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湿法烟气脱硫塔设计与优化 * 杜云贵 1 邓佳佳 2 冯治云 2 余宇 2 1. 重庆大学资源与环境科学学院， 重庆 400045;2. 中电投远达环保工程有限公司， 重庆 400060 摘要 湿法烟气脱硫 WFGD 是当前大型燃煤电厂烟气脱硫的主导技术。针对某 2 600 MW 电厂脱硫塔， 利用 Fluent 软件对不同尺寸脱硫塔入口尺寸下的脱硫塔塔内流场进行数值模拟， 并比较不同入口尺寸塔形的脱硫塔喷淋层浆液 循环泵的轴功率， 对比选取了用于设计的最优方案。该项目的优化设计充分说明了 CFD 模拟结果能有效地指导湿法 烟气脱硫塔的设计与优化。 关键词 湿法烟气脱硫; Fluent; 优化; 设计 DESIGN AND OPTIMIZATION OF WET FLUE GAS DESULFURATION SYSTEM Du Yungui1Deng Jiajia2Feng Zhiyun2Yu Yu2 1. College of Resources and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400045，China;2. R ＆ D Center of China Power Investment Corporation Yuanda Environmental Protection Engineering Co. ，Ltd，Chongqing 400060，China AbstractThe WFGD is the main technology used today for large coal-fired power plants. Fluent software is used here to sim- ulate the flow in absorbers according to different designs of the FGD of a 2 600 MW power plant，and the shaft power of every cases is calculated. And then the optimum design is chosen according to the results. Keywordswet flue gas desulphurization;fluent;optimize;design * 国家科技支撑计划资助 2007BAC24B00 。 0引言 湿法烟气脱硫 WFGD 是当前大型燃煤电厂烟 气脱硫的主导技术。吸收塔为 WFGD 系统的核心设 备。现阶段国内吸收塔的设计方法是根据引进技术 的技术规范来进行设计， 设计方法呆板而且容易造成 浪费。因此需要对现有设计进行优化， 达到降低脱硫 塔投资和运行费用的目的。 国内外对烟气脱硫塔进行了许多实验研究， 如脱 硫塔的阻力特性研究 ［ 1］、 液滴运动速度沿塔高变化 和 TCA turbulent contact absorber 塔内温度场分布研 究 ［ 2］等， 这些研究对指导工业应用具有重要意义， 但 其实验结果往往只能针对特定的设备或结构， 具有很 大的局限性。随着计算机技术的迅速发展， 计算流体 力学 CFD 已成为研究流体流动的重要手段， 采用该 技术可以弥补和克服传统设计方法的缺陷， 减少物理 试验， 缩短研发周期， 节约研究经费， 还可以获取大量 局部、 瞬时数据， 从而指导工程的设计和优化 ［ 3- 4］。目 前国内多脱硫塔所进行的数值模拟还仅限实验室规 模的脱硫塔上; 而国外学者的研究主要集中在脱硫机 理或者浆液液滴的运动方面 ［ 5- 6］， 很少针对某个工程 项目进行优化设计。 本文利用 Fluent 软件对某 2 600 MW 电厂脱硫 塔内流场进行数值模拟， 共计模拟了四种不同工况下 的脱硫塔塔内流场， 比较了各工况条件下第一层喷淋 层下 1 m 处的流场分布， 并根据计算结果选取了最优 脱硫塔塔形。 1物理模型 用于脱硫工程的喷淋塔如图 1 所示。石灰石浆 液由浆液循环泵送至塔内布置在不同高度的喷淋层， 再由喷嘴向下喷出分散的浆液滴; 同时， 烟气由下向 上流动， 气液充分接触并相处掺混， 从而对 SO2进行 洗涤脱除。喷淋塔具有阻力小， 内构件少， 不易结垢 等优点， 因而被国内大多数电厂选用。 本工程脱硫塔入口烟气量为3 598 494 m3/h， 采 用 AEE 公司技术规范设计的塔形见图 2。脱硫塔入 口宽度 13. 2 m， 入口宽度为脱硫塔直径的 80 ， 入口 高度为 5. 1 m， 吸收塔总高度为 34. 6 m。 96 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 图 1脱硫塔系统示意 图 2采用 AEE 公司技术规范设计塔形 2数学模型 2. 1模型基本假设 1 脱硫塔内烟气流动为三维、 定常、 不可压缩流 动， 湍流是各向同性的。 2 由于烟气是在通过静电除尘器后进入脱硫 塔， 因此烟气可以看作不含颗粒相的气体。 3 假定整个脱硫塔壁均匀绝热。 2. 2控制方程 由于本研究的流场属三维定常流动， 采用湍流时 均流的控制方程。其标准的控制方程为 连续性方程 ρ t  x i ρ珔ui Sm 1 动量方程 ρ珔ui t ρ珔ui珔uj x j － p x i  x j ［μ 珔ui x j 珔uj x i ］－  x j ρ 珔ui′珔uj′－ 2 3  x i ［μ 珔uj x j ］ ρg i Fi 2 能量方程  t ρh  x i ρ珔uih  x i λ T x i μT δT T x i qr 3 式中 珔ui为流体的平均流速;珋p 为平均压力; μ 代表分 子黏性系数; cs为组分 s 的平均浓度; ρ 珔ui ′珔 uj′代表由 湍流脉动引起的雷诺应力张量; h 为总焓; λ 为有效 热传导系数; Sm、 Fi、 qr分别代表连续方程、 动量方程 和能量方程的源项。 湍流模型 由于脱硫塔内存在回流， 且计算区域较大， 因而 本文选取了有一定计算精度且计算量较小的 κ-ε 双 方程湍流模型， 其表达式为 ［ 7］ ρ珔uj k x j  x j ［ μ μt δk ε x j ］ Gk Gb－ ρε 4 ρ珔uj ε x j  x j ［ μ μt σε ε x j ］ C 1ε ε k Gk C 3ε Gb－ C 2ε ρ ε 2 k 5 式中 μt ρCμ k2 ε ; Gk、 Gb、 C 3ε 分别代表平均速度梯度 引起的湍动能生成项、 浮升力引起的湍动能生成项及 浮升力对湍流 ε 的影响系数; σk ， σ ε分别代表 k， ε 的 湍流 Prandtl 数; C 1ε 1. 44， C 2ε 1. 92， Cμ 0. 09， σk 1. 0， σε 1. 3。 2. 3边界条件与数值方法 本文使用基于有限体积法和 SIMPLE 算法 ［ 8］的 Fluent 软件， 对脱硫塔在不同入口尺寸情况下的气相 流场进行了数值模拟。其边界条件为 入口选用速度 入口边界条件， 出口选用压力出口边界条件。 3计算结果与讨论 本文共计模拟了四种工况， 分别是入口宽度为吸 收塔直径的 80 工况 1 ， 85 工况 2 ， 90 工况 3 ， 100 工况 4 。其中工况 1 对应下的塔形为根 据 AEE 公司技术规范设计塔形。各工况下的脱硫塔 入口尺寸见表 1。 表 1各工况下的脱硫塔入口尺寸 工况入口宽度 /m入口高度 /m 113. 25. 1 214. 04. 8 314. 94. 2 416. 53. 4 取脱硫塔第一层喷淋层下 1 m 处的流场情况进 行对比分析， 流场情况见图 3 ～ 图 6。从图中可看出， 随着入口宽度加大， 脱硫塔中心区域的高速区域越来 越集中， 最大速度越来越大; 但是速度低于 0 m/s 的 区域面积减少， 意味着入口处 90拐角产生的回流区 07 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 域面积减少。脱硫塔是利用下落的碱性浆液洗涤烟 气中的酸性气体， 如果烟气流过于集中， 将会导致脱 硫率降低; 然而回流区域面积减小， 将会导致脱硫率 上升。由以上分析可知， 工况 2 的流场情况最优。 图 3工况 1 的流场分布 图 4工况 2 的流场分布 图 5工况 3 的流场分布 图 6工况 4 的流场分布 由于脱硫塔入口宽度加大高度降低， 降低了喷淋 层浆液循环泵的扬程从而降低浆液循环泵的轴功率， 最后达到降低整个脱硫塔的运行费用的目的。 不同工况下的浆液循环泵轴功率如图 7 所示， 从 图中可以看出， 工况 3、 工况 4 的轴功率较小。但是 其流场情况都很差， 因此建议不要采用。 图 7不同工况下的喷淋层浆液循环泵的轴功率 综上所述， 工况 2 的塔形为最优塔形， 而不是工 况 1 的塔形最优。 4结论 本文针对某 2 600 MW 电厂脱硫塔， 利用 Flu- ent 软件对不同尺寸脱硫塔入口状态下的脱硫塔塔内 流场进行数值模拟， 优化了脱硫塔塔形， 突破了国外 技术转让设计规范。得到以下结果 1 随着入口宽度加大， 脱硫塔中心区域的烟气流 高速区域越来越集中， 不利于脱硫; 但回流区域越来越 少， 有利于脱硫。综合比较得出入口宽度占脱硫塔直 径 85 的塔形为最优塔形， 建议在脱硫塔设计时选取 83 ～87 的入口宽度与脱硫塔直径比值为宜。 2 随着脱硫塔入口宽度加大， 可以降低喷淋层 浆液循环泵的扬程从而降低浆液循环泵的轴功率， 最 后达到降低整个脱硫塔的运行费用的目的。 参考文献 ［1 ］ 李仁刚， 管一明， 周启宏. 烟气脱硫喷淋塔流体力学特性研究 ［J］ . 电力环境保护， 2001， 17 4 4- 8. ［2 ］ 胡满银， 刘忠， 王淑勤， 等. TCA 塔内温度分布的研究［J］ . 电 力情报，1998 2 24- 26. ［3 ］ 邵雄飞. 旋流板塔内两相流场的 CFD 模拟与分析［D］ . 杭州 浙江大学， 2004. ［4 ］ 王建平. 计算流体力学 CFD 及其在工程中的应用［J］ . 机电 设备， 1994， 48 5 39- 41. ［5 ］ Meikap B C，Kundu G，Biswas M N. Modeling of a novel multi- stage 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. 下转第 77 页 17 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 分气流穿过滤袋， 其余的气流则沿滤袋边壁上升， 直 到花板处。由图 7 所示袋室空间静压分布图， 沿滤袋 高度方向静压逐渐增大， 可看做进入滤袋的气体是在 滤袋内外静压差的作用下挤入滤袋。花板下方静压 最大， 造成该区域内气流高速穿过滤袋， 是造成滤袋 下部破损的主要原因。 图 17第 16 排滤袋速度分布图 图 18袋口下 0. 3 ～ 0. 5 局部放大图 3结论及建议 1 对比在线清灰前后流场的分布， 清灰前， 由于 粉尘层的作用， 气流组织趋于均匀， 滤袋处理气体量 趋于相等; 被清灰滤袋瞬间过滤风量剧增， 造成高速 气流穿过滤袋， 是造成滤袋破损的主要原因之一。 2 工程中存在滤袋破损位置集中出现在靠近箱 体边壁的整条滤袋， 和单条滤袋袋底和袋口下 0. 1 ～ 0. 5 m 之间的部位， 这与计算结果吻合， 说明计算结 果具有一定的可靠性。 3 袋式除尘器工作过程中由于粉尘层的影响， 不同位置、 不同时段的滤袋过滤风速存在差异性， 清 灰前后过滤风速波动较大的滤袋， 适当延长其清灰时 间间隔， 或采用外排和内排滤袋同时清灰的清灰策 略， 可以有效的保护滤袋。 4 除尘器工作过程中， 滤袋透气性是一个动态 变化过程， 本文只是建立在滤袋透气性不变的瞬间过 程， 对清灰 － 过滤 － 清灰整个过程的动态变化特性有 待进一步研究。 参考文献 ［1 ］ 郑辉， 芮晓明， 常连生. 袋式除尘设备气流分布的数值模拟 ［J］ . 现代电力， 2005 6 46- 48. ［2 ］ 张景霞. 袋式除尘器气流组织的数值模拟分析［J］ . 中国环保 产业， 2007 12 27- 29. ［3 ］ 赵友军， 付海明. 袋式除尘器内部流场分布试验测试及数值模 拟研究［D］ . 上海 东华大学， 2008. ［4 ］ 高晖， 郭烈锦. 除尘器袋室结构改进及内部气固两相流动特性 分析［J］ . 西安交通大学学报， 2000， 34 5 50- 53. ［5 ］ 王福军. 计算流体动力学分析 CFD 软件原理与应用［M］ . 北京 清华大学出版社， 2003. ［6 ］ Graham J Weir，Stephen P White. Surface deposition from fluid flow in a porous medium［J］ . Transport in Porous Media，1996， 25 79- 96. ［7 ］ Andreas Kavouras. A model analysis on the reasons for unstable operation of jet-pulsed filters［J］ . Powder Technology，2005，154 24- 32. ［8 ］ Xavier Simon，Sandrine Chazelet. Experimental study of pulse-jet cleaning of bag filters supported by rigid rings［J］ . Powder Tech- nology，2007，17267- 81. ［9 ］ 陈国榘，胡建民. 除尘器测试技术［M］ . 北京水力电力出版 社，1988 157. 作者通信处王以飞201620上海市松江区人民北路 2999 号 东华大学环境科学与工程学院 E- mailwangyifei0921 163. com 2009 － 05 － 31 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 71 页 ［7 ］ David C W. Turbulence Modeling for CFD［M］ . CaliforniaDSW Industries，Inc，1994. ［8 ］ 陶文铨. 数值传热学［M］ . 西安 西安交通大学出版社， 1988 260- 275. 作者通信处邓佳佳401336重庆市南岸区江峡路 11 号中电投 远达环保工程有限公司技术中心 E- maila2883524 126. com 2009 － 05 － 22 收稿 77 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期