湿式烟气脱硫系统吸收塔扰流泵技术三维流场的数值模拟

杨龙

摘要：本文对湿式烟气脱硫系统吸收塔内浆液扰流泵搅拌流场进行了三维数值模拟，通过对流体速度矢量的分析，为扰流泵搅拌技术的优化设计提供依据。

Abstract： The author analyzes the numerical simulation on the three dimension flow field for slurry in tower of the wet-FGD systems， by using the software. Through the analysis of the fluid velocity vector， this research offers some help for the optimal design of the agitation technology of the disturbance pump.

关键词：湿式烟气脱硫;扰流泵;数值模拟

1  概述

湿法烟气脱硫系统吸收塔浆液的搅拌常用的搅拌方式有侧搅拌器系统和扰流泵搅拌系统。近年来，扰流泵搅拌技术在湿法烟气脱硫系统中得到逐步推广。国内外学者对烟气脱硫系统搅拌领域的研究主要集中在对侧入式搅拌反应器的相关研究，对扰流泵搅拌技术的理论研究相对较少。

现有的扰流泵搅拌系统设计大都依赖运行经验的积累，与实际工况存在偏差，因而充分掌握扰流泵搅拌系统运行下吸收塔内的流场分布规律对扰流泵搅拌系统的优化设计具有重大意义。随着计算流体力学（CFD）技术在各学科领域的应用发展，通过数值模拟方法研究扰流泵搅拌系统流场特性不仅可以获得实验手段难以得到的局部数据，还可以缩短研究时间并节省研究经费，这使得CFD技术在搅拌技术的优化设计中作为一种新的科研手段起着越来越重要的作用。本文对扰流泵搅拌系统流场进行模拟，对区域的参数进行可视化图片处理，为扰流泵搅拌系统研究提供了直观数据。

2  扰流泵搅拌系统特点

湿法烟气脱硫系统吸收塔浆液的搅拌系统可以使吸收塔内浆液充分扰动防止浆液中固体颗粒沉淀，还能让氧化空气扩散均匀与浆液接触，发生充分氧化反应，提高石膏生成效率。

扰流泵搅拌系统采用在吸收塔外设置扰流泵，通过管路系统对吸收塔内浆液进行扰动，起到“扰动搅拌”的作用。

与侧入式搅拌系统相比，扰流泵搅拌系统具备以下优势：

①在脱硫系统停运期间，扰流泵搅拌系统可以停运，减少电能消耗;

②在吸收塔浆液池内没有机械搅拌机或其他转动部件，吸收塔浆液为高浓度氯离子介质，对接触的机械部件具有很强的腐蚀作用;

③可以在吸收塔运行期间更换或维修扰流泵，不需维修搅拌设备时将吸收塔排空，不干扰脱硫系统正常运行;

④搅拌效果優于侧入式搅拌系统，可以获得更好的Ca/S（钙硫比），增加吸收剂石灰（石灰石）的利用率。

3  几何模型及模拟方法

3.1 模型结构

模拟计算研究的搅拌槽为平底圆柱搅拌槽，直径为Φ7500mm，在搅拌槽距底高度1.5m位置的槽壁上布置（120°均布）3台循环泵（流量1200m3/h，两用1备），循环泵进水管深入搅拌槽壁长度小于900mm。

3.2 模拟方案及结果分析

3.2.1 方案1：在搅拌槽内部中心距底450mm处设置1个扰流泵出水口，流量1200m3/h，出水口直径Φ350mm，对搅拌槽进行流场计算分析

方案1分析了在搅拌槽底部中心设置扰流泵出水口对槽内流场的影响。图1为底部流体受扰流泵喷射流体作用，形成四周发散的径向贴壁流动层，与图4基于扰流泵出口的流场分析基本一致。图2为顶部流体自周边向中心汇聚再向下流动，与图1流场形成纵向涡流。图3中循环泵进口附近流速较高，主要为来自上部的流体（在浆液池内旋流后）和扰流泵出口的流体（进入前有微旋）。图4中流体自扰流泵口以较高流速形成射流，冲击浆液池底面后，在360度范围内沿径向发展至浆液池周面。

方案1中主体流速高，80%流体大于0.2m/s，底面贴壁流动层主体流速约为0.5/s，周面贴壁流动层主体流速约为0.3m/s。整体上受扰流泵射流形成的流场影响形成搅拌槽主体纵向涡流，底部及周面由扰流泵射流形成流速较高的贴壁流动层。整体上实现了对底部及周围区域的扰动搅拌效果。

3.2.2 方案2：在搅拌槽槽壁距底300mm处布置（120°均布）3个扰流泵出水口，总流量1200m3/h，出水口直径Φ260mm，出水口与径向夹角60°，出口距槽壁500mm，对搅拌槽进行流体流场计算分析。

方案2模拟类似侧入式搅拌流体流场。图5为底部流体受扰流泵喷射流体影响，在底面形成向四周发散的切向贴壁流动层，形成绕周壁的螺旋上升涡流，但是壁面整体流速很低。图6中顶部流体为图5上升螺旋流体至顶面后向中心汇聚再向下流动，整体上流速较低，约0.1m/s，周壁贴壁层流速约0.3m/s。图7中循环泵口附近流速较高，主要为来自上部的流体（在浆液池内旋流后）和扰流泵出口的流体（进入前有周向）。图8中流体自扰流泵口以较高流速形成射流，形成沿周壁的旋转流动，并带动其他流体也形成螺旋上升状流动，但并未实现对底部中心区域的扰动，部分流体直接旋转进入循环泵吸水口。

方案2中主体流速较低，80%流体小于0.1m/s。整体受扰流泵射流形成的流场及循环泵吸水口形成的流场影响，形成横向搅拌槽主体涡流，搅拌槽周面形成流速较高的贴壁流动层（流速约为0.3m/s），搅拌槽底部流场不理想，底部基本无高速贴壁流动层。

4  结论

将以上方案结果分析整理后，得到结论如表1所示。

通过对两种方案中流体速度矢量的对比分析可知，扰流泵出水口设置于搅拌槽底部中心位置的搅拌效果强于均布在槽壁出水口的搅拌效果。可在搅拌槽底部布置玻璃钢材质的圆板，来避免扰流泵出水口的射流流体冲刷搅拌槽底部导致防腐层破损。

参考文献：

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