陳冬林，田紅，殷立國(guó)，楊寧武，劉文哲，張博

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司生產(chǎn)管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100033；3.大唐華銀電力股份有限公司安生部，湖南 長(zhǎng)沙 410111；4.湖南大唐先一科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410111）

濕式石灰石-石膏煙氣脫硫（wet flue gas desulfurization，WFGD）技術(shù)成熟穩(wěn)定，煤種適用范圍廣，已成為目前鍋爐煙氣脫硫的主流技術(shù)[1-6]。然而，傳統(tǒng)WFGD 大多采用單側(cè)引入煙氣，使得塔內(nèi)的煙氣流場(chǎng)分布不均，并在進(jìn)煙口附近出現(xiàn)較大的流動(dòng)死區(qū)[7-8]，導(dǎo)致該區(qū)域自上而下流動(dòng)的脫硫漿液未與煙氣接觸，從而影響脫硫效率[9-11]。

眾多學(xué)者針對(duì)脫硫塔運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的塔內(nèi)煙氣分布不均進(jìn)而影響脫硫效率的問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。賀志超等[12]提出了幾種不同的導(dǎo)流板布置方案，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算比較了不同方案下脫硫塔內(nèi)的煙氣流場(chǎng)均勻性，得出了最優(yōu)導(dǎo)流板布置形式。薛景巖等[13]針對(duì)濕法煙氣脫硫塔煙氣偏流問(wèn)題，利用導(dǎo)流板組織煙氣流動(dòng)，提高液氣比分布均勻性。結(jié)果表明，與原噴淋塔相比，加入4 塊導(dǎo)流板時(shí)脫硫性能提升較為明顯。薄佳燕等[14]采用數(shù)值模擬方案，研究了脫硫塔塔內(nèi)噴淋層數(shù)以及液氣比對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響，確定了脫硫塔內(nèi)最佳噴淋層數(shù)及液氣比布置方案。卜奔等[15]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，研究了對(duì)切進(jìn)氣對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明，采用對(duì)切進(jìn)口結(jié)構(gòu)可以使煙氣均勻一致地通過(guò)脫硫噴淋塔，從而提高脫硫效率。王蘭蕙等[16]提出了一種新型球式湍流提效結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)安裝在噴淋層上方，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該裝置對(duì)于脫硫效率的提升具有促進(jìn)作用。

以上研究人員主要針對(duì)在塔內(nèi)增加均流設(shè)備及其優(yōu)化或從漿液端進(jìn)行研究，并沒(méi)有在本質(zhì)上解決煙氣偏流的問(wèn)題。因此，本文以某電廠600 MW機(jī)組脫硫塔為研究對(duì)象，提出了一種適用于目前傳統(tǒng)鈣基脫硫塔的煙氣周向進(jìn)氣方案，并通過(guò)數(shù)值模擬比較了幾種不同的周向進(jìn)氣方案對(duì)塔內(nèi)煙氣均勻性的影響，最終得出了最佳進(jìn)氣方案。

1 技術(shù)原理與設(shè)計(jì)方案

1.1 技術(shù)原理

單側(cè)進(jìn)氣方案的脫硫塔內(nèi)煙氣在進(jìn)入脫硫塔后，沖擊對(duì)向壁面，然后向上運(yùn)動(dòng)。在不設(shè)置煙氣均流設(shè)備（孔板托盤）的情況下，塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布不均[17-18]，極易出現(xiàn)煙氣流動(dòng)死區(qū)。600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔單側(cè)進(jìn)氣方案縱剖面如圖1 所示。數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由單側(cè)進(jìn)氣方案造成的塔內(nèi)煙氣流動(dòng)死區(qū)占塔內(nèi)有效反應(yīng)區(qū)域的18%～25%。

圖1 600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔單側(cè)進(jìn)氣方案縱剖面Fig.1 Longitudinal section of the single-side intake scheme of the flue gas desulfurization tower of a 600 MW unit

脫硫塔內(nèi)煙氣流動(dòng)死區(qū)的存在，導(dǎo)致該區(qū)域自上而下流動(dòng)的石灰漿液未能與煙氣接觸，從而嚴(yán)重影響脫硫效率。針對(duì)塔內(nèi)煙氣流動(dòng)不均，通常會(huì)引入均流設(shè)備[19-20]，但在這樣的流場(chǎng)條件下，均流設(shè)備的均流性能往往達(dá)不到預(yù)期，反而會(huì)由于均流設(shè)備一側(cè)長(zhǎng)期處在單側(cè)煙氣流量過(guò)大的運(yùn)行條件下，導(dǎo)致均流設(shè)備極易堵塞，使得脫硫塔內(nèi)的流動(dòng)阻力進(jìn)一步增大。同時(shí)，一側(cè)煙氣流量過(guò)大而另一側(cè)煙氣流量過(guò)小使得塔內(nèi)流動(dòng)阻力大幅增加，即使增大石灰漿液的噴淋量也難以對(duì)脫硫塔脫硫效率起到顯著的提升作用。對(duì)此，本文提出了一種周向進(jìn)氣方案如圖2 所示。該方案將單側(cè)進(jìn)氣煙道一分為二，繞塔體壁面一周形成環(huán)形煙道，在環(huán)形煙道內(nèi)壁面（即脫硫塔與環(huán)形煙道等高處壁面）水平方向均勻地開(kāi)若干進(jìn)氣口，原煙氣通過(guò)內(nèi)壁的開(kāi)口進(jìn)入脫硫塔內(nèi)，從而形成周向進(jìn)氣。周向進(jìn)氣方案可以極大地改善由單側(cè)進(jìn)氣方案造成的塔內(nèi)煙氣偏流現(xiàn)象，從而提高塔內(nèi)煙氣分布的均勻性。

圖2 600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔周向進(jìn)氣方案Fig.2 Cross-sectional view of circumferential intake scheme of flue gas desulfurization tower of the 600 MW unit

1.2 方案設(shè)計(jì)

以某電廠600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔為例，根據(jù)環(huán)形煙道內(nèi)壁面的開(kāi)口數(shù)量以及各進(jìn)氣口的尺寸，設(shè)計(jì)了3 種脫硫塔周向進(jìn)氣方案（圖3）。

圖3 600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔不同進(jìn)氣方案Fig.3 Different air intake schemes for flue gas desulfurization tower of the 600 MW unit

在原入口煙道布置“人”字形導(dǎo)流板，將入口煙道一分為二，原入口煙道內(nèi)的煙氣分為2 部分分別進(jìn)入環(huán)形煙道，然后通過(guò)環(huán)形煙道內(nèi)壁面開(kāi)口進(jìn)入脫硫塔。布置環(huán)形煙道時(shí)需保證不對(duì)脫硫塔外其他設(shè)備造成不良影響，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)脫硫塔的尺寸對(duì)環(huán)形煙道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本方案設(shè)計(jì)中，環(huán)形煙道的高度為4.1 m，寬度為2.0 m。

為保證在不同進(jìn)氣方案下，進(jìn)入脫硫塔內(nèi)煙氣入口流量一致，不同進(jìn)氣方案進(jìn)氣口尺寸應(yīng)有所區(qū)別，各方案設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。同時(shí)，由于煙氣在入口煙道處的流動(dòng)方向未發(fā)生改變（均為從左至右），煙氣在通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入脫硫塔后仍具備一定的沖擊慣性，會(huì)加劇脫硫塔內(nèi)煙氣的不均勻性，因此有必要在進(jìn)氣口處設(shè)置噴嘴，以削弱煙氣沖擊慣性所帶來(lái)的影響。3 種進(jìn)氣方案的噴嘴長(zhǎng)度均為0.4 m。

表1 600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔周向進(jìn)方案設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Circumferential air intake scheme and design parameters of flue gas desulfurization tower for the 600 MW unit

此外，周向多噴嘴進(jìn)氣方案中，考慮到靠近原入口煙道處的2 個(gè)進(jìn)氣口的流量較大，為最大限度地提升脫硫塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)均勻性，需脫硫塔內(nèi)4 個(gè)進(jìn)氣口的煙氣流量保持一致，因此降低了靠近入口煙道2 個(gè)進(jìn)氣口的高度。

2 脫硫塔內(nèi)流動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬

本研究的目的是為工程應(yīng)用中脫硫塔存在的低效高阻問(wèn)題尋求解決方案。在鈣基濕法脫硫塔的優(yōu)化改造中，利用Fluent 模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬是目前應(yīng)用較為廣泛的處理手段[21-25]。因此，本研究采用數(shù)值模擬的方法分析不同周向進(jìn)氣方案對(duì)塔內(nèi)煙氣均勻性的影響。

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文主要分析了不同進(jìn)氣方案下的脫硫塔內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)以及阻力損失規(guī)律，結(jié)合該湍流流動(dòng)的實(shí)際情況，選擇Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。該模型滿足對(duì)雷諾應(yīng)力的約束條件，在雷諾應(yīng)力上與真實(shí)湍流保持一致[26]，能精確模擬平面和圓形射流的擴(kuò)散速度。壓力與速度的耦合采用couple 算法，動(dòng)量離散格式、湍流動(dòng)能和湍流耗散率格式均為二階離散格式。

2.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

以某電廠600 MW 機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)煙氣脫硫塔為幾何原型。該脫硫塔采用單側(cè)進(jìn)氣方案，塔內(nèi)配備1 層孔板托盤（孔徑為35 mm，開(kāi)孔率為35%）、4 層噴淋裝置、1 臺(tái)除塵除霧設(shè)備。為快速得出脫硫塔內(nèi)的煙氣流動(dòng)規(guī)律，對(duì)原脫硫模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，模型內(nèi)部構(gòu)件僅包括導(dǎo)流板和除霧器，并通過(guò)SCDM 軟件按1:1 比例建立該脫硫塔的三維幾何模型（圖4a)）。

基于簡(jiǎn)化后的脫硫塔三維幾何模型，利用ICEM 軟件對(duì)模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，并在塔體壁面處建立邊界層，對(duì)脫硫塔進(jìn)出口及內(nèi)部構(gòu)件處網(wǎng)格進(jìn)行加密（圖4b)）。

圖4 600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔模型Fig.4 Grid model of the 600 MW unit flue gas desulfurization tower

通過(guò)網(wǎng)格疏密程度不同的計(jì)算模型（網(wǎng)格數(shù)量分別為496 581、268 613 以及134 318）進(jìn)行試算和分析，確定網(wǎng)格數(shù)量為268 613 時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)后的計(jì)算結(jié)果與當(dāng)前網(wǎng)格數(shù)下的相對(duì)誤差小于1%，網(wǎng)格密度對(duì)模擬計(jì)算精度的影響可以忽略。

2.3 邊界條件

脫硫塔運(yùn)行時(shí)額定負(fù)荷工況見(jiàn)表2。煙氣入口邊界條件為速度入口，煙氣出口選擇outflow，導(dǎo)流板采用無(wú)滑移壁面邊界條件，除霧區(qū)采用多孔介質(zhì)模型，其中y方向的慣性阻力系數(shù)C2設(shè)置為20 m-1，y方向的黏性阻力系數(shù)D設(shè)置為400 000 m-2。

表2 脫硫塔額定負(fù)荷工況下數(shù)值模擬各參數(shù)Tab.2 Prameters for numerical simulation of the flue gas desulfurization tower under rated load condition

3 結(jié)果與分析

3.1 塔內(nèi)流場(chǎng)分布

圖5 和圖6 分別為不同進(jìn)氣方案下脫硫塔縱剖面與橫斷面的煙氣速度矢量圖。圖6 為不同高度位置的脫硫塔橫斷面，橫截面設(shè)置以煙氣入口位置以及塔內(nèi)噴淋層位置為依據(jù)。由圖5a)及圖6a)可以看出：在塔內(nèi)未設(shè)置均流設(shè)備的條件下，原模型的單側(cè)進(jìn)氣方案會(huì)造成脫硫塔內(nèi)部單側(cè)煙氣流量過(guò)大，塔內(nèi)煙氣分布不均；而在分別采用對(duì)沖進(jìn)氣、周向六口進(jìn)氣以及周向多噴嘴進(jìn)氣這3 種不同的周向進(jìn)氣方案后，脫硫塔內(nèi)煙氣偏流現(xiàn)象得到了不同程度的改善，塔內(nèi)煙氣分布的均勻性得到明顯提升，即使脫硫塔上部區(qū)域煙氣流場(chǎng)也同樣較為均勻。

圖5 不同進(jìn)氣方案下的脫硫塔縱剖面煙氣速度矢量圖Fig.5 Vector diagram of flue gas velocity in longitudinal section of the desulfurization tower under different air intake schemes

圖6 不同進(jìn)氣方案下的脫硫塔橫斷面煙氣速度矢量圖Fig.6 Vector diagram of flue gas velocity in cross section of the desulfurization tower under different air intake schemes

對(duì)比3 種不同的進(jìn)氣方案下脫硫塔縱剖面和橫斷面的煙氣速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)沖進(jìn)氣和周向六口進(jìn)氣這2 種進(jìn)氣方案下，煙氣在進(jìn)入脫硫塔后匯聚的中心點(diǎn)始終偏離脫硫塔橫斷面的中心點(diǎn)。這表明在這2 種進(jìn)氣方案下，即使在塔內(nèi)設(shè)置了進(jìn)氣口噴嘴，但由于煙氣的慣性沖擊力仍然較大，且各進(jìn)氣口的進(jìn)氣流量有較大的差距，靠近入口一側(cè)的進(jìn)氣口的流量明顯大于另外一側(cè)的流量。與其他進(jìn)氣方案相比，周向多噴嘴進(jìn)氣方案各進(jìn)氣口的流量基本保持一致，且各股煙氣的匯聚點(diǎn)為脫硫塔橫斷面中心，在脫硫塔各位置橫斷面處煙氣分布差距不大，分布較為均勻?？梢?jiàn)，相較于其他2 種方案，周向多噴嘴進(jìn)氣方案對(duì)于塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的改善最為顯著。

圖7 為不同進(jìn)氣方案下脫硫塔在各高度位置的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線。速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差是指某一斷面各點(diǎn)流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差所占該橫斷面速度平均值的百分比，該值能準(zhǔn)確反映某一斷面的流場(chǎng)均勻性程度。速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，流場(chǎng)均勻性越好。

圖7 不同進(jìn)氣方案下脫硫塔各位置處的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.7 Relative standard deviation of air velocity at each position of the desulfurization tower under different air intake schemes

由圖7 可看出：原模型中各高度位置的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差普遍較高，且隨著高度的增加差別不大，可見(jiàn)單側(cè)進(jìn)氣方案流場(chǎng)均勻性普遍較差，且隨著高度的增加并無(wú)改善；采用3 種不同的周向進(jìn)氣方案后，脫硫塔速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均有了不同程度的減小，說(shuō)明周向進(jìn)氣方案使得塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性得到了改善。其中，周向多噴嘴進(jìn)氣方案對(duì)塔內(nèi)的流場(chǎng)均勻性改善效果最好，且在更高位置處的流場(chǎng)均勻性更好，在-27 500 mm 高度位置處速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差由原模型的1.2 降至0.6。

3.2 阻力損失

表3 為600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔不同進(jìn)氣方案條件下的流場(chǎng)均勻性與流動(dòng)阻力損失。流動(dòng)阻力為脫硫塔進(jìn)出口的壓差，由于在該模型計(jì)算過(guò)程中并未加入漿液耦合項(xiàng)，因而該阻力損失代表空塔條件下煙氣在塔內(nèi)的流動(dòng)阻力損失。由表3 可以發(fā)現(xiàn)，空塔條件下周向多噴嘴進(jìn)氣方案的流動(dòng)阻力損失為253 Pa，相較于單側(cè)進(jìn)氣方案增加了93 Pa。這是由于本文周向多噴嘴進(jìn)氣方案中，環(huán)形煙道的橫斷面面積縮小，不到入口煙道橫斷面面積1/5，導(dǎo)致煙氣流速增大，同時(shí)煙氣流程增長(zhǎng)，增加了煙氣的阻力損失。在現(xiàn)場(chǎng)有足夠布置空間的情況下，可以通過(guò)增大環(huán)形煙道的橫斷面面積，大大減少甚至消除這種煙氣阻力損失。但由于單側(cè)進(jìn)氣方案條件下的脫硫塔內(nèi)煙氣分布極度不均，因此通常會(huì)在塔內(nèi)設(shè)置持液托盤以提高煙氣均勻性，持液托盤的設(shè)置將會(huì)使塔內(nèi)煙氣流動(dòng)阻力損失增大800～1 000 Pa。周向多噴嘴進(jìn)氣方案雖然會(huì)在一定程度上增大塔內(nèi)煙氣流動(dòng)阻力損失，但從流場(chǎng)均勻性的角度看，采用周向多噴嘴進(jìn)氣可使塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性得到極大的提升，從而不再需要設(shè)置持液托盤等均流設(shè)備，最終將大幅度減小脫硫塔的煙氣流動(dòng)阻力損失。采用周向多噴嘴進(jìn)氣方案下的煙氣流動(dòng)阻力損失小于單側(cè)進(jìn)氣方案加上持液托盤等均流設(shè)備后總煙氣流動(dòng)阻力損失。因此，采用周向多噴嘴進(jìn)氣方案可在脫硫塔內(nèi)流動(dòng)阻力損失較小的情況下，得到較好的流場(chǎng)均勻性。

表3 600 MW 機(jī)組煙氣脫硫塔不同進(jìn)氣方案流場(chǎng)均勻性與流動(dòng)阻力損失Tab.3 Flow field uniformity and flow resistance loss of the 600 MW unit flue gas desulfurization tower with different air intake schemes

4 結(jié)論

1）相較于傳統(tǒng)濕法脫硫系統(tǒng)的單側(cè)進(jìn)氣方案，周向進(jìn)氣方案可顯著改善脫硫塔橫斷面上煙氣速度分布的均勻性。

2）在周向進(jìn)氣脫硫塔方案中，周向多噴嘴進(jìn)氣方案對(duì)塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)均勻性的改善效果最佳。在-27 500 mm 的脫硫塔橫斷面上，煙氣速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差由現(xiàn)有單側(cè)進(jìn)氣方案的1.2 降至0.6，降幅達(dá)58.3%。

3）周向進(jìn)氣脫硫塔方案因保證了塔內(nèi)各斷面上煙氣分布的均勻性，使得脫硫塔內(nèi)不再需要設(shè)置持液托盤等均流設(shè)備，因而可大大降低脫硫塔內(nèi)煙氣的流動(dòng)阻力損失。在-27 500 mm 的橫斷面上維持煙氣速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.6 時(shí)，周向進(jìn)氣脫硫塔方案與設(shè)置持液托盤的單側(cè)進(jìn)氣方案相比，塔內(nèi)煙氣的流動(dòng)阻力損失可由800～1 000 Pa 降至253 Pa，降幅達(dá)547～747 Pa。另外，周向進(jìn)氣脫硫塔方案可有效提高引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，降低引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電耗，具有顯著的節(jié)能效果。