摘要:濕法煙氣脫硫(WFGD) 是當前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主導技術。針對某2 × 600 MW 電廠脫硫塔，利用Fluent 軟件對不同尺寸脫硫塔入口尺寸下的脫硫塔塔內流場進行數值模擬，并比較不同入口尺寸塔形的脫硫塔噴淋層漿液循環(huán)泵的軸功率，對比選取了用于設計的最優(yōu)方案。該項目的優(yōu)化設計充分說明了CFD 模擬結果能有效地指導濕法煙氣脫硫塔的設計與優(yōu)化。

關鍵詞:濕法煙氣脫硫,Fluent,優(yōu)化,設計

0 引言

濕法煙氣脫硫(WFGD) 是當前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主導技術。吸收塔為WFGD 系統的核心設備。現階段國內吸收塔的設計方法是根據引進技術的技術規(guī)范來進行設計，設計方法呆板而且容易造成浪費。因此需要對現有設計進行優(yōu)化，達到降低脫硫塔投資和運行費用的目的。

國內外對煙氣脫硫塔進行了許多實驗研究，如脫硫塔的阻力特性研究［1］、液滴運動速度沿塔高變化和TCA( turbulent contact absorber) 塔內溫度場分布研究［2］等，這些研究對指導工業(yè)應用具有重要意義，但其實驗結果往往只能針對特定的設備或結構，具有很大的局限性。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，計算流體力學(CFD) 已成為研究流體流動的重要手段，采用該技術可以彌補和克服傳統設計方法的缺陷，減少物理試驗，縮短研發(fā)周期，節(jié)約研究經費，還可以獲取大量局部、瞬時數據，從而指導工程的設計和優(yōu)化［3-4］。目前國內多脫硫塔所進行的數值模擬還僅限實驗室規(guī)模的脫硫塔上;而國外學者的研究主要集中在脫硫機理或者漿液液滴的運動方面［5-6］，很少針對某個工程項目進行優(yōu)化設計。

本文利用Fluent 軟件對某2 × 600 MW 電廠脫硫塔內流場進行數值模擬，共計模擬了四種不同工況下的脫硫塔塔內流場，比較了各工況條件下第一層噴淋層下1 m 處的流場分布，并根據計算結果選取了最優(yōu)脫硫塔塔形。

1 物理模型

用于脫硫工程的噴淋塔如圖1 所示。石灰石漿液由漿液循環(huán)泵送至塔內布置在不同高度的噴淋層，再由噴嘴向下噴出分散的漿液滴;同時，煙氣由下向上流動，氣液充分接觸并相處摻混，從而對SO2 進行洗滌脫除。噴淋塔具有阻力小，內構件少，不易結垢等優(yōu)點，因而被國內大多數電廠選用。

本工程脫硫塔入口煙氣量為3 598 494 m3 / h，采用AEE 公司技術規(guī)范設計的塔形見圖2。脫硫塔入口寬度13. 2 m，入口寬度為脫硫塔直徑的80% ，入口高度為5. 1 m，吸收塔總高度為34. 6 m。

2 數學模型

2. 1 模型基本假設

1) 脫硫塔內煙氣流動為三維、定常、不可壓縮流動，湍流是各向同性的。

2)由于煙氣是在通過靜電除塵器后進入脫硫塔，因此煙氣可以看作不含顆粒相的氣體。

3) 假定整個脫硫塔壁均勻絕熱。

2. 2 控制方程

由于本研究的流場屬三維定常流動，采用湍流時均流的控制方程。其標準的控制方程為:

連續(xù)性方程:

式中:珔ui 為流體的平均流速;珋p 為平均壓力;μ 代表分子黏性系數;cs 為組分s 的平均濃度;ρ 珔ui ′珔uj ′代表由湍流脈動引起的雷諾應力張量;h 為總焓;λ 為有效熱傳導系數;Sm、Fi、qr 分別代表連續(xù)方程、動量方程和能量方程的源項。

湍流模型:

由于脫硫塔內存在回流，且計算區(qū)域較大，因而本文選取了有一定計算精度且計算量較小的κ-ε 雙方程湍流模型，其表達式為［7］:

式中:μt = ρCμ k2 ε ;Gk、Gb、C3ε 分別代表平均速度梯度引起的湍動能生成項、浮升力引起的湍動能生成項及浮升力對湍流ε 的影響系數;σk ，σε 分別代表k，ε 的湍流Prandtl 數; C1ε = 1. 44，C2ε = 1. 92，Cμ = 0. 09， σk = 1. 0，σε = 1. 3。 2. 3 邊界條件與數值方法本文使用基于有限體積法和SIMPLE 算法［8］的 Fluent 軟件，對脫硫塔在不同入口尺寸情況下的氣相流場進行了數值模擬。其邊界條件為:入口選用速度入口邊界條件，出口選用壓力出口邊界條件。

3 計算結果與討論

本文共計模擬了四種工況，分別是入口寬度為吸收塔直徑的80% ( 工況1) ，85% ( 工況2) ，90% ( 工況 3) ，100% ( 工況4)。其中工況1 對應下的塔形為根據AEE 公司技術規(guī)范設計塔形。各工況下的脫硫塔入口尺寸見表1。

取脫硫塔第一層噴淋層下1 m 處的流場情況進行對比分析，流場情況見圖3 ～ 圖6。從圖中可看出，隨著入口寬度加大，脫硫塔中心區(qū)域的高速區(qū)域越來越集中，最大速度越來越大;但是速度低于0 m / s 的區(qū)域面積減少，意味著入口處90°拐角產生的回流區(qū)域面積減少。脫硫塔是利用下落的堿性漿液洗滌煙氣中的酸性氣體，如果煙氣流過于集中，將會導致脫硫率降低;然而回流區(qū)域面積減小，將會導致脫硫率上升。由以上分析可知，工況2 的流場情況最優(yōu)。

由于脫硫塔入口寬度加大高度降低，降低了噴淋層漿液循環(huán)泵的揚程從而降低漿液循環(huán)泵的軸功率，最后達到降低整個脫硫塔的運行費用的目的。

不同工況下的漿液循環(huán)泵軸功率如圖7 所示，從圖中可以看出，工況3、工況4 的軸功率較小。但是其流場情況都很差，因此建議不要采用。

綜上所述，工況2 的塔形為最優(yōu)塔形，而不是工況1 的塔形最優(yōu)。

4 結論

本文針對某2 × 600 MW 電廠脫硫塔，利用Fluent 軟件對不同尺寸脫硫塔入口狀態(tài)下的脫硫塔塔內流場進行數值模擬，優(yōu)化了脫硫塔塔形，突破了國外技術轉讓設計規(guī)范。得到以下結果:

1)隨著入口寬度加大，脫硫塔中心區(qū)域的煙氣流高速區(qū)域越來越集中，不利于脫硫;但回流區(qū)域越來越少，有利于脫硫。綜合比較得出入口寬度占脫硫塔直徑85% 的塔形為最優(yōu)塔形，建議在脫硫塔設計時選取 83% ～ 87% 的入口寬度與脫硫塔直徑比值為宜。

2) 隨著脫硫塔入口寬度加大，可以降低噴淋層漿液循環(huán)泵的揚程從而降低漿液循環(huán)泵的軸功率，最后達到降低整個脫硫塔的運行費用的目的。

參考文獻

［1 ］ 李仁剛，管一明，周啟宏. 煙氣脫硫噴淋塔流體力學特性研究［J］. 電力環(huán)境保護，2001，17(4) :4-8.

［2 ］ 胡滿銀，劉忠，王淑勤，等. TCA 塔內溫度分布的研究［J］. 電力情報，1998(2) :24-26.

［3 ］ 邵雄飛. 旋流板塔內兩相流場的CFD 模擬與分析［D］. 杭州: 浙江大學，2004.

［4 ］ 王建平. 計算流體力學( CFD) 及其在工程中的應用［J］. 機電設備，1994，48(5) :39-41.

［5 ］ Meikap B C，Kundu G，Biswas M N. Modeling of a novel multistage bubble column scrubber for flue gas desulfurization ［J ］. Chem Eng Journal，2002，86(3) :331-342.

［6 ］ Kill S，Michelsen M L，Johnson K D. Experimental investigation and modeling of wet flue gas desulfurization pilot plant［J］. Ind Eng Chem Res，1998，37(7) :2792-2806.

［7 ］ David C W. Turbulence Modeling for CFD［M］. California: DSW Industries，Inc，1994.

［8 ］ 陶文銓. 數值傳熱學［M］. 西安:西安交通大學出版社，1988: 260-275.

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