基于CFD的钠基干法脱硫反应器的研究优化.pdf

山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）基于 CFD 的钠基干法脱硫反应器的研究优化白文文，尹成，任凯，任轩，祝文（西安龙净环保科技有限公司，陕西西安7 10 0 7 5）【摘要本文采用CFD技术并结合DPM模型计算了钠基干法脱硫反应器（SDS）运行时小苏打颗粒的扩散状态。通过在不同场景下拾取反应器中4个截面的颗粒分布形态判断其均匀程度，研究出扰流板的合理布置方式，以确保反应器的脱硫效率。研究结果显示，在反应器前端布置3级扰流板对颗粒流进行扰流，可使其在反应器内尽早地均匀扩散。该场景下小苏打颗粒从开始喷射至反应器出口，停留时间约2.5S，烟气与小苏打粉末在反应器内均匀混合且有足够的反应时间，有效的保证了该反应器的脱硫效率。【关键词CFD；D PM；钠基于法脱硫反应器（SDS）；扰流板【中图分类号 X511D0I:10.16640/ki.37-1222/t.2023.04.021文献标识码 A文章编号】10 0 6-7 52 3（2 0 2 3）0 4-0 117-0 6HCI等其他酸性物质，为后续的烟气处理减少引言我国作为一个以煤炭为主的能源消费大国，2000年以来，虽然清洁能源的消费占比逐年增加，但煤炭占比仍然很大，基本在6 0%以上，煤炭燃烧产生的大量SO2，需要成熟且高效的脱硫技术将其处理，否则对环境及人体健康都存在极大威胁。目前常用的脱硫技术有：干法、半干法和湿法脱硫。钠基干法烟气脱硫技术(SDS)作为目前国内应用于超低排放的先进技术，也是较为成熟的主流SDS干法烟气脱硫技术。其主要特征在于设备布置紧凑，工艺路线简单，操作便捷。钠基干法脱硫技术采用NaHCO，（小苏打）固体粉末做吸收剂，其在高温下可分解生成具有高度反应活性的NazCO3，与烟气中SO2反应，从而达到脱硫目的，除此之外还可以吸附烟气中HF、了压力 2 3。计算流体动力学仿真（ComputationalFluidDynamics,CFD）技术对于脱硫塔内部流场分布、两相流动及运行效果等各方面均起到了极大的支持作用。李烁 4利用CFD技术对脱硫塔烟道导流板进行优化，有效提高了烟气均匀性；聂鹏飞 5 等通过CFD模拟了脱硫塔内部两相流及传热过程，优化了结构设计，达到了更高的脱硫标准，同时减小整个系统的压降，节约了电耗。本文利用CFD流体仿真技术对钠基干法脱硫反应器的流场及小苏打粉末分布状态进行建模计算，根据颗粒分布结果，在反应器内添加扰流板，研究使小苏打与烟气能够尽早均匀混合，并保证小苏打有2 s以上的停留时间足够混合并发生反应的场景 6 ，以保证脱硫效率。收稿日期】2 0 2 3-0 2-2 3【作者简介】白文文（19 9 5一），女，硕士，西安龙净环保科技有限公司，助理工程师；尹成（19 8 6 一），男，西安龙净环保科技有限公司，工程师；任凯（19 8 6 一），男，西安龙净环保科技有限公司，工程师；任轩（19 9 3一），男，西安龙净环保科技有限公司，工程师；祝文（19 8 8 一），男，西安龙净环保科技有限公司，工程师。-117-（4）小苏打颗粒均匀进入流场，于小苏打基于CFD的钠基干法脱硫反应器的研究优化一、研究对象某燃气锅炉的脱硫工艺采用钠基干法脱硫反应器（SDS）+布袋除尘器方案，风机位于系统后端，SDS反应器及布袋除尘器负压运行；本文仅以SDS反应器为研究对象，为增加烟气行程，提高小苏打颗粒及烟气停留混合反应时间，反应器采用内外套筒式，烟气及小苏打粉末先进入内筒，后进人外筒，随后达到出口，即袋除尘器入口。二、模型建立与边界条件1.模型分析与假设小苏打颗粒出喷管后，在烟气携带下流动至反应器上端撞击外筒顶部，继而在外筒四周扩散至出口，根据结构布置建立SDS反应器三维模型，模型如图1所示：进口面法向入射。2.边界参数设置计算参数见表1：表1边界参数边界参数数值烟气量120 000 m/h进口速度15.81 m/s烟气温度220小苏打粉末喷射量400 Kg/h小苏打粉末粒度800目小苏打粉末2667 m/h本烟气流动属于三维瑞流问题，采用标准k-8模型描述连续相的端流流动，运用DPM模型模拟离散相小苏打粉末的扩散状态。三、结果分析Cbdoutlet(反应器出口）1.加扰流前反应器内小苏打分布状态CalciumCarbonate.ParticleResidenceTime4.00e+0003.60e+0003.20e+000小苏打粉末喷射入口inlet（反应器入口）图中a、b、c 和d分别为4个监测面，分别获取该截面上的颗粒分布情况。本文计算时对SDS反应器模型、内部烟气流动及气固两相流做如下假设和简化 7 -1：（1）烟气为不可压缩流动；（2）进口处烟气速度均匀分布；（3）小苏打颗粒为规则球形，不考虑其发生形变；-118-2.80e+000a2.40e+0002.00e+0001.61e+0001.21e+0008.08e-0014.09e-0011.00e-002图1SDS反应器三维模型由图2 可以看出，未加扰流板的场景下，小苏打颗粒出喷管后，在反应器内筒没有发生明显的扩散，而是呈束状随烟气上升，经过弯管时在离心力的作用下，颗粒流稍偏向右侧（即出口侧），图2 加扰流前小苏打粉末扩散图山东工业技术2023年第4期（总第3 1 2 期）继而上升撞击至外筒顶部后，大量的小苏打颗粒粒通过，导致烟气和小苏打在反应器内未能发生在外筒一侧（出口侧）向下扩散，直接到达出口，充分混合。即袋除尘器人口；而另一侧仅有少量的小苏打颗2.4F1.81.20.60.0-0.6-1.2-1.8-2.4320-2-3图3 为未加扰流板场景下各监测截面小苏打颗粒的分布状态，可以看出，a截面的处的粒子几乎没有发生扩散，两股粒子流相互独立，分界明显；b截面内筒粒子表示上升过程中的粒子分布状态，稍有扩散，但不显著，外筒粒子表示小苏打颗粒撞击外筒顶部后，沿外筒四周向下扩散至b截面上的粒子分布，不难发现，其多集中于外筒筒壁，这是因为上升的颗粒流过于集中的缘故。c截面上粒子分布状态与b截面相似；d截面上的粒子集中分布于截面靠下一侧，这是由于本反应器结构形式所致。2.加扰流后反应器内小苏打分布状态32/入0-2-3-2.8-2.1-1.4-0.70.00.7x轴坐标/ma截面粒子分布图-4-31.42.12.8-2-1x轴坐标/mc截面粒子分布图图3 小苏打在各监测面上的粒子分布状态-420191817161501-323-2b截面粒子分布图414-5通过设计不同扰流板布置方式的场景进行对比，最终得到效果最理想的扰流板布置场景如图4所示，该场景设置了3 级扰流板：扰流板1 为-119-1x轴坐标m-4-3扰流板1图4扰流板添加形式0-2-1Y轴坐标/md截面粒子分布图扰流板3扰流板21012233445基于CFD的钠基干法脱硫反应器的研究优化D700mm的二分之一圆管，其长度约为两喷管喷头的距离，扰流板2 为2000mm位于管道中心线上并呈一定45 角的圆盘，扰流板3 为1000mm置于弯管中心线两侧对称分布的2 个圆盘。CalciumCarbonate.ParticleResidenceTime4.00e+0003.60e+0003.20e+0002.80e+0002.40e+0002.00e+0001.61e+0001.21e+0008.08e-0014.09e-0011.00e-002s图5 加扰流后小苏打粉末扩散图从图5 中可以看出，添加扰流板后，小苏打颗粒在反应器内发生了非常显著的扩散。首先，扰流板1 与喷管之间存在部分颗粒轨迹，说明小苏打粉末出喷管后，在烟气裹下有部分颗粒克服来流烟气阻力，向烟气上游扩散并撞击至扰流板1，继而跟随烟气与管道中心线上的扰流板2碰撞，其中部分小苏打颗粒沿扰流板2 两侧扩散，这两侧的颗粒随之碰撞于扰流板3，经过再一次的撞击，在出反应器弯头前，小苏打颗粒几乎被均匀分散，最终随烟气上升，撞击到外筒顶部时向四周均匀扩散直至出口，可以看出，扰流板的添加有效提高了烟气与小苏打颗粒的混合程度。Velocity32.1528.9325.7222.5019.2916.0712.869.646.433.210.00msA-1图6 为该场景下反应器中心截面的矢量图，-120-可以看出：经扰流板1 和扰流板2 紧后区域的烟气发生了涡流扰动，对该处烟气与小苏打颗粒的混合起到了积极的作用；同时，扰流板2 和扰流板3 也对来流颗粒起到了打散的作用，进一步提高了其与烟气均匀混合的效果。图7 为该场景下反应器内各个截面小苏打颗粒的分布状态，可以看出，a截面上的粒子相较于未加扰流板场景已经发生了比较明显的扩散，两股粒子流已相互混合，不再有明显分界，只是多集中于左二分之一侧（该侧为反应器弯管内侧），这是因为部分烟气经扰流板2 下压后，经过弯头时反而向内侧流动，同时携带小苏打颗粒向该侧扩散，上述矢量图图6 也可以解释这一现象；b截面内筒粒子分布已十分均匀，不存在偏置和过于集中的区域，说明颗粒在反应器内筒上升过程中已逐步扩散均匀，不存在呈束的颗粒流，其撞击外筒顶部的力度也会显著减弱，或从内筒直接均匀逸散至外筒，因此，b截面外筒颗粒分布也不再只集中于外筒内壁；c截面颗粒分布与b截面相似，十分均匀，为理想的分布状态；d截面上的粒子分布依旧多图6 加扰流后矢量图集中于下半部分，但其均匀性相较于未加扰流板场景也有所改善。总体而言，加3 级扰流后每个山东工业技术2023年第4期（总第3 1 2 期）2.431.821.20.60.0-0.6-1.2-1.8-2.4-2.8-2.1-1.4-0.7X轴坐标/ma截面粒子分布图3：0。：-2：99-3：0.00.7：1.42.12.8-420-3-2b截面粒子分布图-1x轴坐标/m0123420-23-4截面相比于加扰流前每个截面上的粒子分布都更加均匀，这与反应器内小苏打颗粒分布图显示结果一致。0.00060.00050.00040.00030.00020.00010.0000012345678910时间/图8 出口截面颗粒浓度分布与时间的关191817161514-3-2C截面粒子分布图图7 小苏打在各个监测面上的粒子分布状态四、结论经过对比分析，本研究可得出以下结论：（1）本文中SDS反应器添加扰流板前，其小苏打颗粒没有发生有效扩散，将对脱硫剂的脱硫效果产生负面影响。（2）S D S 反应器中添加3 级扰流板后，小-121-：-101x轴坐标/m234-5图8 为该场景下出气口截面上小苏打颗粒浓度与时间的关系，可以看出，约2.5 s时，小苏打颗粒开始达到出口截面；3 s时，出口截面上的颗粒浓度达到0.0 0 0 1 kg/m，约为平衡时浓度的2 5%；在5 s前后，出口截面浓度达到平衡，即0.0 0 0 4kg/m，说明本反应器结构及尺寸满足了小苏打粉末停留时间的要求。-4-3-2d截面粒子分布图-1x轴坐标/m012345基于CFD的钠基干法脱硫反应器的研究优化苏打粉末得到良好的扩散，ad监测面上粒子分布的均匀程度显著优于加扰流板前的各个截面。（3）添加3 级扰流板后脱硫剂小苏打粉末在反应器内的停留时间约2.5 s，满足了烟气与脱硫剂的反应时间要求。综上所述，在3 级扰流板的作用下，SDS反应器内的小苏打粉末扩散的更加均匀，与烟气的混合程度更高，且有足够的停留反应时间，有效保证了理想的脱硫效率。参考文献1徐钟毓.基于CFD的半干法循环流化床烟气脱硫过程模拟及优化研究 D.湘潭大学,2 0 2 0.DOI:10.27426/ki.gxtdu.2020.000599.2周昊，周文权，万一飞，等一种钠基干法烟气脱硫工艺：CN113926298AP.2022.3徐大兴.SDS钠基干法脱硫工艺在焦化厂烟气处理中的应用 .燃料与化工,2 0 2 0,5 1(3):3.4李烁.基于CFD的脱硫塔烟道导流板结构优化 节能,2 0 1 9,3 8(8):3.5聂鹏飞，高志，孟德润，等.CFD数值模拟在两级串塔脱硫系统中的应用 .环境工程,2 0 2 1,0 3 9(0 0 8):1 1 9-1 2 4,1 3 0.6张超，叶昊，严大群.焦炉烟气SDS脱硫脱硝技术探讨 .江苏建材，2 0 2 1(0 2):9-1 1.7刘海，李彩亭，曾光明，等.SCX型脱硫除尘器内部气固两相流场数值模拟 .环境工程学报,2 0 1 1,5(4):8 6 5-8 7 0.8吴永彬.循环流化床脱硫系统人口烟气均匀性的研究 J节能与环保,2 0 2 2(0 1):6 5-6 7.Research and Optimization of Sodium-base Dry Sorbent Injection System Based on CFDBAI Wen-wen,YIN Cheng,REN Kai,REN Xuan,ZHU Wen(Xian LongKing Environmental Protection Technology Co.,Ltd.Xian 710075,China)Abstract:In this paper,CFD technology and DPM model were used to calculate the diffusion state ofbaking soda particles during the operation of sodium-base dry Sorbent injection system(SDS).In order to ensurethe desulphurization efficiency of the system,a reasonable arrangement of spoilers was found by picking up theparticle distribution patterns of four sections in different scenarios to judge the uniformity degree.The resultsshowed that the particle flow could be evenly diffused in the system as soon as possible by placing a three-stagespoiler at the front of the system.In this scenario,the baking soda particles were sprayed from the beginningto the outlet of the system,and the residence time was about 2.5 s.The flue gas and baking soda powder wereevenly mixed in the system with the sufficient reaction time,which effectively ensured the desulfurizationefficiency of the system.Key Words:CFD,DPM,sodium based dry sorbent injection system(SDS),spoiler-122-