集成内循环烟气流化床脱硫塔内流动特性.pdf

集成内循环烟气流化床脱硫塔内流动特性 张立强马春元宋占龙齐国杰 山东大学能源与动力工程学院， 机械工程学院博士后流动站， 济南 250061 摘要 针对脱硫塔内烟气的偏流问题， 提出了直导流板加旋流结构的措施， 应用 CFD 软件包 FLUENT 平台对导流板的 尺寸、 位置、 数量进行了优化， 得到了烟气入口调节的优化方案。通过工业流场试验对数值计算结果进行了验证， 结果 表明 采用烟气调节措施后， 流场均匀性得到明显的提高。计算和工业试验数据一致， 表明采用合适的计算模型， 数值 计算能取得良好的模拟结果。 关键词 集成内循环; 脱硫塔; 流场; 数值模拟; 工业试验 THE GAS FLOW CHARACTERISTICS IN THE INTEGRATED INNER- CIRCULATING FLUIDIZED BED FLUE GAS DESULFURIZATION TOWER Zhang LiqiangMa ChunyuanSong ZhanlongQi Guojie Mobile Post-doctoral Center of Mechanical Engineering，School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China AbstractIn order to solve the problem of the asymmetric flow-fields in the tower，this article puts forward some valid im- provement measures by fixing the straight rectifying plates and the rotational flow structure. Different dimensions，positions and the quantities of the rectifying plates are studied and compared by numerical simulation with the CFD software FLUENT. The optimization of adjustment is presented in this paer. Then，the industrial experiment is carried to verify the results of the numerical sumulation. The results indicated that the flow fields in the tower is adjusted to an ideal state by these s. The numerical results are correspondence with those of the industrial experiment，so that the numerical simulation is an effec- tive tool to study flow fields in the tower by the suitable models. Keywordsintegrated inner-circulating;desulfurization tower;flow field;numerical sumulation industrial experiment 0引言 烟气循环流化床脱硫工艺已成为中小型燃煤电 厂主要烟气脱硫工艺之一， 其优点是占地少， 投资省， 在国内已应用于 100 ～ 300 MW 机组 ［ 1］。随着脱硫装 置的放大， 烟气流动特性以及流场的均匀性成为影响 系统稳定运行和脱硫效率的主要因素之一 ［ 2］。均匀 的流场是烟气和脱硫剂充分接触反应的必要条件。 目前很多学者对脱硫塔内的流场进行了大量的研究， 分析了提高烟气流动均匀性的措施， 但这些研究有的 以数值计算为主 ［ 3］， 有的以实验室试验或小型中试 装置为研究对象 ［ 4］， 对于工程试验还未见有关文献 报道。针对我们自主研发的集成内循环烟气流化床 脱硫技术， 由于该脱硫塔在结构上有别于常规的循环 流化床， 为提供必要的运行参数， 研究其流动特性是 非常必要的。本文首先采用数值计算方法对设计方 案进行了优化， 提出了改善流场均匀性的措施， 对塔 内流场进行了预测。装置建成之后进行了工业试验， 对提出的改进流场均匀性的措施进行了试验验证， 同 时研究了大型脱硫塔内烟气的流动特性以及负荷变 化特性， 从而保证气固两相在该流化床中稳定均匀流 动， 为系统的稳定运行提供了依据。 1脱硫装置 1. 1装置简介 本文研究的是某发电厂 140 MW 机组烟气脱硫 装置， 处理烟气量为300 000 m3/h， 在钙硫比为 1. 3 的工况下， 设计脱硫效率为 90 。脱硫装置采用集 成内循环双速流化床烟气脱硫塔， 脱硫系统及测点位 置如图 1 所示， 脱硫塔主要由文丘里段、 渐扩段、 快速 段、 旋流段、 慢速段以及出口惯性分离装置组成。 38 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 1喉口; 2渐扩段 1; 3快速段; 4渐扩段 2; 5旋流段; 6慢速段; 7惯性分离器; 8一层测点; 9二层测点; 10三层测点; 11四层测点; 12电除尘器; 13引风机; 14烟囱; 15灰斗 图 1脱硫系统及测点位置 1. 2提高均匀性的措施 由于烟气自脱硫塔一侧进入， 在惯性作用下冲向 对面， 造成塔内气流的偏斜。研究表明， 在脱硫塔入 口增加导流板、 加装烟气分布器、 采用不等径文丘里 管等措施均是提高塔内流动均匀性的有效手段， 其中 直导流板由于结构简单、 不易积灰等优点在工程中得 到广泛应用。此外， 在塔内形成旋转气流也能提高塔 内烟气的均匀性。 快速段和慢速段是脱硫反应的主区域， 该区域的 流场对于脱硫反应的进行产生重要的影响。因此本 文主要研究导流板和旋流装置对快速段和慢速段流 场的影响。 2数值模拟计算 2. 1数学模型 由于该脱硫塔底部有旋流装置， 在塔内产生旋转 流场， 标准 k-ε 模型无法模拟出合理的结果 ［ 5］， 这是 因为标准 k-ε 模型采用了湍流局部各向同性的假设， 难以 描 述 各 向 异 性 的 强 旋 流 动。雷 诺 应 力 模 型 RSM 对于高旋转流场的模拟具有良好的表现 ［ 6］， 主要应用于湍流运动的机理研究中， 由于计算量非常 大， 因此目前还很少用于几何形状复杂的工程问题 中。RNG k-ε 模型是标准 k-ε 模型的修正模型。研 究表明该模型对模拟强旋流流场及高曲率流线的旋 风分离器有更好的改进效果， 是目前可行的模拟方 法 ［ 7］。本文采用 RNG k-ε 湍流模型计算气相流场， 离散方程组采用求解压力 － 速度耦合方程的半隐式 方法 SIMPLE 算法求解， 扩散项离散采用中心差分， 逐行迭代。对流项采用二阶精度的 QUICK 格式进行 离散以保证计算精度。 采用该方法脱硫塔内流动进行了大量的数值模 拟工作， 对塔内流场进行优化。计算时的边界条件 为 入口气体为烟气， 速度和设计值相等为 12 m/s， 压力出口边界条件。 2. 2计算结果分析 取四种典型工况进行分析 图 2 ， 第 1 种为不采 取任何措施的脱硫塔， 烟气经弯头进入塔底直接向上 流动 称为空塔 ; 第 2 种在空塔结构的基础上增加直 导流板; 第 3 种在空塔的基础上设置切相旋流装置， 脱 硫塔底部采用夹层结构， 中心为直流， 夹层间的气流上 升一段后在切向导流叶片的作用下切向进入塔内， 形 成中心直流， 四周旋流的流动结构 简称旋流结构 ; 第 4 种是在第 3 种结构的基础上增加导流板。 a空塔; b导流板; c旋流结构; d导流板加旋流结构 图 2脱硫塔流场剖面 结果显示， 不采用任何措施时脱硫塔内气流明显 偏斜， 偏向烟气入口对面一侧， 脱硫塔内流速一边高 一边低分布不均。流场分布的不均造成脱硫剂停留 时间的差异， 同时易形成涡流， 在塔内均匀喷雾的情 况下造成局部过干局部过湿的状态， 不能达到最佳的 脱硫效果， 同时也增加了结构的可能。增加旋流结构 后在塔内下部壁面区域形成了旋转流场， 能起到保护 壁面的作用， 但由于烟气惯性造成流场的偏流现象仍 然存在。烟气惯性是造成偏流的主要原因， 烟气在惯 性的作用下冲向入口的对面造成塔内流速一边高一 边低的不均分布。 在入口布置导流板改变烟气的流动方向使烟气均 匀进入塔内是解决流场偏斜的重要措施 ［ 8］， 采用直导 流板和弯导曲流板均能起到理想的效果。由于脱硫塔 内涉及气、 液、 固三相复杂的流动， 塔底存在落灰现象， 为保证系统正常运行， 避免塔底积灰和灰粘结， 采用直 导流板是最佳的调节方案。直导流板方案的决定因素 48 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 主要为导流板的尺寸、 数量以及位置。为使烟气均匀 进入， 导流板一般均匀布置， 为便于导流板的固定， 一 般导流板的间距不宜过大， 同时在满足要求的前提下 也应尽量减少导流板的数量以减小系统的阻力。对于 本文的脱硫塔， 计算表明， 在导流板的尺寸合理的情况 下， 塔底均匀布置 3 块导流板可保证塔内流动的均匀 性。导流板 1 的结构将水平入口截面平均分流， 结果 显示导流板对塔内流场起到了明显的改善作用， 但仍 有局部偏流存在。在此基础上增加旋流结构后， 塔内 流场已经基本均匀， 脱硫塔内形成了中心高壁面低的 速度分布， 而且脱硫塔直管段内烟气流速呈现对称分 布， 脱硫塔内均匀性得到明显的提高。 3工业试验 工程完工后， 对脱硫塔进行了流场试验。在脱硫 塔不同高度处测量沿直径方向的速度分布， 同时对机 组负荷变化时塔内流场进行了分析， 探讨了脱硫塔的 负荷变化特性。测量工具采用靠背管和电子微压计， 靠背管用标准毕托管标定， 系数为 0. 757; 电子微压 计的测量精度为 1 Pa。 3. 1测点布置 沿脱硫 塔 的 高 度 布 置 四 层 测 点， 高 度 分 别 为 6 850， 8 850， 10 350， 14 450 mm。利用这些测孔进行 脱硫塔内烟气动压的测量， 同时测量烟气温度， 计算 得到烟气流速。第一、 二、 三层测点 2 个， 沿直径对称 分布。第四层测点 4 个， 在同一平面间隔 90布置， 可以测量相互垂直两直径的速度分布。四层测点分 别进行脱硫塔内渐扩段Ⅰ、 快速段、 渐扩段Ⅱ和慢速 段内流场的测量。 3. 2试验结果及分析 机组负荷为 80， 90， 95 和 100 MW 时脱硫塔慢速 段内烟气轴向速度沿直径方向的分布如图 3 所示。 图 3 中直径 1 和直径 2 位于同一高度， 相互垂直。从 图 3 中可以看出四种负荷时， 沿脱硫塔半径从壁面到 中心方向， 慢速段内烟气流速均呈现先增后减然后再 增加的分布规律， 塔内速度的最大值出现在脱离塔的 中心位置。表明慢速段内烟气流动比较均匀， 没有偏 流现象的发生， 脱硫塔塔底导流板起到了预想的作 用， 使塔内流动更加均匀。靠近脱硫塔壁面出现的速 度高峰是由于旋流而引起的， 烟气切向进入脱硫塔 内， 使得脱硫塔内靠近区域形成相对的高速区， 对脱 硫塔壁面形成有效的保护， 可以降低结垢的概率。 从图 3 还可以看出， 随着机组负荷的增加， 脱硫 a机组负荷 80 MW; b机组负荷 90 MW; c机组负荷 95 MW; d机组负荷 110 MW 图 3脱硫塔慢速塔内轴向速度的径向分布 58 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 塔内烟气流量增加， 导致脱硫塔内烟气平均速度增 加， 旋流的作用更加明显。同时速度的提高也使得塔 内流场更加均匀， 塔底导流板的作用也更加明显。 图 4 为机组负荷为 110 MW 时高度11 450 mm截 面数值模拟和试验结果对比图。模拟值为设计工况 下的计算结果。从模拟结果和工业试验的对比可以 看出， 数值计算和实际测量的速度分布呈现相同的规 律， 数值模拟能得到比较可靠结果。此外， 可以看出， 实际工况比原设计工况烟气量大， 导致塔内烟气流速 过高， 这一方面减小了烟气的停留时间， 另一方面也 不利于脱硫塔内循环的建立， 因此需要改善增湿水和 脱硫剂在塔内的分布， 使烟气和增湿水以及脱硫剂能 充分接触， 保证脱硫反应的进行。 图 4数值模拟值与试验值比较 负荷 110 MW 3. 3脱硫塔不同高度处的速度分布 图 5 为脱硫塔不同高度轴向速度的径向分布曲 线， 一、 二、 三层测点测量的是脱硫塔内筒的轴向速 度， 主塔体测量的为内筒内烟气和旋流烟气混合后的 轴向速度。从图 5 中可以看出， 塔内轴向速度呈现出 中心高边壁低的趋势。随着脱硫塔高度的增加， 由于 塔直径的增大塔内速度逐渐减小。一、 二层手孔速度 分布随着无因次半径的增加呈现先减小后增加再减 小的趋势， 离开塔中心某一位置出现速度的高峰， 这 是由脱硫塔入口导流板的影响造成的。随着高度的 增加， 导流板对流场的影响逐渐减小直到消失。 由图 5 还可看出， 在文丘里渐扩段以及快速段和 慢速连接段， 即一层测点和三层测点处， 脱硫塔壁面 附近存在回流现象， 可能造成循环灰在脱硫塔内局部 的循环， 如果增湿水雾化不均匀， 造成烟气局部过湿， 局部的循环灰颗粒逐渐长大， 形成造粒现象。 4结论 采用数值模拟结合工业试验的方法对集成内循 图 5脱硫塔不同高度处的速度分布 环烟气脱硫塔内流场进行了深入研究， 通过分析得出 以下结论 1 采用旋流段和直导流板的结构能有效解决脱 硫塔烟气偏流问题， 提高脱硫塔内烟气流动的均匀 性。入口导流板对塔内烟气流场也产生影响， 由于导 流板对气流的遮挡， 在脱硫塔下部偏离塔中心的位置 会出现速度的局部高峰， 但这种影响随着流动的发展 逐渐减小， 直到消失。 2 加入旋流段后， 脱硫塔内壁面附近形成局部 旋流高速区， 对壁面形成有效的保护， 能防止壁面粘 壁结垢现象的发生。 参考文献 ［1 ］ 董勇， 马春元， 王文龙， 等. 烟气循环流化床内的温度分布与干 燥特性［J］ . 热能动力工程， 2005， 20 5 492- 496. ［2 ］ 林军， 王凡， 张凡. 半干半湿法烟气脱硫塔流场分析［J］ . 环境 科学研究， 2005， 18 6 34- 36. ［3 ］ 胡金榜， 李艳平， 陈安新， 等. 循环流化床脱硫反应器入口结构 对气体流动影响数值模拟［J］ . 化学工程， 2005， 33 1 20- 23. ［4 ］ 王勤辉， 赵晓东， 石惠娴， 等. 循环流化床内颗粒运动的 PIV 测 试［J］ . 热能动力工程， 2000， 18 4 378- 381. ［5 ］ Ma L，Inghamd B，Wen X. 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