钠基干法脱硫塔数值模拟优化分析

黄乃金，解彬，何向成

(安徽威达环保科技股份有限公司，安徽合肥，230000)

为贯彻落实我国全面加强生态环境保护，坚决打好污染防治攻坚战的要求。钢铁行业应在严格遵守国家政策规定的前提下有序推进行业污染气体排放技术的改造，加强对烧结烟气净化及烟气排放控制技术的研究，使我国钢铁企业与节能减排相结合，进一步开发适合我国国情，适应如今国际、国内新环境与技术要求的烧结烟气净化工艺，如此，才能实现钢铁行业的可持续发展［1］。我国燃煤SO2排放量占总排放量的50%以上［2］。除燃煤电厂外，钢铁、建材等重工业行业，也都面临硫氧化物排放问题。随着工业现代化的不断发展，我国对SO2等硫氧化物的排放控制标准越来越严格，目前实施的超净排放要求烟气中SO2排放浓度不得高于35 mg/m3［3,4］。因此，控制SO2排放是当前我国能源和环境领域亟待解决的一个重大课题。

脱硫塔作为广泛使用的烟气二氧化硫脱除装置，目前脱硫技术在烟气治理中仍存在一定的不足，脱硫效率有待进一步提高。钠基干法脱硫（SDS）工艺因其工艺系统简单、占地面积较少、投资运营成本低，以及具有较高的脱硫效率、不产生二次污染等优点，已被广泛应用于中小型火力发电厂、钢铁烧结等行业［5］。工程中烟气经引风机引出，脱硫剂被喷射到脱硫塔前的烟道中，在烟道中与SO2进行中和反应，实现SO2的初步脱除［6］，脱硫反应后颗粒产物随着气流进入布袋除尘器进一步反应并除尘，再经过增压风机由原有烟囱排入大气［7］。

本文以某具体工程项目为例，针对引风机出口至脱硫塔出口段的烟道进行数值模拟。本项目给出了三种不同的脱硫塔设计方案，在统一工况下根据流场模拟试验结果对比各种工况下的流场及压力损失，得出各脱硫塔内工质平均停留时间，并对进一步工程改造给出具体建议。

物理模型图如下图1 所示。含硫烟气由引风机进口进入脱硫塔，经过内置式文丘里收缩段加速混合扰动，到达塔上部后随弯道折流向下，增强脱硫剂与烟气的充分混合，提高脱硝效率。本文使用Solidworks17.0 绘图软件进行建模，将绘制完成的3D 脱硫塔模型导入ANSYS前处理软件ICEM CFD19.2 进行网格划分。网格的质量决定着计算结果是否精确，扭曲的网格甚至会引起模拟结果失真。

图1 物理模型及网格划分图

采用ICEMCFD 网格划分工具生成非结构化四面体网格，将网格质量控制在0.3 以上，网格生成总数量大约为120 万。

2.1 气相控制方程

流体的流动规律始终着遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒三大守恒方程。

（1）质量守恒方程

质量守恒方程其表达式如式1 所示。

式中：ρ是流体的密度，kg/m3；
t为流动的时间，s；
u是流体速度，m/s；
∇为哈密尔算子。

（2）动量守恒方程

动量守恒方程是通过方程式的形式对流体流动规律进行表达，其表达式如式2 所示。

式中：P是控制体上的压力，N；
τ为单位体积上流体所受粘性应力，N/m3；
f表示单位体积上的质量力，N/m3。

（3）能量守恒方程

能量守恒方程是根据热力学第一定律推导得出，它是将能量守恒定律通过方程式的形式将流体流动进行表达，其表达式如式3 所示。

式中，P为单位体积流体所受压力，N；
f为单位体积流体的质量力，N；
e,ui2/2 分别为单位质量流体的内能和动能，J；
k为热传导系数，W/(m2·K)；
T为温度，K；
q为单位质量流体在单位时间内传递的热量函数。

2.2 湍流模型

由于本文所模拟的脱硫塔内的气相场雷诺数大于临界值，因此在进行数值模拟时所采用的模型为湍流模型。通过对比发现，标准k-ε模型因具有适用性强，且计算精准度高等优点而被广泛使用，因此本文选择使用标准k-ε 模型进行数值模拟。标准k-ε 模型是基于湍动能和湍流耗散扩散率的半经验公式，湍动能kf和湍流耗散率ε公式分别为：

式中，Gk表示由平均速度梯度所引起的湍流动能；
σk和σε分别是湍动能kf和湍流扩散率的Prandt 数；
Sk和Sε是用户自定义源项；
C1ε=1.44、C2ε=1.92、σk=1.0、σk=1.3。

2.3 边界条件

根据工程实际运行情况，对入口烟道的假设如下：烟气为理想气体；
流体是定常流动；
系统绝热；
不考虑化学反应。模型内部流体为各向同性的均匀湍流，对连续相进行稳态计算时采用Standardk-ε 湍流模型，流体介质假设为不可压缩流体。模拟采用Pressure-based 求解器，稳态计算；
速度压力采用SIMPLE 求解器，湍流动能和湍流耗散率采用二阶迎风求解器；
采用速度入口边界条件、自由出流的出口边界条件，壁面均为无滑移壁面。数值模拟参数表如表1 所示。

图3 脱硫塔纵向截面（X=0）速度分布云图

结合图2、3 可看出，烟气在内置式文丘里喉管处靠近出口侧存在较大的高速区，其中工况三与其余工况相比具有较长的套管，对气流有更强的加速混合作用，高速区范围最小。

图2 脱硫塔纵向截面（Z=0）速度分布云图

如图4 所示，烟气从脱硫塔导流板处截面速度分布可看出，在此处三种工况的速度分布较不均匀，在近套管处速度低，远离套管处速度高，气流呈现出分层现象。在实际工程中可以考虑在脱硫塔上部添加一定数量的导流板辅助烟气折流向下，消除混合烟气在套管内的分层现象，从而提高脱硫效率，节约脱硫剂。

图4 脱硫塔导流板处截面速度分布云图

如图5 所示，对于烟道出口，从速度分布云图可看出在出口烟道上部存在小范围死区，且随着出烟斜挡板角度的增大，该死区范围增大。因此在实际工程中可适当选用小的出烟斜挡板角度、大的出口截面尺寸。若存在场地限制等施工问题，可考虑在出口位置添加导流装置。

图5 脱硫塔出口速度分布云图

结合云图及图6 可以看出，工况一压降最大，工况二压降次之，工况三的系统压降最小；
工况一烟气平均停留时间最短，工况二烟气平均停留时间次之，工况三烟气平均停留时间最长。综上，工况三系统压降最小、烟气平均停留时间最长，因此工况三较为合理。

图6 脱硫塔各工况压降与烟气停留时间对比

综上所述，本文得出如下结论：

（1）有较长套管的内置式文丘里对气流有更强的加速混合作用，高速区范围小，有利于脱硫剂与烟气的加速混合。

（2）在脱硫塔顶部可添加一定数量的导流板用来辅助烟气折流向下，或在套管与脱硫塔本体夹层的环形流域内设置气流均布器，消除混合烟气在套管内的分层现象，可提高烟气混合程度并延长烟气停留时间。

（3）出口死区范围随着出烟斜挡板角度的增大而增大，在实际工程中应适当选用小的出烟斜挡板角度、大的出口截面尺寸。

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