应用FLUENT对活性焦干法脱硫系统的优化设计

2021-09-10胡珊

新视线·建筑与电力 2021年2期

胡珊

摘要：活性焦干法脱硫技术在火电行业和钢铁行业应用越来越广泛，随着相关法规对企业污染物排放标准的提高，对脱硫系统的脱除效率的要求也越来越高。而活性焦干法脱硫系统内烟气流场的均匀性是系统脱硫效率的一大影响因素。本文主要以某工程活性焦干法脱硫系统为例，应用FLUENT软件对脱硫系统的烟道和脱硫塔进行数值模拟，对脱硫系统优化设计，改善烟气的流场均匀性，提高系统脱硫效率。

关键词：数值模拟;导流板;均匀性;烟道;脱硫塔

引言

随着经济的飞速发展，我国对环保的要求越来越高，企业污染物的排放标准也越来越严格，尤其是SO2、NOx、颗粒物等大气污染物。如北京市《大气污染物地方排放标准》要求SO2排放极限值≤20mg/m³。环保法规要求的提高，对烟气脱硫技术也提出了更严格的要求。目前，烟气脱硫技术主要有干法脱硫，半干法脱硫和湿法脱硫3种[1]。在我国火电行业和钢铁行业，干法脱硫技术是应用的较为广泛和成熟的。而干法脱硫技术中，活性焦技术是应用较为广泛的一项先进技术。活性焦烟气脱硫技术是以活性焦作为吸附剂脱除工业烟气中的污染物[2-3]。和其他烟气脱硫技术相比，该技术有明显的优势，如无二次污染，反应温度低，能实现多种污染物的联合脱除等[4]。

FLUENT软件是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在与流体、热传递和化学反应等有关的工业中应用非常广泛。本文主要应用FLUENT软件对某工程脱硫系统进行建模计算，根据烟气在系统内的流场分布规律，在烟道和脱硫塔内添加合适的导流板，改善煙气分配和流动的均匀性，提高系统的脱硫效率。

1 活性焦干法脱硫系统数值模拟

1.1 物理模型及边界条件

目前活性焦干法脱硫塔通常采用移动床结构，移动床可分为错流床和逆流床两种形式。由于错流移动双级床结构成熟可靠，国内建设的活性焦烟气净化装置均采用错流床结构脱硫塔[5]。本文主要采用FLUENT软件对某工程脱硫系统进行数值模拟，计算区域包括：进气烟道，四台脱硫塔和出气烟道，所建物理模型如图1所示：

数值模拟过程中，烟气进口设置为速度入口，烟气出口设置为压力出口。采用标准k-ε模型来描述烟气的湍流流动，多孔介质模型来描述活性焦层。

脱硫系统烟气量约为1000000m³/h，操作温度为20～130℃。活性焦为Φ9mm×12mm颗粒，床层空隙率为0.35。

1.3 计算工况

应用FLUENT软件对某工程活性焦干法脱硫系统的优化设计，主要考虑在烟道内和脱硫塔进口添加导流板来改善烟气在系统内的流场分布。本文所计算的工况的变量为不同数量和位置的导流板，根据模拟结果，选择对烟气均匀流动最有利的结构。同时，考虑到实际运行过程中，不能保证系统一直处于满负荷下运行，也计算了当烟气量处于30%负荷状态下的情况。

四个计算工况参数如表1、图2所示：

2 数值模拟结果与分析

2.1 进气烟道

对于多台脱硫塔并联的脱硫系统，为了使每台脱硫塔的活性焦利用率最高且脱硫效率均能达到设计值，必须保证进入各台脱硫塔的烟气量一样。而脱硫系统的进气烟道结构对各脱硫塔烟气量是否均匀分配有直接影响，因此，分析进气烟道中烟气分布以及脱硫塔烟气量分配规律是脱硫系统优化设计的基础。

（1）模拟云图

四种工况进气烟道速度云图如图3所示：

（2）模拟数据

考虑进气烟道对四台脱硫塔烟气量分配的影响，若进入四台脱硫塔的烟气量相差较大，则需根据数值模拟计算结果，在烟道内添加导流板，平衡烟气量在各脱硫塔的分配，此处通过进入各台塔的烟气质量流量的偏差来判断，其计算式如下：

四种工况进入四台脱硫塔的烟气量分配偏差如表2所示：

（3）结果分析

四种工况下，进气烟道速度云图所描述的烟气分布趋势基本一致。烟气从变径烟道分别进入四台脱硫塔时，由于脱硫塔进气口与变径烟道垂直，在每台脱硫塔分流处，总是偏向远离模拟区域烟气进口的一侧。但此现象会随着活性焦层的阻力在脱硫塔内得到改善。

不同工况下，四台塔烟气量分配偏差显示：在进气烟道没添加任何导流板的情况下，进入四台脱硫塔烟气量相差不大，其偏差均在±3%以内，所以对于此模型，烟道内不需优化即可满足烟气量均匀分配的要求。

2.2 脱硫塔

（1）模拟数据

对脱硫塔进行数据分析，本文所选择的分析截面为脱硫塔进气室进气面。其位置示意如图4所示，在每台脱硫塔进气口添加导流板，会将分析截面分成几个小截面（截面a、b、c、d……），此处引入质量流速的计算方式：

G=W/A

G—质量流速，kg/（㎡·s）;W—质量流量，kg/s;A—流通截面面积，㎡。

各工况下，T101B～T104B分析截面质量流速方差如表4所示：

（2）结果分析

表3的数据显示：工况2中，各台脱硫塔的质量流速方差均比工况3小，说明工况2中，分析截面上的烟气分布比工况3更均匀。对于本算例，导流板后接直板，虽然对烟气流动有一定的梳理作用，但对于在进气喇叭口截面上的烟气分布方面，没有明显的改善作用，反而工况2的结构更有效。而工况4和工况2比较显示，当系统30%负荷时，进入进气室烟气的分布反倒比满负荷时更加均匀。说明随着烟气量的降低，烟气流速下降，烟气在脱硫塔进气截面上分布更均匀。

2.3系统阻力

数值模拟系统阻力为物理模型inlet至outlet的压降，五种工况系统阻力如表4所示：

表4的数据显示：添加导流板以及增加导流板的数量，系统阻力增加了10～15Pa，说明添加导流板并未明显增加系统的阻力。

3 结论

本文所针对某工程采用了模拟结果所示的导流板形式，经过一段时间运行反映：该导流板形式有效改善烟气在脱硫系统内的分布，且使各台脱硫塔的脱硫效率达到设计值。

（1）应用FLUENT对活性焦干法脱硫系统的优化设计，主要是对不同工况进行试算，通过添加导流板且改变导流板数量、位置、形式等参数，比较不同工况下烟气流场分布，选择最有利于烟气流场分布均匀的导流板。

（2）对于活性焦干法脱硫系统，一般由多台脱硫塔并联而成，在分析脱硫塔内部烟气流场之前，应先对系统进气烟道结构进行优化，确定进气烟道结构是否合理，是否能实现烟气量在各脱硫塔间平衡分配。

（3）对脱硫塔的优化设计，主要为脱硫塔内添加合适的导流板，改善烟气在脱硫塔内的流动均匀性。导流板对烟气有一定的梳理作用，且不会明显增加系统的阻力。

（4）采用数值模拟的方法对活性焦干法脱硫系统的优化设计，能够有效的节约时间和成本，该方法给实际工程提供了理论依据。将该方法与工程实际运行的情况加以结合，会在节能降耗的前提下，推动活性焦干法脱硫技术的进一步发展。

参考文献：

[1]苏少龙，曲晓龙，钟读乐等.工业烟气脱硫工艺进展[J].无机盐工业，2019，51（11）：13-15+87.

[2]郭良河.火电厂烟气脱硫脱硝技术应用与节能环保措施分析[J].科学技术创新，2019，（03）：163-164.