氨法烟气脱硫喷淋塔烟气流场的数值模拟

洪文鹏，高天聪，张伟玲

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

煤燃烧的过程中会形成烟尘、SO2、NOx、CO2以及微量重金属等多种有害物质，引起酸雨、温室效应、阴霆天气、臭氧层破坏等诸多环境问题［1］。虽然二氧化硫的任意排放会造成酸雨等严重的环境污染问题，但二氧化硫也是生产硫酸和化肥的重要原料之一。中国是传统的农业大国，氨法脱硫的副产品硫酸铵、亚硫酸铵均是农业生产常用的化肥，其出售的收入能大幅降低运行成本，实现了硫资源的回收利用，更加符合国家建设循环经济的政策。因此，氨法烟气脱硫作为一种适合我国实际国情的脱硫技术日益得到国内学者的广泛关注［2］。

在氨法脱硫领域涉及火电厂脱硫装置的研究较少，其中有如南京理工大学的贾勇等对填料塔氨法脱硫模型研究［3］，浙江大学丁红蕾对氨基湿法烟气脱硫的机理及工业试验研究［4］，浙江大学的郭瑞堂等采用优化构件对湿法烟气脱硫喷淋塔内流场的优化［5］等，现有文献中涉及氨法脱硫喷淋塔的数值模拟较少。对于湿法脱硫通用的喷淋塔烟气流场模拟，有浙江大学的林永明对300 MW机组WFGD烟气流场的模拟［6］，王旭等对入口位置对喷淋塔流场影响的数值模拟［7］的结果可以对脱硫塔的设计起一定的指导作用。但是前人针对大型喷淋塔，特别是600 MW机组，烟气量达到2×106以上的喷淋塔进行模拟和几何结构的设计较少。本文在实验的基础上结合工程实际采用WFGD喷淋塔通用的研究方法，对烟气入口角、径高比、出口方式、流体优化环位置这几种几何结构影响的烟气流场进行模拟，为喷淋塔的几何尺寸以及塔内喷嘴的布置设计提供参考，并为气液两相模拟和流场优化奠定基础。

1 模拟对象与方法

1.1 模拟对象

本文依照某600 MW机组WFGD系统的喷淋塔为研究对象，结构如图1所示。喷淋塔分为上、下两个部分，即烟气流通部分和氨液部分，其中烟气流通部分为主要反应区域，带有SO2的烟气由烟气入口进入喷淋塔，在塔内向上流动与向下喷淋的氨液充分混合发生脱硫反应，反应后夹杂液滴的烟气进入除雾器除去液滴，最后达到排放标准的烟气从烟气出口排出喷淋塔进入烟囱。同时回收的氨液可以经过氧化反应析出产物(NH4)2SO4。

本文所模拟的喷淋塔几何参数有:烟气入口角，塔径与烟气流通高度比，侧出口方式和顶出口方式，流体优化环位置。

1.2 模型假设与简化

根据脱硫喷淋塔内烟气流动的实际情况，做如下模型假设:

(1)将烟气视为不可压缩牛顿流体;

(2)不考虑塔内喷淋管、除雾器等组件对烟气流场的影响;

(3)入口边界条件认为来流速度充分发展且分布均匀;

(4)暂不考虑塔氨液喷淋对烟气流场的影响。

图1 脱硫喷淋塔结构

1.3 计算网格划分

为了取得更高计算精度，本文采用ICEM商用网格划分软件，全部计算区域采用结构化网格，圆形塔体采用O型网格划分策略的结构化网格。在计算上可以有效的减少网格数并增加计算精度，经过网格无关性讨论后，确定总体网格数量40万。网格划分见图2。

1.4 数学模型及控制方程

本文进行迭代求解所使用的方法采用有限体积法［8］，建立数学模型的控制方程包括三维的连续性方程、动量方程、湍动能k和耗散率ε的两个输运方程，它们的通用形式如下:

式中:φ为通用变量，代表不同的求解变量，速度u、v、w;湍动能k;耗散率ε;压力p;φ=1时方程为连续性方程;Гφ为广义扩散系数;Sφ为广义源相。

图2 网格划分

对于喷淋塔内复杂的湍流，湍流的流动表示为时均值和脉动值之和，采用由Launder和Spalding［9］提出的标准k–ε模型对时均雷诺项进行封闭［10］。标准k–ε模型是基于Boussinesq假设的涡粘模型，即雷诺应力通过求解涡流粘性μT(湍流粘性)来对流场进行模拟，其中在标准k–ε模型中μT是湍动能k和耗散率ε的函数。标准k–ε模型的稳定性较高，且具有较高的计算精度和较少的计算量，对于脱硫塔尺寸较大、塔内烟气雷诺数较大的情况下适用。近壁面处选择标准壁面函数法进行修正。差分格式采用二阶迎风格式，边界条件为速度入口，压力出口。

1.5 模拟参数

采用个人电脑，奔腾双核E6300处理器，2G内存，FLUENT13软件进行模拟。基本模拟参数见表1，对比模拟参数见表2。

表1 基本模拟参数

表2 对比模拟参数

2 模拟结果与分析

烟气入口角是喷淋塔设计中关键得几何参数。从图3的烟气迹线图可以看出。烟气由入口进入喷淋塔后，沿右侧壁上升，左侧气流形成旋涡，其旋涡的大小随入口角度的增大而增大;在一定的角度范围内，右侧烟气垂直上升区域的到大小随入射角度增大而增大，这是由于烟气入口角度增大，入射烟气的切向速度增大，利于旋流扩散，故旋涡缩小，烟气流动区域增大，同时对液体层的液面的扰动作用增大。

由图4高度8 m处水平面速度矢量图可以看出烟气在刚刚进入塔后有右侧冲壁现象，这种冲壁现象容易导致表面温度过高析出晶体，导致脱硫塔结垢。在右侧壁中心处产生两个相对的旋转涡流，整个截面中心速度高、两侧速度低。在该高度，随着烟气入口角的增大，烟气轴向速度增加，分布更加均匀。

图3 不同烟气入口角的烟气迹线图

图4 不同烟气入口角水平速度矢量图

由图5平均压力图可得到:当烟气入口角度为7°、10°、15°、20°时空塔压降分别为116 Pa、121 Pa、126 Pa、138 Pa。前三种入口角差别不大，而20°入口角度的压降升幅更明显，压降的增加导致风机负荷的增加，不利于脱硫经济性。

综合考虑，随烟气入口角的增大有利于脱硫效率，但不利于经济性，选取入口角度15°较合理。

图5 入口压力随烟气入口角变化

图6 烟气高速区域所占比例

塔径和塔高是两个相关的设计喷淋塔的几何参数，由图7可以看出，烟气进入喷淋塔后烟气随着径高比的增大烟气流动变化不大，都有较明显的冲壁现象，在喷淋塔中间高度15 m处截取横截面得到速度等值线图，分析轴向的烟气速度大10 m/s的区域所占整个区域的百分比。由图6中可以得知，在一定范围内随着喷淋塔径高比的增加高速烟气区域面积缩小，有烟气聚集现象，造成烟气短路，不利于脱硫，短路区域位于喷淋塔右侧，在布置喷淋设备时应做相应考虑。

图7 不同径高比的烟气迹线图

图8为不同径高比喷淋塔截面平均压力随高度变化曲线，可以看出，在忽略塔内构件的情况下随着径高比的增加，在0.487～0.552时，主要区域压力随径高比增大而增大;在0.552～0.584时，主要区域压力随径高比增大而减小，且减小的幅度更大。

图8 不同径高比压力随高度变化

图9 不同出口方式迹线图

综合考虑，喷淋塔径高比增大的不利于烟气流场的均匀化，但是径高比减小，塔内压力增大。径高比为0.552附近时为更好的选择。

喷淋塔出口的设计在实际工程中一般分为两种，侧出和顶出。图9为不同出口方式的迹线图，由图中可以看出顶出口比侧出口的左侧旋涡中心向上偏移，旋涡增大。分析流动形态可以知顶出口方式相当于拉长了流动区域，即缩小了塔径比。对比图10速度分布图可以得到相同的结论，顶出口方式较侧出口方式烟气速度分布更均匀，曲线峰值无论正负均较小，更不容易出现烟气短路现象。

图10 不同出口方式速度分布

图11 有无流场优化环烟气迹线图

在工程实际中小型的脱硫喷淋塔均采用顶出口方式，而大型脱硫塔则普遍采用侧出口方式，主要是因为实际施工和材料的限制，在设计的时候应给予综合考虑。

为了使烟气流场流动均匀化，一般采用两种不同的优化构件，即整体优化［11-12］(如多孔板或栅格)，和局部优化［5］(优化环)。本文采用局部优化，采用文献5中的流通截面倾为81%、倾斜角为40°的优化环。从图11可以看出烟气流经优化环后主流区域向塔中心偏移，这将有助于烟气均匀，有利于气液交换反应。图12是优化环在塔内不同安装高度的情况下喷淋层下1m处的速度分布，其中位置1、2、3分别对应测速区下1 m、2 m、3 m。安装优化环后，速度曲线右侧的峰值向左偏移且有所降低，流场更加均匀。对比位置1、2、3可知位置3曲线在X方向上4 m到2 m处可知位置3和无优化环相似，位置1、2均较均匀呈线性分布，这是由于近壁面处优化环阻碍作用导致的，位置1、2时近壁面处的烟气流动稀薄不利气液接触，所以在布置局部优化环的时候，在条件允许的情况下优化环的安装距离喷淋液膜区［13］最好应大于3 m。

图12 不同流场优化环速度分布

图13 不同流场优化环速度云图

由图13速度云图可知随着优化环离液膜区越来越远，液膜区的轴向速度逐渐在截面内均匀，速度峰值平缓。左侧回流速度在位置1、2时逐渐减少，即旋涡变小，位置3处旋涡再次增大。这将有利于氨液与烟气充分接触，提高脱硫效率。

由图14塔内平均压力图可知，随着位置的降低，即远离液膜区，塔内压力降低。

综合以上分析可知，在无喷淋情况下优化环位置离反应区越远，流场越均匀，整体压力值越低，有利于脱硫系统的经济性。

图14 不同流场优化环压力变化

3 结 论

(1)随着烟气入口角的增大，烟气流动越均匀，但其压力损失增大;考虑到气液反应和能量损失，入口角为15°时较理想。

(2)喷淋塔径高比的不利于烟气流场的均匀化，但是径高比减小，塔内压力增大。径高比为0.552附近时为更好的选择。

(3)顶烟气出口方式相当于减小喷淋塔径高比，有助于流场均匀。

(4)局部流场优化构件可以使流场更加均匀，其安装距液膜反应区3 m以上，随着距离的增加，轴向速度均匀性更好有助于脱硫效率，同时压降更低，有利于脱硫经济性。

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