石灰石石膏湿法烟气脱硫塔内流场模拟及优化分析.doc

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1、石灰石石膏湿法烟气脱硫塔内流场模拟及优化分析首先介绍石灰石-石膏湿法脱硫工艺过程和存在的问题，然后结合影响脱硫效率的主要因素，采用CFD技术，建立模型、选取参数、计算并分析了脱硫塔内流场的特性，最后提出相应的优化方案，为数值模拟和工业优化设计提供参考。关键词：湿法脱硫;流场模拟;优化分析面对我国日益严峻的大气污染问题，为了减轻SO2污染及酸雨的危害，必须从主要源头着手，控制燃煤电厂的SO2排放。治理烟气中的SO2有三类方法：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫及燃烧后脱硫。美国EPRI(电力研究协会)统计显示，已经开发的近百种脱硫工艺中，仅有10多种真正实现了工业应用。80%的已投运或在建的脱硫系统采用了湿

2、法烟气脱硫技术。其中，石灰石-石膏湿法烟气脱硫是最为广泛采用的一种脱硫工艺。然而，该法涉及了复杂的物理化学反应过程，如何研究其反应机理及过程，进而进行工艺优化设计，是提高效能和经济性的关键。本文利用CFD(computationalfluiddynamics)技术对脱硫塔内气液两相流进行研究，探讨塔内流场模型建立、参数选择及流场特性，为脱硫塔的优化设计提供参考。1问题分析1.1石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统主要包括：石灰石制备系统、烟气系统、SO2吸收系统、石膏脱水和处理系统、控制及电气系统。其主要工艺过程：从锅炉引风机引出的烟气全部进入FGD系统，首先通过气气热交换

3、器(MGGH)对未脱硫烟气进行降温，再进入吸收塔进行脱硫反应，完成脱硫后的净化烟气经溢流槽及两级除雾后，再通过MGGH被重新加热到80以上经烟囱排出。石灰石-石膏湿法脱硫工艺技术成熟，脱硫效率可达95%以上;原料来源广、价廉易得;容量可大可小，应用范围广;系统运行稳定，变负荷运行特性优良;副产品便于综合利用;技术进步快。但是，该法投资和运行费用较高、占地面积较大，关于提高脱硫效率、降低脱硫能耗的研究是该技术研究与发展的主要方向。1.2存在问题通过对石灰石-石膏湿法脱硫工艺过程的分析，结合实际喷淋塔内的物理化学反应可知，影响脱硫效率的因素主要有：吸收液的pH值、烟气温度和流速、石灰石粒度及纯度、

4、吸收液停留时间、液气比及浆液循环量。而工艺优化的难点就在于各种影响因素之间也会相互影响，并受到能耗的制约。较低的pH值有利于石灰石的溶解和生成物的氧化，但有腐蚀性，而较高的pH值则有利于SO2的吸收，但不利于石灰石溶解;烟气流速大，可形成湍流增强气液传质，但易造成烟气带水从而增加除雾器负担，同时增加风机能耗;高纯度、细颗粒的石灰石增大了反应接触面积，但石灰石制造成本也相应增加;吸收液停留时间长有利于提高吸收液利用率，但会导致土建和设备费用增加;液气比加大相当于提高了喷淋密度，但增加了设备造价和能耗。采用实验方法对以上复杂过程和问题进行分析有很大难度，一般是建立实验室模型反映实际问题，二是对实际

5、工程问题进行归纳总结，但都不能经济有效的对优化设计进行探索。CFD方法与实验方法对比，具有技术花费少、可以得到吸收塔中速度场、强度场等详细信息的优点，对喷淋塔的优化设计具有重要意义。2研究内容2.1研究对象石灰石-石膏湿法脱硫的喷淋塔内实际上是一个涉及气-液-固三态，包括化学反应、传质、传热等过程的复杂的过程。本文研究对象为喷淋塔内的流场。基于双膜理论，将喷淋塔内的复杂流动视为气液两相流。其中，烟气在流经各喷淋层时，烟气中的SO2与喷出的石灰石浆液发生复杂的反应，反应后的烟气继续向上流动，经过除雾器，从塔上方排出。对于喷淋塔内的气液两相流流场，将烟气视为连续相，浆液视为离散相，且流场为湍流。以

6、某电厂喷淋塔为例，其相关参数如表1所示。表1喷淋塔相关结构及运行参数2.2研究方法2.2.1模型建立本研究借助于前处理软件Gambit建立喷淋塔模型，并在Fluent软件中进行计算分析。基于简化和假设，采用CFD前处理软件GAMBIT进行建模和网格划分。其中，模型建立数据依据喷淋塔尺寸设置，采用结构化网格Hex/wedge，局部网格加密。2.2.2边界条件和初始参数设置烟气进口设置为Velocity-in;烟气出口为Outflow;三层喷淋层设置为Interior，并采用面喷淋方式(surface);浆液颗粒粒径采用Rosin-Rammler模型，粒径大小15002500m，平均粒径2000m

7、;其他表面均为Wall。2.2.3求解参数设置烟气从喷淋塔下部进入塔内，视为连续相。采用欧拉方法，即控制体积法进行描述。根据塔内流动的实际情况，采用RNGk-湍流模型来模拟烟气的湍流流动。浆液颗粒从喷嘴喷出，视为离散相。采用拉格朗日方法，即颗粒跟踪法进行描述。由于脱硫塔内烟气的湍流，运用DPM模型时，采用随机漫步模型来模拟烟气湍流对液滴运动轨迹的影响。此外，各壁面在DPM模型中，均设置为逃逸。数值算法采用如下设置：压力采用Simple算法;离散格式采用有限体积法;对流离散格式采用二阶迎风。3模型分析3.1连续相的速度和湍动能分布对未加入喷淋的烟气流场进行模拟，空塔内的x=0截面上烟气速度和湍动

8、能分布如图1所示。从图1可以看到，烟气从右下方进入喷淋塔空塔，在靠近烟气进口侧的塔壁烟气流速明显下降，烟气主要沿着烟气进口对面的空间向上流动。在烟气到达烟气出口附近时，由于烟气流通截面的突然减小，烟气流速明显增大。另一方面，在烟气进口处，由于烟气流通截面的突变，烟气的湍动能较大;同理，在烟气出口处，出口拐角再次发生湍动能增大的现象。而在进入喷淋塔空塔内部后，在靠近烟气进口侧附近，烟气的湍动能明显增强，这是由于塔内烟气速度的分布不均引起的。3.2离散相的速度分布对加入喷淋的烟气流场进行模拟，塔内的x=0截面上浆液的速度分布如下页图2所示。由图2可知，三层同时喷淋时，浆液颗粒总体上是竖直降落的。而

9、在烟气进口侧，烟气连续相流场的湍动能较大，浆液颗粒的运动轨迹并不是竖直下落，而是发生了水平偏转;并且由于烟速不高，液滴在下落过程中发生碰撞、凝聚，速度有所增加。在烟气进口的对侧，由于烟气流速较大，浆液颗粒在下落的过程中也产生了停留后继续下落的现象。通过高、中、低层逐一显示，可以更直观地看到各层浆液颗粒在向下喷淋的过程中，速度变化的颗粒轨迹。且在中、低层，由于烟气流速过大，有极少量的浆液颗粒产生了液泛，但是由于高层的喷淋作用，颗粒最终下落回浆液池中;相较之下，低层的液泛颗粒要多于中层，这是因为，低层喷出的浆液颗粒直接受到烟气的吹动，特别在烟气进口的对侧，烟速较大，更容易被烟气向上携带;而高、中两

10、层则由于烟气流速受到低层喷淋的压制作用，对高、中层喷出浆液颗粒的吹动作用不大。3.3喷淋塔内烟气的流速和湍动能如图3所示在吸收区，在烟气进口对侧的烟速较大处，流场的湍动能较大，但吸收区流场的湍动能整体均匀性较差。并且，与空塔时相比，其速度和湍动能分布区域发生了变化。4结语1)采用CFD技术能够很好地反映脱硫塔内流场，相比于实验方法，具有高效率、低消耗的特点。通过模型和参数的进一步优化，有望进行更深入的研究，并应用于工业中。2)空塔时，烟气流速分布变化受塔内结构、进出烟口的影响。可考虑对塔和进出烟口进行优化，以改善塔内烟气湍动能分布。3)三层喷淋时，浆液与烟气逆流，两者相互影响。一方面，烟气使浆液在下落的过程中轨迹发生偏移，并且由于各层安装高度不同，影响程度也不同：对低层浆液影响较大，若浆液颗粒过小，极易被烟气携带;对高层浆液影响较小，有利于反应循环。另一方面，浆液使烟气在上升的过程中速度湍动能分布发生了改变，与空塔时相比：速度和湍动能较大区域均从烟气进口侧偏移向对侧，其数值上总体增强，证明逆流有利于反应进行。可考虑对塔内喷嘴样式和布置进行优化，进而优化流场。增大流场湍动能的同时，使流场分布均匀，更有利于提高脱硫效率。6