导流板对脱硫塔内流场均化效果数值分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：吴奕泳（1998），汉族，学士，方向为机械；叶婷（1984），汉族，方向为流体传热传质；郭浩志（1981），汉族，方向为机械；黄晨彩（2001），汉族，机械。李俊杰（2001），汉族，方向为机械。-1-导流板对脱硫塔内流场均化效果数值分析 吴奕泳 叶 婷 郭浩志 黄晨彩 李俊杰 龙岩学院物理与机电工程学院，福建 龙岩 364012 摘要：摘要：大量的燃煤所带来的直接弊端就是导致了环境的污染，因而脱硫除尘装置对于环境的改善来说，起到关键性作用。在脱硫除尘装置中,流场的特性对于整个系统的运行和脱硫效率的提高起着至关重要的作用。其中，良好的流场均匀性是整个系统的关键点。本文将采用半干法脱硫系统为例，对脱硫除尘系统整体结构进行建模，运用 Fluent 分析软件对某工厂脱硫除尘装置的流场特性进行分析，通过加装栏栅式导流板提高入口烟道的流场分布均匀性，进而提高后续的脱硫效率，并分析了栏栅间距对流场均化效果的影响。关键词：关键词：导流板；流场计算；数值模拟；结构优化 中中图分类号：图分类号：X77 0 引言 我国是以煤为主要能源的经济大国，2020 年煤炭消费总量 18 亿吨，占能源消费总量的 62%。燃煤电厂是大气污染物的主要排放源，有数据表明1，在主要的污染物排放中，燃煤排放的二氧化硫占 90%，氮氧化物占 75%，颗粒物占 60%。随着人民生活水平的提高，雾霾频发引起的大气污染问题以及涉及到人类的健康问题逐渐受到社会的重视，随着国家对环境治理的投入不断加大，脱硫装置对于利用燃煤锅炉发电的工厂来说是必不可少的。我国烟气脱硫技术起步相对较晚，起初技术相对落后。从 20 世纪 80 年代开始，我国的电力、冶金、化工等部门开始对烟气脱硫技术进行研究，并初步研制了一些适合我国发展所需的国产设备2。经过多年研究，我国有些脱硫装置已经达到了国际先进水平，但整体水平仍与国外还存在一定差距，主要表现在成套技术、设备可靠性还需提高、自动化程度低、工艺设计可进一步优化。近年来，我国政府引进了一些国外的先进的烟气脱硫技术作为示范工程，从而推动我国的烟气脱硫技术的研究和发展。伴随着脱硫装置的大型化，半干法脱硫系统内部气体流场分布均匀性的问题变得越来越重要，流场分布的不均匀将造成气体与脱硫剂之间反应的差异，达不到最佳的脱硫效果，脱硫效率将会大大降低，因此保障在工作条件下脱硫塔内气体流场稳定，有利于加强其脱硫的化学反应效果，提高脱硫效率。国内外对脱硫装置内部结构研究的学者也越来越多，李伟，赵长遂等人3研究了在入口通道加装直导流板，流线型导流板以及修改文丘里管管径对脱硫塔内部气体分布均匀性的影响。黄利国等人4通过 FLUENT 软件得出脱硫剂的喷入速度以及喷嘴位置对流场分布的影响。贺志超，毕文剑等人5基于 Fluent 软件研究几种不同导流板布置形式对流场均匀性的影响，对脱硫塔脱硫前烟气流场进行优化。朱玉琴，魏昕等人6研究了半干法系统中烟气入口温度、烟气流速、喷水量以及钙硫比对于脱硫效率的影响，并提出了相关改进与方案。彭聚涛等人7对单文氏管与不同管径多文氏管进气结构对循环流化床烟气脱硫装置的流场数据进行对比，实现脱硫塔内流场均匀的目的，同时减小了脱硫系统的阻力。本文以某工厂脱硫塔为研究对象，针对塔内流场分布不均的问题，在塔内弯道处设计加装了栏栅式导流板，实现塔内烟气均匀分布。利用 Fluent 软件对塔内流场展开数值模拟分析，对比不同栏栅间距导流板对烟气流场的优化效果，确定栏栅式导流板设计的较优方案。1 脱硫塔流场有限元模型 本文以某工厂的实际脱硫装置内部结构为研究对象，采用计算机模拟的方法，通过 Fluent 软件对工作状态下的数据进行分析和模拟，并加装不同间距的栏栅式导流板对其进行结构优化，以研究如何提高脱硫塔内部的流场均匀性并实现脱硫效率的提升。1.1 脱硫塔模型 本文研究的脱硫系统采用循环流化床半干法脱硫中国科技期刊数据库 工业 A-2-技术，该系统包括主体脱硫塔、输送管道、供风系统（包括送风机）、测量系统以及循环系统等组成部分8，为了确保模拟计算结果能够在实际操作运行中具有指导作用，按照实际尺寸1:1建立了脱硫塔的三维模型，脱硫塔模型高度为 60m。1.2 脱硫塔烟气均布导流板设计 综合导流板安装和加工等因素后，本文在脱硫塔底部烟气进入文丘里管前的转弯口位置添加了栅栏式均布导流板，如图 1 所示，栅栏式导流板每排导流板横切所在的截面，导流板与壁面平行，角度为 67.5，每块导流栅栏之间的距离相等，三种栏栅式导流板的横向栏栅和纵向栏栅排布方式如表 1 所示。图 1 弯道导流板 表 1 三款栏栅式导流板尺寸参数 方案 位置 格栅数量 长/mm 宽/mm 厚度/mm 板间距/mm(1)横向 3 5300 500 20 1417.5 纵向 3 5730 500 20 1310(2)横向 4 5300 500 20 1130 纵向 9 5730 500 20 512(3)横向 9 5300 500 20 555 纵向 9 5730 500 20 512 1.3 模型网格划分 由于脱硫塔结构复杂，首先对模型进行分割和网格划分，优化后的模型单元数量和质量如表 3 所示。表 2 脱硫塔模型网格质量参数 单元节点数 单元总数 网格类型 平均单元质量 最大网格偏度 1040717 1024726 六面体为主 0.9 0.23 1.4 模型边界条件 脱硫设备处理的烟气总量是 17.15 万 m3/h，气体温度为 85-140。不同烟气入口的进气量分别是：647500 m3/h，647500 m3/h，555000 m3/h。1.5 模型计算方法 脱硫塔主体流道可近似为非圆管道，脱硫塔内气体的雷诺数 Re 计算方程如式（5）和式(6)所示，进而根据 Re 计算结果判断塔内气体流动形态，计算结果如表 4 所示。=（5）=4（6）式中，为过流截面面积；为湿周长度；为平均流速；为水力直径；为运动粘度。根据烟气流量计算塔内 Re 值为 2.6106，所以气体在塔内处于湍流流动状态，可利用标准 Standard k-模型计算塔内烟气流动，计算过程采用一阶迎风格式，利用壁面函数法处理近壁面问题。2 均布导流板对脱硫塔内流场影响计算结果分析 通过计算上述三种方案的塔内烟气流动，比较不同导流板间距下的烟气均布效果。图 2 添加 3 种类型导流板后塔内速度云图对比 2.1 流场对比分析 图 2 是三种导流板方案下，脱硫塔中心纵向剖面的气流速度分布云图。由于流动惯性的作用，烟气流经弯道时，在管道的外弧面方向相较内弧面烟气密度更高，气流速度更快，气压值也更大。添加导流板后，气体偏流现象缓解。在图 3 三种不同栏栅间距下，栏栅间距越密，烟气均布效果越好，根据内外弧段文丘里管内流速对比可以看出，方案 1 中，两侧文丘里管内流速差距明显，其中靠近外弧段的文丘里管内的最大烟气流速是 63 m/s，而靠近内弧段的文丘里管内的烟气流速低于 50 m/s，中心截面气流分布不平衡，不利于提高脱硫效率；方案 2 中，偏流现象有所缓解，内外侧文丘里管速度差别减小；方案 3 中，两侧文丘中国科技期刊数据库 工业 A-3-表 3 湍流方程相关参数及 Re 大小 烟气流量 m3/h 文丘里管后气体 过流截面面积 m2 气道润湿周长 m 气体运动粘度 m2/s Re 171500 134.56 46.4 15.7 106 2.6 106 表 4 气流均匀性计算结果 方案一 测点序号 1 2 3 4 5 测量面平均流速 m/s 离散度 测点流速 m/s 9.2091 10.0318 10.0645 8.2490 10.1507 9.3295 0.343 测点序号 6 7 8 9 10 测点流速 m/s 2.7968 10.5273 9.9453 9.4610 9.6955 方案二 测点序号 1 2 3 4 5 测量面平均流速 m/s 离散度 测点流速 m/s 7.9902 9.2081 10.8048 11.2005 4.9857 7.0723 0.234 测点序号 6 7 8 9 10 测点流速 m/s 10.0386 7.4260 10.0187 7.0493 7.9519 方案三 测点序号 1 2 3 4 5 测量面平均流速 m/s 离散度 测点流速 m/s 9.4389 8.1165 9.1797 5.9168 7.8752 7.7771 0.192 测点序号 1 2 3 4 5 测点流速 m/s 8.8545 7.2572 6.7309 10.0822 10.2486 里管的气流速度明显更加均衡，流速超过 60 m/s，文丘里管后气道的气体逐渐集中向塔中心汇聚，向上流动完成脱硫过程，随着栅栏密度增大，气体在塔上方位置的压力值也有所提高，说明气流在流道内的均衡分布效果明显提高。2.2 流量偏差系数对比分析 为了测试流场分布均匀性，对其进行定性分析，流场分布均匀的评价标准采用相对均方根值，值计算方法如式（1）所示。值可根据气流分布均布性可划分为三级：0.1为优；0.15为良；0.25为合格9。=()2=1 2（1）式中，是各测点的气流速度与平均速度的离散程度；是测点的流速；是测定断面的平均流速；n 是测定断面的测点数。本文选取气流进入文丘里管之前的某一截面测算该截面的流量偏差系数，在该截面上随机抽取10个点，计算各点流速的测量数据和离散度。表 5 给出了各测点速度和计算结果。根据表 5 的计算结果得到方案 1的气流离散度是 0.343，该离散值小于气流均匀分布合格指标 0.25，方案二和方案三的 值分别是 0.234和 0.192，达到了 0.25 的合格标准，说明气流的均化效果随着栏栅密度增大而加强，在脱硫塔弯道位置加装气流均布装置可以显著提高气体在流道内的均衡分布。3 结论 本文针对半干法脱硫除尘塔的气流均匀分布问题，设计了弯道栏栅式导流板，利用计算机软件模拟的方法，对国内某企业的实际脱硫塔流场进行模拟分析。研究对比了栏栅间距不同的三种导流板产生的脱硫塔内部速度场和压力场差异，结果表明在塔内弯道位置加导流板对流场的均匀性有所改善，并且方案三的流场分布更为均衡，说明当导流板栏栅密度增大，导流板的气体均化效果加强，当烟气流量变大，可显著提高脱硫效率。但栏栅密度过大也会导致烟气在脱硫塔内部的流动阻力增大，从而所需的动力也将越大。方案三设计的栏栅式导流板可以实现在较小的气体动力损失的前提下，优化脱硫装置内的气体流场均匀性。中国科技期刊数据库 工业 A-4-参考文献 1吴迪,姚雷,陈新波,等.我国煤炭脱硫技术研究进展J.选煤技术,2023,51(3):9-15.2陈俊杰.燃煤有机热载体炉烟气脱硫除尘工程设计研究J.清洗世界,2022,38(8):33-35.3李伟,赵长隧,段伦博,等.多管文丘里循环流化床烟气脱硫冷态气流流场试验研究 J.锅炉技术,2006(3):72-76.4黄利国,刘延安,沈阳远.燃煤电厂烟气脱硫装置中流场模拟问题分析J.科技风,2011(8):16.5贺志超,毕文剑,罗坤,等.导流板对脱硫塔除雾器前烟气流场的优化模拟J.能源与环境,2018(3):8-13.6 朱 玉 琴,魏 昕,张 馨 予,等.半 干 法 烟 气 循 环 流 化 床 脱 硫 性 能 试 验 研 究 J.石 油 与 天 然 气 化工,2020,49(1):8-11.7彭聚涛,孙国刚,朱喆.循环流化床烟气脱硫反应器进气结构的流场模拟及优化J.石油学报(石油加工),2013,29(4):641-646.8孙自强,江广旭,吴晓武,等.循环流化床半干法脱硫工艺优化J.山东电力技术,2021,48(9):64-68.9于斌,王爱,孙洪斌,等.循环流化床半干法脱硫装置烟道流场模拟优化J.洁净煤技术,2020,26(3):75-81.基金项目：福建省大学生创新创业训练计划资助项目(202111312044)。