濕法煙氣脫硫塔設(shè)計(jì)與優(yōu)化
摘要:濕法煙氣脫硫(WFGD) 是當(dāng)前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主導(dǎo)技術(shù)。針對(duì)某2 × 600 MW 電廠脫硫塔，利用Fluent 軟件對(duì)不同尺寸脫硫塔入口尺寸下的脫硫塔塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)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(duì)比選取了用于設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。該項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)充分說明了CFD 模擬結(jié)果能有效地指導(dǎo)濕法煙氣脫硫塔的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
關(guān)鍵詞:濕法煙氣脫硫,Fluent,優(yōu)化,設(shè)計(jì)
0 引言
濕法煙氣脫硫(WFGD) 是當(dāng)前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主導(dǎo)技術(shù)。吸收塔為WFGD 系統(tǒng)的核心設(shè)備，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)吸收塔的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)引進(jìn)技術(shù)的技術(shù)規(guī)范來進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法呆板而且容易造成浪費(fèi)。因此需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到降低脫硫塔投資和運(yùn)行費(fèi)用的目的。
國(guó)內(nèi)外對(duì)煙氣脫硫塔進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究，如脫硫塔的阻力特性研究［1］、液滴運(yùn)動(dòng)速度沿塔高變化和TCA( turbulent contact absorber) 塔內(nèi)溫度場(chǎng)分布研究［2］等，這些研究對(duì)指導(dǎo)工業(yè)應(yīng)用具有重要意義，但其實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往只能針對(duì)特定的設(shè)備或結(jié)構(gòu)，具有很大的局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 已成為研究流體流動(dòng)的重要手段，采用該技術(shù)可以彌補(bǔ)和克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺陷，減少物理試驗(yàn)，縮短研發(fā)周期，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)，還可以獲取大量局部、瞬時(shí)數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)工程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化［3-4］。目前國(guó)內(nèi)多脫硫塔所進(jìn)行的數(shù)值模擬還僅限實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的脫硫塔上;而國(guó)外學(xué)者的研究主要集中在脫硫機(jī)理或者漿液液滴的運(yùn)動(dòng)方面［5-6］，很少針對(duì)某個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本文利用Fluent 軟件對(duì)某2 × 600 MW 電廠脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，共計(jì)模擬了四種不同工況下的脫硫塔塔內(nèi)流場(chǎng)，比較了各工況條件下第一層噴淋層下1 m 處的流場(chǎng)分布，并根據(jù)計(jì)算結(jié)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(nèi)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(shí)，煙氣由下向上流動(dòng)，氣液充分接觸并相處摻混，從而對(duì)SO2 進(jìn)行洗滌脫除。噴淋塔具有阻力小，內(nèi)構(gòu)件少，不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，因而被國(guó)內(nèi)大多數(shù)電廠選用。
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本工程脫硫塔入口煙氣量為3 598 494 m3 / h，采用AEE 公司技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)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。
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2 數(shù)學(xué)模型
2. 1 模型基本假設(shè)
1) 脫硫塔內(nèi)煙氣流動(dòng)為三維、定常、不可壓縮流動(dòng)，湍流是各向同性的。
2)由于煙氣是在通過靜電除塵器后進(jìn)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(gè)脫硫塔壁均勻絕熱。
2. 2 控制方程
由于本研究的流場(chǎng)屬三維定常流動(dòng)，采用湍流時(shí)均流的控制方程。其標(biāo)準(zhǔn)的控制方程為:
連續(xù)性方程:
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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(shù);cs 為組分s 的平均濃度;ρ 珔ui ′珔uj ′代表由湍流脈動(dòng)引起的雷諾應(yīng)力張量;h 為總焓;λ 為有效熱傳導(dǎo)系數(shù);Sm、Fi、qr 分別代表連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程的源項(xiàng)。
湍流模型:
由于脫硫塔內(nèi)存在回流，且計(jì)算區(qū)域較大，因而本文選取了有一定計(jì)算精度且計(jì)算量較小的κ-ε 雙方程湍流模型，其表達(dá)式為［7］:
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式中:μt = ρCμ k2 ε ;Gk、Gb、C3ε 分別代表平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)、浮升力引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)及浮升力對(duì)湍流ε 的影響系數(shù);σk ，σε 分別代表k，ε 的湍流Prandtl 數(shù); C1ε = 1. 44，C2ε = 1. 92，Cμ = 0. 09， σk = 1. 0，σε = 1. 3。 2. 3 邊界條件與數(shù)值方法本文使用基于有限體積法和SIMPLE 算法［8］的 Fluent 軟件，對(duì)脫硫塔在不同入口尺寸情況下的氣相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)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(jì)算結(jié)果與討論
本文共計(jì)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(duì)應(yīng)下的塔形為根據(jù)AEE 公司技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)塔形。各工況下的脫硫塔入口尺寸見表1。
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取脫硫塔第一層噴淋層下1 m 處的流場(chǎng)情況進(jìn)行對(duì)比分析，流場(chǎng)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(chǎn)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(huì)導(dǎo)致脫硫率降低;然而回流區(qū)域面積減小，將會(huì)導(dǎo)致脫硫率上升。由以上分析可知，工況2 的流場(chǎng)情況最優(yōu)。
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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(yáng)程從而降低漿液循環(huán)泵的軸功率，最后達(dá)到降低整個(gè)脫硫塔的運(yùn)行費(fèi)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(chǎng)情況都很差，因此建議不要采用。
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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(jié)論
本文針對(duì)某2 × 600 MW 電廠脫硫塔，利用Fluent 軟件對(duì)不同尺寸脫硫塔入口狀態(tài)下的脫硫塔塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化了脫硫塔塔形，突破了國(guó)外技術(shù)轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)規(guī)范。得到以下結(jié)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(shè)計(jì)時(shí)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(yáng)程從而降低漿液循環(huán)泵的軸功率，最后達(dá)到降低整個(gè)脫硫塔的運(yùn)行費(fèi)用的目的。
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