流场数值模拟技术在脱硫塔托盘设计中的应用

马科伟，杨　迪，肖爱萍，朱　铭，陈遐龄，高凯拓

(中国联合工程公司，浙江　杭州　310052)



流场数值模拟技术在脱硫塔托盘设计中的应用

马科伟，杨迪，肖爱萍，朱铭，陈遐龄，高凯拓

(中国联合工程公司，浙江杭州310052)

采用k-ε湍流模型对某燃煤锅炉烟气脱硫塔的托盘结构进行了数值模拟，分析了各种孔隙率下，在托盘上方形成的持液层高度及因此而产生的压降，对脱硫塔托盘的开孔率和开孔尺寸的设计起到了指导作用。在此分析基础上选取合适的开孔率并对脱硫塔整体建模进行CFD流场数值模拟分析，分析结果满足工程实际需要，并已成功应用于某热电厂，实际运行效果良好。

烟气脱硫；数值模拟；托盘；优化设计

目前，我国煤炭仍然占据着能源消费的主要地位，随着环境污染越来越严重，环保部门对燃煤锅炉烟气排放标准越来越严格[1]。锅炉烟气脱硫技术层出不穷，其中应用最为广泛的是石灰石——石膏湿法脱硫，该工艺中SO2吸收系统是整个脱硫岛的核心，主要由吸收塔、循环浆液泵和氧化风机等设备组成。脱硫装置为逆流式喷淋吸收塔，底部为循环浆池，中部主要部分为喷淋洗涤区，布置了托盘和三层喷淋系统。在吸收塔的上部布置除雾器，脱除烟气夹带的液滴。

1　研究对象

某煤粉锅炉烟气脱硫塔尺寸为φ5000 mm ×28000 mm，热烟气从入口烟道进入脱硫塔，经过托盘的减压和均流之后，热烟气降温并与托盘上方的浆液层充分混合，使得托盘上方形成含有大量泡沫的持液层，并进行第一次脱硫反应。随后，烟气继续上行，与喷淋层喷淋而下的浆液混合，形成第二次脱硫反应。最后，干净的烟气经过除雾器脱除液滴后经烟囱排出。

托盘是一种两相逆流筛孔板，在筛孔板上表面设有单元隔离板，将上表面隔离一个个单元，烟气在托盘上表面形成泡沫层，同时浆液也从中落下。气流和液流之间有规律地脉动，气流和液流间歇通过小孔。托盘上的隔离板是为了防止脉动过大，造成气流通量不均匀。特别当脱硫塔直径增大后，若无隔离板，即会出现有些孔只通气，不落液的现象，而有些则刚好相反，这势必将严重影响气液间传质，降低脱硫效率。由于托盘的每一个隔离区有多个通路存在，这种脉动流动可视为准稳态流动。托盘产生的压降进一步促进了烟气分布的均匀性，为喷淋层洗涤区的气液均匀接触提供了更为良好的保证。托盘产生的压降由三部分组成，一是托盘的干板压降；二是表面张力产生的压降；三是托盘上表面的泡沫持液层产生的静压降。托盘的干板压降是烟气加速通过小孔时产生的，表面张力产生的压降是为了克服气液间的表面张力，静压降为托盘上表面的气液泡沫层产生的，与泡沫层的高度有关。

以气液两相流体力学及化学反应动力学研究的观点，喷淋吸收塔内流体流动的目的是强化气液两相的混合和质量传递；延长气液两相在塔内吸收段的接触时间，增大气液两相的接触面积并尽量降低吸收塔系统阻力。而脱硫塔内增加托盘是在增加一定压降的前提下，大大增加了气液混合程度及化学反应的接触面积，从而大大增加了塔内的脱硫效率。

利用CFD软件中的多相流模型分析液气两相在脱硫塔内的接触混合，气流的走向及均匀程度，气液在托盘位置的混合，持液层高度及随之而来的压降。本文首先选取脱硫塔内的一个单元分析托盘孔隙率对持液层高度及压降的影响；在确定合适的托盘孔隙率之后，再进行脱硫塔的整体流场分析。

为分析简化，作如下假设：(1)吸收塔内为绝热过程，不考虑吸收塔与外界的传热；(2)将烟气视为一具有均匀物性的气体，具有混合气体平均的密度、粘度、传热系数等物理性质，忽略烟气中特定组分对喷淋吸收塔内传热传质及流体流动过程的影响；(3)不考虑浆液池上方气液两相区域的化学反应，且浆液池不计入计算域，化学反应由过程化学模型计及；(4)忽略由于浆液池中因过剩氧化空气的析出而导致的烟气流量、组分及性质的变化；(5)忽略喷淋吸收塔塔内支撑件的具体结构对流体流动及传热传质过程的影响，对喷淋层、喷嘴等塔内构件进行必要的数值简化处理[2-4]。

在此基础上，建立了喷淋吸收塔内湍流多相流动过程的数学模型、液滴喷淋模型对吸收塔内的湍流多相流动过程进行数值模拟，对气相的湍流流动和湍流输运特性、多相流动及混合进行了探讨。

2　数值计算结果及分析

2.1托盘孔隙率分析结果

图1是托盘分析计算的模型，选取了脱硫塔内的一个单元进行分析。烟气从下方进入，通过多孔托盘和喷淋层之后从上方流出；浆液从上方的喷嘴喷出，撞击到多孔托盘后形成还有泡沫的持液层。本模拟分析了各种孔隙率下，在托盘上方形成的持液层高度及因此而产生的压降。

图1　脱硫塔喷淋单元

图2　不同孔隙率积液层的高度

图3　不同孔隙率压力分布(Pa)

表1　喷淋单元计算结果汇总

从计算结果来看，孔隙率在35%～38%之间，持液层可以维持在100～200 mm之间，压降维持在100～200 Pa之间，比较符合设计要求，建议托盘孔隙率维持在35%～38%之间。

2.2脱硫塔整体模型模拟结果

原始设计模块，每个模块的局部孔隙率为46.4%， 整体孔隙率为37.8%；调整为，中间的整体模块(600×975)的开孔为φ110 mm，边角非整体模块的开孔为φ120 mm，这样模块的局部孔隙率为39.0%，整体孔隙率为33.8%。

边角部分由于有挡液板，所以积液量会较多，增大边角部分(非整体模块)的开孔直径，可以适当边角部分积液流动更加顺畅，减小浆液沉积结垢的机会。整体脱硫塔模型见图4。

图4　脱硫塔整体模型

烟气入口流量：290000 m3/h，温度140 ℃；浆液喷淋量3000 m3/h，浆液密度1150 kg/m3。计算结果见图5～图8。

图5　脱硫塔整体压力分布

图6　脱硫塔整体浆液组分分布

图7　脱硫塔整体速度分布

图8　脱硫塔高度14 m和15.5 m高度的速度分布

从整体计算的结果来看，33.8%孔隙率的托盘可以得到150～200 mm高度的持液层，该持液层带来的压降为200 Pa左右(托盘本身压降45 Pa)，气流在托盘之前的均匀程度为0.88，在经过托盘和持液层的整流之后，均匀度增加到0.96。

3　结　论

本文首先选择一个较小的喷淋单元来研究托盘的孔隙率与持液层及压降之间的关系，得到了不同开孔率下积液层高度和及因此而产生的压降。从计算结果来看，孔隙率在35%～38%之间，持液层可以维持在100～200 mm之间，压降维持在100～200 Pa之间，比较符合设计要求，建议托盘孔隙率维持在35%～38%之间。并在此基础上，选择33.8%孔隙率的托盘作为脱硫塔的构建来模拟脱硫塔整体模型，从整体计算的结果来看，33.8%孔隙率的托盘可以得到150～200 mm高度的持液层，该持液层带来的压降为200 Pa左右(托盘本身压降45 Pa)，气流在托盘之前的均匀程度为0.88，在经过托盘和持液层的整流之后，均匀度增加到0.96。本文研究成果对于脱硫塔托盘开孔率和开孔尺寸设计起到了指导作用，已成功应用于某热电厂，实际效果良好。

[1]王立生.烟气脱硫系统及其控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

[2]岑可法, 樊建人.工程气固多相流的理论及计算[M].杭州:浙江大学出版社，1990:22.

[3]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2005:36.

[4]李仁刚,管一明.烟气脱硫喷淋塔流体力学特性研究[J].电力环境保护,2002,17(4):4-8.

Application of Flow-field Numerical Simulation Technology in the Optimized Design of Desulfurization Tower Tray Structure

MAKe-wei,YANGDi,XIAOAi-ping,ZHUMing,CHENXia-ling,GAOKai-tuo

(China United Engineering Corporation, Zhejiang Hangzhou 310052, China)

The k-ε turbulence model was adopted for numerical simulation of the desulfurization tower tray structure for a boiler flue gas. The liquid layer height above tray and corresponding pressure drop were analyzed for tray with different porositys. This research would play a guiding role for opening rate and hole size design of desulfurization tower tray.

FGD; numerical simulation; tray; optimized design

马科伟(1985-)，男，工程师，研究生，从事烟气脱硫脱硝工作与研究。

TE9

A

1001-9677(2016)05-0172-03