基于CFD 的脱硫除尘系统烟道阻力控制

任轩，尹成，任凯，王晨，白文文

（西安龙净环保科技有限公司，西安 710075）

烟道结构设计的优劣直接影响到整个系统能否安全高效运行[1]。烟道阻力是烟道结构设计中需要考虑的重要因素之一，通过计算流体力学（CFD）模拟对管道进行阻力的修正，优化管道结构，添加导流装置，可实现脱硫除尘系统的最优化配置[1]。作为研究流体流动的常用方法，基于CFD 数值模拟的工程设计在工业领域中得到了越来越广泛的应用。CFD 是计算机技术的一种数值计算工具，用于求解流体的流动和传热问题。CFD 数值模拟相对于实验研究，具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点[2]。

1 问题及原因分析

以某钢厂的高炉烟气3#脱硫除尘项目的出气烟道为例，该系统的工艺流程为：高炉煤气进入燃气锅炉燃烧，燃烧后的烟气进入旋转喷雾干燥法（SDA）脱硫塔脱硫后，再进入双室布袋除尘器除尘，最后经出口烟道进入烟囱排出。该脱硫+除尘系统的工艺流程如图1 所示。

图1 3#系统工艺布置形式

在引风机全压运行时，脱硫塔旋转雾化器上部仍然出现了正压20Pa，造成动力电缆被烧坏，旋转喷雾器无法正常运行，最终导致整个运行系统停机。根据现场各点的实际压力测试结果，脱硫塔与布袋除尘器的阻力分别为200Pa 与1000Pa，运行阻力正常，因此推测出气烟道的阻力较大。

通过现场查看出气烟道外部发现：

（1）出气烟道布置紧凑，引风机出口的弯头转弯半径较小；

（2）在出气烟道中段存在两个连续的约90°的转弯组成的Z 字形弯头。

进入出气烟道内部查看后发现：

（1）烟道内部较为干净，无积灰；

（2）Z 字形弯头前的烟道内部包裹着一根约高800mm×宽200mm 的横梁；

（3）Z 字形弯头的上升段顶部存在烟道挡风板，导致烟道宽度缩小了约300mm；

（4）出口烟囱中心存在一堵5000mm 高的挡风墙。

通过对烟道的结构和烟气流动的分析，本文对出气烟道进行CFD 仿真，结合出气烟道改造的经济性、改造周期与可操作性，得出了对烟道内部进行改造及添加导流的方式以降低出气烟道阻力的方法。

2 CFD 模拟

2.1 模型建立

对出气烟道进行物理建模，其模型及各压力监测面如图2 所示。

图2 出气烟道三维模型

2.2 模拟结果与实测数据对比

对原始状态下出气烟道的CFD 模拟见图3。

图3 原始速度流线

从图3 可以看出，烟气进入出气烟道后首先通过了一个90°的弯头，此处气流由于离心力作用使气流流场发生明显的紊流变化，气流分子相互碰撞，由此造成压力值急剧上升[3]，然后经过存在横梁与变径的Z 字形弯头后，烟气偏向烟道上部流动，出现了明显的高风速区，并且有涡流产生。

改造前各监测面的压力数据见表1。

表1 改造前各监测面压力数据

现场出气烟道上并无测点，引风机全压为2000Pa，引风机进口处压力实测值为-1200Pa，在整个系统中正压出现在脱硫塔顶部入口处，出气烟道的实际阻力为800Pa。由表1 可知，计算机模拟值为778Pa，与实测值的偏差仅为2.75%，证明模拟结果具有较高的可信度，可以作为烟道降阻的参考数据。

2.3 阻力优化

根据对出气烟道原始情况的模拟发现：

（1）阻力的最大点出现在Z 字形弯头处，烟气在该处连续经过两个约90°的转弯，故局部产生高风速区，最高风速达到34m/s；

（2）Z 字形弯头后产生了涡旋，加剧了局部阻力损失。

鉴于现场Z 字形弯头位于水泥立柱框架的包围之中，现场空间小，施工难度大，故整改方案是在不改变烟道大结构的情况下，通过增加导流板与拆除烟道挡风板来调整流场并降低局部阻力。横梁则因为结构承力原因不做处理。

改造后的出气烟道模拟结果见图4。

图4 改造后的速度流线

从图4 可以看出，烟气再经过导流板时流线变得平顺且均匀充满整个烟道，最高流速从34.57m/s 降低到约15m/s，涡旋区消失，烟道的局部阻力损失大大降低。

改造后的各监测面的压力数据见表2。

表2 改造后的各监测面压力数据

由表2 可知，出气烟道改造后总阻力从原始状态的778Pa 降低到了321Pa，阻力降低457Pa，降幅约58.7%，这说明在不改变原出气烟道形式的情况下，通过添加导流板及对烟道进行局部改造就能明显降低管道阻力。

2020 年8 月用户停炉检修，增加多层导流板并对烟道进行局部改造，设备投运后工况有明显改善，用户中控显示脱硫塔顶部压力为-400Pa，与原始情况相比，此处阻力降低了420Pa，而且与CFD 模拟结果相差无几。目前项目整改后运行至今，整个系统运行稳定。

3 结语

在脱硫除尘系统项目中，系统阻力的控制是设备稳定运行的考核点之一[4]，而由于现场的空间因素，有的工艺烟道布置结构紧凑，经常需要布置连续的弯头，这就为项目的安全稳定运行埋下了隐患。根据本项目可以看出，针对紧凑布置的烟道，尤其是有连续转弯的烟道结构，需要特别注意管道阻力情况。通过现场实测烟道阻力，并将其与CFD 的模拟数据进行对比，发现两者的误差在较小的范围内，故本文将CFD 的模拟数据作为烟道优化的参考数据。经过CFD模拟优化，可以得出烟道内导流板的合理布置方案，在实际施工改造后，烟道阻力大幅降低，符合模拟分析后的数据结果，实际运行证明，系统运行稳定。