照某热电厂脱硫系统装置建立1∶1比例的三维几何模型。模型建立之后，进行网格划分将模型离散化，即通过有限的网格节点来描述实际的空间连续实体。考虑到模型复杂的内部结构，计算区域需采用结构化和非结构化的混合网格进行划分，整个模型总网格数约460万。

模型结构复杂，做如下简化：

1）以空气代替烟气，进入除雾器通道可把气体视为不可压缩气体。

2）以水代替浆液。

3）忽略浆池部分，忽略烟气流经浆池液面时产生的扩容流动，将浆池液面作为固定、绝热壁面来处理。

4）不考虑浆液池上方气液两相区域的化学反应。

5）将托盘简化为多孔介质模型。

6）除雾器部分简化为多孔介质模型。

7）将各喷淋层中的主管和支管简化为粗细均匀的圆柱管体。

8）忽略浆池部分，忽略烟气流经浆池液面时产生的扩容流动，将浆池液面作为固定、绝热壁面来处理。

1.2数学模型及计算方法

1.2.1湍流模型

脱硫系统内部的流动是一个复杂的湍流流动过程，考虑到数学模型的可靠性和工程应用的可行性，本文选用标准k-∂双方程模型来模拟脱硫装置内部的烟气流动情况。在直角坐标系下，基本控制微分方程如下：

以上控制方程求解时，采用了求解压力耦合方程的全隐算法SIMPLE算法。

1.2.2多孔介质模型

多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满的介质、通过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。对于本模型中托盘和除雾器的模拟，将由多孔介质模型来实现。

当使用这一模型时，就定义了一个具有多孔介质fluid单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，多孔介质模型具有以下限制：

1）流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大影响的，因为它意味着FLUENT不会正确地描述通过介质的过渡时间。

2）多孔介质对于湍流的影响只是近似的。在多孔介质中，默认的情况下FLUENT会求解湍流量的标准守恒方程，因此介质中的湍流被这样处理：固体介质对湍流的生成和耗散速度没有影响。

多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。该源项由两部分组成，一部分是粘性损失相（Darcy），另一部分是内部损失项，如下：

其中：Si是i向（x、y或z动量源项），D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度平方）成比例。

对于简单的均匀多孔介质：

其中：α是渗透因子，C2是内部阻力因子。

根据设计要求，本次模拟托盘阻力设定△P=500 Pa，除雾器阻力设定为△P=200 Pa，进而得到计算时内部阻力系数（y方向即为烟气流动方向）：

2　计算结果分析

2.1速度分布

对比脱硫装置内导流板前后烟气速度分布，分析可知，通过在入口烟道拐角处增设导流板，可合理调节烟气的分布，改善烟气速度流场，减缓高速烟气流对烟道的冲刷。

脱硫装置内烟气速度分布，在脱硫塔内部增设托盘之后，塔盘下方的烟气在托盘压力作用下自动调整，使得塔盘下烟气速度分布均匀。

除雾器内流速不均会造成局部堵塞或液滴逃逸，严重影响除雾器的效果，所以顶吸收塔内除雾器上游的速度均匀性是影响脱硫性能的重要指标。顶层除雾器上游截面烟气流速均匀，流速处于3.2～4 m/s之间，经计算，该截面平均烟气流速约3.44m/s，标准偏差为0.47，相对标准偏差为13.66%。一般认为速度相对标准偏差小于15%即满足行业内速度均匀指标。

2.2压力分布

增加导流板后，烟气速度分布更加均匀，高速流区得到缓解，整个系统阻力减小，经计算，增设导流板后烟道系统阻力减小约100 Pa。

主要的压力损失集中在弯道、托盘和除雾器层阻力。经计算，100%负荷时，总压降约1 045 Pa，其中托盘层压降约占500 Pa，除雾器层的阻力约150 Pa，进口烟道阻力约100 Pa，出口烟道阻力180 Pa，脱硫塔本体约115 Pa，4层喷淋层约1 000 Pa，可算出脱硫塔烟道系统阻力为280 Pa，脱硫塔阻力为1 750 Pa，满足该项目压力损失要求。

2.3烟气流动方向

在导流板的合理布置条件下，各段烟道内的烟气均能保证良好的方向均匀性，回流漩涡少，可有效避免烟气冲刷和局部积灰现象。烟气经过托盘后，烟气流向得到明显矫正。经计算，来流烟气入射角与竖直方向夹角均小于10°，有利于烟气与喷淋浆液形成对流，充分接触混合，提高反应效率。

3　结语

1）在脱硫系统烟道内优化设置导流板可优化流场，减小系统阻力。

2）脱硫塔内增设托盘，可使塔内流场均匀，烟气流向得到矫正，对提高脱硫效率和除雾效率有很大的帮助。

（编辑：贾娟）

The Flow Field Simulation and Optim ization of theW et Flue Gas Desulfurization

Lin Haiyan，Lei Benxi
（Jiangsu Cohen Environmental Protection of Science and Technology Co.，Ltd.，Yancheng Jiangsu 224051）

Based on a thermal power plant desulphurization device as simulation objects，the CFD flow field simulation softwarewas carried outon the desulfurization device geometrymodeling，meshing，numerical simulation and calculation，the velocity distribution in the analysis of desulfurization device，the temperature distribution and pressure loss of the incidence Angle and the flue gas，and optimize it，get the bestguide plate structure and the internal layout.

desulfurization；CFD；flow field distribution；tray

X701.3

A

2095-0748（2016）17-0026-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.17.10

2016-07-29

蔺海艳（1986—），女，山西吕梁人，研究生，助理工程师，研究方向：大气污染物治理。