基于CFD的半干法反应器优化设计.pdf

基于 CFD 的半干法反应器优化设计 * 王岳军 1， 2 刘学炎 1， 2 李泽清 1， 2 1． 浙江省工业锅炉炉窑烟气污染控制工程技术研究中心， 杭州 311202; 2． 浙江天蓝环保技术股份有限公司， 杭州 311202 摘要 利用 CFD 进行数学建模， 分析了某厂 95t/h CFB 锅炉的半干法烟气脱硫反应器内部流场的分布情况。通过对计 算结果的分析与研究， 达到了对反应器进行优化设计， 降低反应器压降节省运行成本， 为实际工程的设计提供了一定 的技术指导。 关键词 CFD; 半干法脱硫; 优化设计 OPTIMIZATION DESIGN OF SEMI- DRY FLUE GAS DESULPHURIZATION REACTOR BASED ON THE CFD Wang Yuejun1， 2Liu Xueyan1， 2Li Zeqing1， 2 1． Zhejiang Provincial Engineering Research Center of Industrial Boiler ＆ Furnace Flue Gas Pollution Control，Hangzhou 311202，China; 2． Zhejiang Tianlan Environmental Protection Technology Co． ，Ltd，Hangzhou 311202， China AbstractFlow field of semi-dry flue gas desulphurization FGDreactor of a 95 t/h CFB boiler was firstly is investigated by means of computational fluid dynamics CFD ． Through analysis and research on the numerical results，to optimize the reactor design，reducing the reactor pressure drop which would lower the operating cost，and provide technical guidance for the practical engineering design． KeywordsCFD; semi-dry flue gas desulphurization; optimization design * 萧山区科技计划项目 2011205 。 1概述 半干法烟气脱硫技术因其具有干法与湿法的一 些特点， 即系统简单、 运行可靠、 工程投资低、 占地面 积小、 无废水废酸排出、 脱硫副产物易于处理和脱硫 效率高等特点 ［1- 2］， 适合我国工业锅炉及小型电厂的 烟气脱硫工程。 国外在脱硫反应器设计中大量采用 CFD 用于流场 数值模拟和计算， 并根据数值计算的结果对脱硫反应器 进行优化， 取得了巨大的经济效益。合理利用 CFD 进行 脱硫系统的仿真数值模拟， 不仅能缩短设计周期， 降低 设计成本， 而且能明显提高设计质量， 其优越性是传统 的实验方法所无法比拟的 ［3 ］。近年来， 国内各脱硫设计 单位也越来越注重这方面的研究。杨敏等 ［4 ］人对喷淋 吸收塔的流场进行三维数值模拟， 揭示吸收塔内的流场 特性，其对优化脱硫吸收塔的设计工作具有一定指导意 义; 高继录等 ［5 ］通过二次开发软件模拟半干法脱硫塔内 SO2去除过程，研究表明从喷口开始塔内脱硫产物浓度 沿高度方向逐渐升高， 并呈现中心浓度低、 边壁浓度高 的趋势; 周山明等 ［6 ］通过建立喷淋脱硫塔喷嘴数值模 型， 研究了影响喷淋脱硫塔内气液传质的各个因素之间 的关系， 液膜平均破裂长度随喷淋液流量加大而减小， 液滴平均粒径减小随喷淋液流量加大而减小。 本文应用计算流体力学 CFD 模拟分析几组脱硫 反应器内部的流场分布， 并根据计算结果对脱硫反应 器体形状以及局部设计进行修改， 从中选取较优的设 计方案， 实现了降低反应器压降和提高粉尘分布均匀 性的目的， 为实际工程的设计提供了一定的技术指导。 2脱硫反应器物理模型 本计算基于某个脱硫工程的实例， 具体锅炉烟气 参数见表 1， 其初步设计方案如图 1 所示。 表 1锅炉烟气参数 烟气量 / m3h － 1 SO2浓度 / mgm － 3 烟气温度 / ℃ 粉尘浓度 / gm － 3 粉尘粒径 / μm 167 0003 77314238. 420 37 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 图 1 反应器初步设计方案 3数值计算方法 3. 1模型假设与简化 根据运行环境及要求， 对该反应器内部烟气与粉 尘两相流动状况作如下假设和简化 1 假设气体为理想气体， 且不可压缩; 2 不考虑反应器内喷嘴等小阻件对气固流场的 影响; 3 假设粉尘颗粒为球形; 4 暂不考虑烟气与粉尘颗粒之间的传质、 传热 和反应。 3. 2控制方程 两相流模型采用欧拉模型， 是一个稳态模型， 其 假设被模拟相间之间可以相互渗透， 其中每一相都有 单独的连续性方程和 N-S 方程。控制方程包括三维 的连续性方程、 动量方程和 k － ε 的 2 个输运方程， 它 们可统一以式 1 的形式表达  pu x  pv y  pω z  x Г   x  y Г   y  z Г   z S S p 1 式中 分别代表速度 u、 v、 ω、 压力 p; S是由气相引起 的源项或汇项; S p 是由固体颗粒引起的源项， 对连续 性方程而言， 该项是颗粒的质量变化项， 对动量方程 而言， 是由颗粒和气体之间的相互阻力以及颗粒的热 解挥发而引起的动量源项。 4数值计算结果及其分析 模拟边界条件采用速度进口和压力出口，取进 口速度为 14. 32 m/s，温度为 415 K;出口压力默认 为初始值，即大气压，温度为 415 K; 反应器进口物 质设定为粉尘与空气混合。 4. 1初步设计方案计算结果与分析 图 2 给出了初始方案反应器内的速度分布云图。 由图 2 可知 由于渐扩角度较大 40 ， 造成气流在 进入反应器时以射流形式的流动， 从而使气流在渐扩 管内的分布极不均匀， 而渐扩角度偏大也造成系统局 部阻力过大。根据设计要求， 设备运行整体压降需要 在 1 300 ～ 1 500 Pa， 而初始设计方案中计算所得压力 降分别为 1 917. 72 Pa 方案一 和 2 013. 66 Pa 方案 二 ， 不符合设计要求， 因此需要对设计方案进行修 改， 以降低运行时的系统压力降。 图 2反应器内气速分布云图 图 3 给出了初始方案中反应器内的粉尘分布云 图。从图 3 可知 由于渐扩管处的速度分布不均引起 粉尘浓度不均。方案一中气流的射流比方案二强， 使 气流直接从中间射穿。而方案二的射流速度相对较 低且短， 粉尘在经过射流以后的反应器分布相对均 匀。但是在射流部的局部浓度偏低， 形成死区， 并在 此形成粉尘内循环涡流。基于上述分析， 需对喉管处 的渐扩角进行修改， 减少渐扩角的角度以克服局部浓 度偏高和整体浓度分布不均的问题。 图 3反应器内粉尘分布云图 47 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 4. 2修改设计方案计算结果与分析 针对初步方案的计算结果， 二稿中对渐扩管进行 了修改， 将渐扩角由 40减小到 20， 具体形式见图 4。 根据修改后的设计， 对反应器内部的参数进行了重新 模拟计算。 图 4修改后方案尺寸 图 5 给出了修改后的反应器内气速分布情况。 由图 5 可知 减小渐扩角的角度以后， 气速在渐扩管 内就已经分布均匀。同时随着渐扩角的减小， 反应器 内局部阻力也得到了明显的改善。方案一的压力降 减 小 为 1 394. 36 Pa， 而 方 案 二 的 压 力 降 更 只 有 1 346. 12 Pa， 已经符合设计运行时的条件， 达到预先 设计的要求。但是由于渐扩角度变小增加了渐扩管 的长度， 在总高限定的条件下减少了反应器的长度， 虽减小了二氧化硫与吸收剂的反应接触时间， 但是由 于分布更加均匀， 因此有利于二氧化硫的脱除。 图 5修改后方案反应器内气速分布云图 图 6 给出了修改后反应器内粉尘的分布云图。 由图 6 可知 经过修改后， 反应器内的粉尘分布基本 均匀; 修改后的方案二与方案一相比粉尘分布更加均 匀， 在反应器分布长度较长， 但是粉尘浓度偏高。 图 6改进方案反应器内粉尘分布云图 4. 3二次修改设计方案计算结果与分析 根据一次修改方案的计算结果， 后续计算选取修 改后的方案二为基础再次进行修正， 以增加反应器内 反应器的高度。采取的具体方式为将方案二中的一 段式渐扩管分割成两段不同渐变角度的渐扩管; 同 时， 为了防止反应器内粉尘浓度过高而提高出口反应 器口径。修改后的反应器形式及尺寸见图 7。 图 7反应器形状 图 8 和图 9 给出了二次修改后的反应器内气速 和粉尘浓度的分布云图。由图可知 反应器内的气速 分布并没有因为渐扩管分成两段而改变， 其流速分布 于一次修改后的方案二相同。而粉尘浓度分布均匀 性比未修改前有所降低， 但是整体的分布浓度下降。在 修改后的方案中， 反应器内部的总压降为 1 366. 59 Pa， 符合设计要求。总体来说最终修改后的方案较前面 四种方案在系统压力、 流速及粉尘分布上均具有良好 的参数， 因此选取此方案作为最终工程应用方案。 5结论 本文根据实际工程参数进行半干法烟气脱硫系 统反应器设计。通过对渐扩管角度、 反应器出口尺寸 57 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 图 8反应器内气速分布云图 图 9反应器内粉尘分布云图 和喉管形式进行设计， 以反应器内速度分布、 压降和 粉尘分布作为优化指标， 得到了符合工艺设计条件的 反应器参数。改变入口反应器的渐扩角角度可以使 反应器内的流速分布均匀性有所提高， 而流速的均匀 性决定反应器内部粉尘的分布情况; 减小渐扩角角度 可以降低反应器的局部阻力。 参考文献 ［1］王凡， 王红梅． 半干半湿法烟气脱硫净化技术研究［J］． 环境工 程， 2004， 22 2 34- 36． ［2］都基峻， 石应杰， 张凡． 半干半湿脱硫技术节能研究［J］． 环境 工程， 2008， 26 2 30- 32． ［3］魏星， 李伟力． 脱硫塔气固两相流场优化的数值模拟研究［J］． 中国电机工程学报， 2006， 26 7 12- 17． ［4］杨敏， 余晓芹． 吸收塔流场数值模拟分析［J］． 江西电力职业技 术学院报， 2008， 21 3 44- 45． ［5］高继录， 陈晓利， 高继慧． 半干法脱硫塔内 S02脱除过程数值模 拟［J］． 东北电力技术， 2008 7 4- 5． ［6］周山明， 金保升， 孙志翱． 顺淋脱硫塔喷嘴外流动数值模拟与实 验研究［J］． 热能动力工程， 2007， 22 6 673- 676． 作者通信处王岳军311202浙江省杭州市萧山区北干街道兴议 村浙江天蓝环保技术股份有限公司 E- mailwyj8399 126． com 2012 － 05 － 05 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 58 页 3. 4经济分析 电费 每日总电耗 1 280 kWh， 电费以 0. 50 元 / kWh 计， 每天需电费 640 元。药剂费用 装置稳 定运行阶段， 每天药剂费用 25. 5 元。每处理 1 000 m3 恶臭气体的直接成本 电费 药剂 为 1. 85 元。 4结论 1 运行结果表明， 采用生物洗涤 生物滴滤工 艺处理炼油污水场恶臭气体， 系统抗冲击能力， 即使 流量和浓度出现大波动， 也能保证整个生物系统的稳 定运行， 使出口恶臭气体达到 GB 1455493恶臭污 染物排放标准 规定的一级厂界要求。 2 采用生物洗涤 生物滴滤工艺处理炼油污水 场隔油池、 气浮池 15 000 m3的恶臭气体装置， 占地 面积 150 m2， 每处理 1 000 m3恶臭气体的直接成本 电费 药剂 为 1. 85 元。 3 炼油污水场水、 电、 气公用工程满足生物洗 涤 生物滴滤工艺的需要， 不需要增加新的公用工 程， 可降低装置的投资， 具有良好的工业化市场。 参考文献 ［1］阎松． 炼油企业污水处理厂恶臭污染分布特征及规律［J］． 环 境监测管理与技术， 2010 4 ; 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