脱硫塔内增设喷嘴切圆喷淋层的数值模拟及应用

2021-06-19秦方博韩凤琴刘定平

电力科技与环保 2021年3期

秦方博，韩凤琴，林涛，刘定平

(1.华南理工大学广州学院电气工程学院，广东广州 510800；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510000)

0 引言

2014年，国家出台了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020)》，提出了部分地区SO2排放浓度不得高于35mg/m3的超低排放要求。然而传统的脱硫工艺技术已难以达到这一严格的SO2排放标准新要求。因此，在脱硫系统安全稳定运行的基础上对其进行超低排放改造，进一步提高脱硫效率，降低SO2排放浓度是目前电厂环保领域的热点问题。

陈飞等[1]针对新疆地区电厂的超低排放要求，提出了在原有脱硫塔基础上增加托盘和喷淋层的改造方法。方志强等[2]通过实验对单塔双循环烟气脱硫系统的结晶过程展开研究，分析了相对过饱和度、晶种浓度等对硫酸钙晶体粒径、结垢特性的影响。余昭等[3]分析了pH值、烟气流速、液气比等相关因素对串联脱硫塔系统设计与运行的影响，并提出了相关建议。

上述常见的加装托盘法、单塔双循环法和双塔串联法均能提高原脱硫塔的脱硫效率。但加装托盘法对脱硫效率提升有限，不能保证能够完全满足超低排放要求，单塔双循环法和双塔串联法占地面积和前期投资都较大[4-10]。而对于已投入运行的脱硫塔而言，直接在脱硫塔吸收区增设喷淋层是一种经济可行的改造方法[11]。基于此，本文在增设喷淋层法的基础上提出将新增喷淋层的喷嘴切圆布置的新方法，切圆布置的喷嘴能在塔内形成切圆流场，进而卷吸带动烟气，不仅能够引导烟气螺旋上升，还能增强气液间的扰动和混合程度。此外，上述研究的研究对象均为常见的圆形塔，目前针对方形脱硫塔的超低排放改造数值模拟研究鲜有报道。本文以某电厂方形脱硫塔为研究对象，采用数值模拟方法，对改造前后方形脱硫塔内部流场进行对比分析，以期为方形脱硫塔的超低排放改造提供数值模拟参考。

1 物理模型

本文研究对象为某电厂330MW机组所配置的石灰石-石膏湿法烟气方形脱硫喷淋塔。方形脱硫塔结构简图如图1所示，自上而下依次为除雾区、吸收区、浆液区。吸收区布置有四层常规喷淋层ABCD，经过改造后，在AB层常规喷淋层之间、D层常规喷淋层与烟气入口之间分别增设E、F层喷淋层。不同于ABCD常规喷淋层，EF喷淋层的喷嘴切圆布置。EF层喷嘴的布置情况如图2所示，在EF层高度上的塔壁四周增设喷嘴，使其喷出的石灰石浆液在塔内形成切圆。方形脱硫塔的结构、运行等相关参数见表1。

表1 方形脱硫塔结构及运行参数

图1 方形脱硫塔结构

图2 E、F层喷嘴布置示意

2 数学模型

2.1 基本守恒方程

大部分流体流动都遵守以下三个基本守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。

质量守恒方程：

本文将方形脱硫塔内的烟气视为不可压缩流体，即将烟气密度视为常数，则其质量守恒方程可简化为：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：ρ为烟气密度，kg/m3；u为速度矢量，m/s；u、v和w分别为速度矢量u在x、y和z方向的分量，m/s；μ为烟气动力粘度，Pa·s；p为流体微元体上的压力，Pa；Su，Sv，Sw为广义源项。T为温度，K；k为传热系数，W/(m2·K)；cp为比热容，J/(kg·K)；ST为粘性耗散项。

2.2 湍流模型

本文将脱硫塔中的烟气流动视为高雷诺数的湍流流动，综合考虑计算机计算速度与精度等因素，选择两方程模型中的标准k-ε模型进行计算。

2.3 离散型模型

离散相模型基于欧拉—拉格朗日方法，以单个颗粒为研究对象，连续相的守恒方程在欧拉框架下求解，颗粒相的守恒方程在拉格朗日框架下求解。本文在对烟气与吸收剂之间的相互作用进行模拟时，将烟气视为连续相，将吸收剂视为离散的颗粒相，即采用离散相模型进行数值模拟研究。

本文的颗粒尺寸按照Rosin-Rammler分布设置，其粒径大小满足以下公式：

(4)

2.4 SO2吸收模型

2.4.1 模型假设

本文基于双膜理论对SO2脱除过程进行研究，为便于计算，需要对塔内反应过程进行必要的简化和假设：

(1)忽略石灰石溶解对SO2吸收过程的影响，即将塔内气、液、固三相反应简化为气液两相反应；

(2)根据双膜理论，忽略气液交界面、气相主体和液相主体对传质过程的影响，认为脱硫塔内的传质过程由气膜和液膜控制；

(3)SO2吸收对液滴质量、体积影响很小，假定整个传质过程中，液滴质量、体积均不变；

(4)由空气和SO2代替烟气；

(5)不考虑CaSO3的氧化过程和CaSO4晶体生成过程；

(6)忽略化学反应热。

2.4.2 SO2吸收模型的建立

根据以上假设，脱硫塔内的SO2吸收速率可表示为[12-18]：

NA=K·α△PSO2

(5)

3.前奏与尾声的乏味性。这是我们教师缺乏对教材、教法的深入研究。这样的准备活动与结束部分：一是内容枯燥、一般化，不能很好地体现出每个教材类型的特点；二是形式单一化，不能适应不同年段学生的身心特点。因此被视为前奏与尾声的乏味性。

(6)

△PSO2=PSO2,g-PSO2,l

(7)

式中：NA为SO2吸收速率，mol/(m3·s)；K为总传质系数，mol/(m2·s·Pa)；α为单位体积内气液传质面积，m2/m3；Kg为气相传质系数，mol/(m2·s·Pa)；Kl为液相传质系数，m/s；H为亨利常数，mol/(Pa·m3)；E为化学增强因子，无量纲；PSO2,g为SO2在气相中的分压，Pa；PSO2,l为SO2在液相中的压力，Pa。

本文通过添加质量源项来模拟SO2脱除过程，所有源项的单位规定以生成率/体积的格式呈现，因此连续性方程的源项具有kg/(m3·s)的单位。则SO2的吸收源项可表示为：

Ms=-NAms

(8)

式中：Ms为SO2吸收源项，kg/(m3·s)；ms为SO2的摩尔质量，g/mol。

将Ms与其他变量的关系以用户自定义函数的形式加载到SO2的质量源项中，与其他控制方程一起进行迭代计算。

3 网格划分与边界条件

3.1 网格划分

本文在计算时将浆液池液面以上部分作为计算区域，并忽略了除雾器、喷淋层浆液管等对流场的影响。同时，为便于Fluent进行计算在建模时将出口部分延长。

本文利用ICEM网格划分软件对计算区域进行网格划分。由于模型计算区域结构比较简单，故采用结构化网格进行划分，其网格划分如图3所示。

图3 方形脱硫塔计算区域网格划分

3.2 边界条件

(1)烟气入口采用速度入口，速度大小通过烟气量与入口截面积确定，速度方向与烟道平行；离散相边界条件设为escape；

(2)烟气出口采用自由出流；离散相边界条件设为escape；

(3)塔壁设为壁面条件，并设为绝热条件，即烟气与浆液之间的传热过程与壁面无关；离散相边界条件设为reflect，法向和切向恢复系数均设为0.2；

(4)液面设为壁面条件，离散相边界条件设为escape；

(5)压力速度耦合方式采用SIMPLE算法；

(6) EF层喷嘴的设置采用空心锥喷嘴。

4 模拟结果与分析

4.1 烟气运动轨迹

烟气运动轨迹能够直观的反映塔内烟气的运行情况，图4(a)、4(b)分别为改造前后方形脱硫塔内烟气运动轨迹图。

图4 烟气轨迹图

对比图4(a)、4(b)发现，改造后烟气在塔内螺旋上升，延长了烟气在塔内的运动轨迹，图5为改造后塔中间部位纵向截面的速度矢量图，从图5可以清晰地看到烟气在塔内的旋转运动。这是由于改造后，切圆布置的喷嘴使浆液在塔内形成切圆流场，进而卷吸带动烟气造成的。

图5 纵向截面速度矢量图

4.2 烟气速度场

塔内烟气速度的变化对气液传质面积和脱硫塔阻力均有较大影响[19-20]，因此有必要对方形脱硫塔内的烟气速度分布进行分析。超低排放改造前后塔内烟气速度分布如图6、7所示，图6(a)、7(a)为y=0截面的烟气速度云图，图6(b)、7(b)为x=0截面的烟气速度云图。其中，速度单位为m/s。

图6 改造前烟气速度云图

观察图7发现，超低排放改造后，烟气沿塔径方向的速度分布变得均匀，尤其是入口两侧壁面处烟气均速下降到6m/s，烟气逃逸现象消失。通过对比图6、7可知，超低排放改造后，塔内速度流场均匀性得到改善，塔体中间部位的低速区缩小，入口两侧壁面烟气逃逸消失，这说明切圆布置喷嘴的E、F层整流效果明显，对烟气具有较好的均布作用,有利于SO2的吸收[21-22]。对比图6、7还发现，改造后塔内整体烟气速度高于改造前塔内烟气速度，这是由于E、F层的切圆流场及卷吸作用加强了烟气扰动，从而使烟气流速增大。由参考文献[10]可知，烟气速度越大，越有利于传质过程的进行。

图7 改造后烟气速度云图

4.3 烟气温度场

脱硫塔内烟气的温度分布在一定程度上反应了烟气与脱硫剂液滴之间的混合程度[23]，因此，有必要对塔内烟气温度分布情况进行分析。改造前后塔内烟气温度分布如图8、9所示，图8(a)、9(a)为y=0截面的烟气温度云图，图8(b)、9(b)为x=0截面的烟气温度云图。其中，温度单位为K。

图8 改造前烟气温度云图

观察图9发现，超低排放改造后，入口段的高温滞留区缩小，入口高度两侧壁面处的温度波动区范围明显缩小，略高于入口的塔中间部位的温度波动区消失。入口段高温滞留区的缩小可以避免由局部高温引起的喷淋浆液水分蒸发从而造成浆液质量浓度降低的问题，有利于脱硫效率的提高[25]。入口高度两侧壁面处和略高于入口的塔中间部位的温度波动区缩小，说明塔内温度分布更加均匀，烟气与浆液的混合程度加强。

图9 改造后烟气温度云图

4.4 SO2浓度场

改造前后塔内SO2浓度分布如图10、11所示，图10(a)、11(a)为y=0截面的SO2质量分数分布图，图10(b)、11(b)为x=0截面的SO2质量分数分布图。

观察图10、11发现，超低排放改造前后塔内SO2浓度变化区均集中在入口段和入口高度两侧壁面处。改造后上述两处的SO2浓度变化区均缩小，入口段液面附近的SO2浓度变化区明显缩小，这是由于E、F层产生的切圆流场卷吸带动烟气，使烟气螺旋上升，避免了烟气在液面附近聚集，使液面附近的烟气量减少，因此SO2吸收较快。入口高度两侧壁面处的SO2浓度变化区浓度降低，且向塔体中部移动。这是因为改造后塔内烟气螺旋上升，延长了气液接触时间，同时塔内气液混合程度更加均匀，增大了气液接触面积，因此脱硫效果更好，塔内SO2浓度变化区浓度降低。入口高度两侧壁面处的SO2浓度变化区向塔体中部移动，表明入口两侧壁面处的烟气聚集现象得到改善，避免了烟气沿塔壁逃逸，与塔内烟气速度分布情况对应。

图10 改造前SO2浓度图

图11 改造后SO2浓度图

4.5 模型验证

试验采用原脱硫系统的原烟气CEMS、净烟气CEMS。为保证测量数值的准确性，将原烟气的测点布置于引风机出口远离脱硫塔入口15m的烟道上，将净烟气的测点布置于脱硫塔出口至烟囱的水平烟道上，距离脱硫塔出口20m。试验前对温度、压力、流量、液位等测量装置重新标定，保证DCS显示示数与现场标定一致。

为验证所选取数学模型的合理性，将超低排放改造前实际工况的脱硫效率(脱硫效率：进出口SO2浓度之差与入口SO2浓度的比值)与模拟结果进行对比，如图12所示。从图12看出，模拟计算结果与实际工况现场测试数据较为吻合，脱硫效率最大误差不超过1%。脱硫效率随入口烟气量的变化规律也与文献[16]一致。因此，认为本文选取的数学模型及编写的UDF是合理的。

图12 实测值与模拟结果对比

在对该方形脱硫塔进行超低排放改造后，按照表1中参数进行试验以考察超低排放改造对方形脱硫塔脱硫效率及出口SO2浓度的影响。首先仅开启ABCD层常规喷淋层，待方形脱硫塔运行稳定后，开始读取并记录接下来六小时的脱硫效率和出口SO2浓度，并将出口SO2浓度转化为基准含氧量6%条件下的数值。然后开启EF层，依然在方形脱硫塔运行稳定后记录接下来6h的相关变量。测试结果如图13所示。

从图13可知，改造前脱硫塔的平均脱硫效率为96.02%，出口SO2面平均浓度在55mg/m3上下波动。改造后脱硫塔的平均脱硫效率为98.36%，较改造前提高了2.3个百分点，出口SO2面平均浓度约为23mg/m3，达到国家环保标准规定≤35mg/m3(标干态，6%O2)的要求。这说明增设喷嘴切圆布置的喷淋层可有效提高原方形脱硫塔的脱硫效率，降低出口SO2浓度。

图13 改造前后的脱硫效率对比

同时，将改造前后模拟计算结果与电厂试验结果进行对比，其对比情况如表2所示。

表2 模拟结果与试验结果对比

从表2可知，超低排放改造前脱硫塔的模拟脱硫效率为97.11%，出口SO2面平均浓度约为51mg/m3。超低排放改造后脱硫塔的模拟脱硫效率为99.41%，出口SO2面平均浓度约为21mg/m3。改造前脱硫效率模拟结果与试验结果的相对误差为1.14%，改造后脱硫效率模拟结果与试验结果的相对误差为1.07%，结果均在允许误差范围内。