活性焦脱硫吸附塔气相流场分析.pdf

第 3 1 卷第 l 2期 2 0 0 9年 1 2月 华 电技 术 Hua d i a n Te c h n o l o g y V0 1 31 No 1 2 De c 2 0 0 9 活性焦脱硫 吸附塔气相流场分析 唐 夕山 ， 刘静 ， 石坤 ( 1 上海克硫环保科技股份有限公司 ， 上海2 0 1 2 0 3 ； 2 贵州化兴建设监理有 限公 司 ， 贵州 贵 阳5 5 0 0 0 2 ) 摘要： 采用数值计算方法研究活性焦脱硫装置中的矩形错流移动床吸附塔内部流场， 结果表明， 吸附塔人 口结构对进 气室内气流分布影响很大。活性焦层对烟气流场均布有一定作用 ， 床层主反应核心区烟气呈一维流动且流场分布相对 均匀 ， 床层顶部料封段及底部料斗料封区烟气呈二维流动 ， 顶部加 料 口空腔 内有烟气流动 。吸附塔入 口增设 导流装 置 ， 可达到优化烟气流场 的 目的。 关键词： 活性焦； 烟气脱硫； 矩形错流移动床； 烟气流场； 数值模拟 中图分类号 ： x 7 0 1 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 0 9 ) 1 2 0 0 0 40 4 活性焦烟气脱硫技术采用多孔介质活性焦 ， 通 过吸附作用将烟气中的 S O ， 脱除 ， 吸附饱 和的活性 焦 ， 通过加热再生实现硫 回收。该脱硫技术具有工 艺简单 、 脱硫效率高、 节水 、 无二次污染以及可资源 回收等优点 ， 被认为是最具应用前景的先进脱硫工 艺。在国内， 随着环保要求的提高及循环经济理念 的增强 ， 该技术得到了一定程度的推广应用 ， 具有较 好的市场应用前景 。 1 活性焦脱硫吸附塔 活性焦吸附塔有多种形式， 按照物料及气流流 动方向可分为逆流式 、 并流式及错流式。其 中， 错流 式移动床具有气 一固接触面大 、 处理气量大 、 压降小 及吸附反应速率快等优点 ， 在工业化脱硫装置 中被 广泛应用。本文研究的活性焦脱硫装置采用 了矩形 错流式移动床吸附塔 。 2 错流式移动床吸附塔流场的数值模 拟 烟气进入反应层之前 ， 需经过多次折向进入进 气室， 这样势必存在烟气分布不均的问题 ， 而合理的 烟气流场分布是获得较好脱硫效果的有力保证。 目 前 ， 气 一固两相流动 、 烟气气流分布已经成为大型活 性焦脱硫塔设计过程中的关键技术 ， 因此 ， 研究吸附 塔内烟气流动及流场分布至关重要 。数值模拟研究 方法融合了理论分析和科学试验的特点 ， 已成为人 类认识世界最重要的手段 ， 正广泛应用于科学研究 、 工程及生产领域。采用数值模拟计算方法 ， 结果可 靠 ， 不仅能极大地降低研究成本 ， 而且能够提高工作 效 率 基金项 目： 国家高技术研究发展计划 ( 2 0 0 7 A A 0 5 Z 3 3 8 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 7 0 7 2 1 数值模拟对象 为了真实反映实 际装置 内部流场分布 ， 数值模 拟计算对象为活性焦脱硫吸附塔及其进 、 出 口烟道 ， 并且考虑吸附塔顶部料封 、 进料 口锥形堆料及底部 料斗。建模及模型网格划分如图 1所示。 图 1建 模 及 模 型 网格 划 分 此次计算过程采用标准 k一 模型来描述湍流 流动， 反应层内部活性焦颗粒不规则分布， 采用多孔 介质模型来描述活性焦料层。 2 2 吸 附塔数 值模 拟结 果分析 ( 1 ) 进气室流场分布。受入 口烟道进气方式 的 限制 ， 烟气经 2次折 向后进入 吸附塔进气室。由图 2可以看 出， 进气室中心面烟气流速分布不均匀 ； 由 速度矢 量图 ( 如 图 3所 示) 可知 ， 受进气 方式 的影 响， 进气室中心 区域形成了较强 的漩涡流动。上述 现象势必会对下游活性焦层内的烟气流动及流速分 布产生不利的影响。 ( 2 ) 活性焦层内流场分析 J 。活性焦层主体区 域呈现一维流动 ， 烟气以平推流流型穿过活性焦反 应层。受顶部料封段及底部料斗料封段的影响， 靠 近料封段的活性焦反 应层区域出现 了二维 流动 现 象 ， 二维流动 区域 的出现使得床层核心反应区范围 第 1 2期 唐 夕山， 等 ： 活性焦脱硫吸 附塔 气相流场分析 z 5 O 一5 5 y 一5 y 图 2 进气 室中心面流场分布 V2 8 1 5 6 9 08 l l I 1 2 5 64 9 = 1 5 28 o 92 9 H 9 4 3 8 9 2 圈 蜇 ； ： H 6 3 1 2 9 8 图 3 进气室 中心 面速度矢量图 下降 ， 将对反应过程产生不利 的影响。活性焦层速 度矢量图如图 4所示。 3 o o e 一 0 1 2 8 5e -01 2 7 0 e 一 0 1 2 5 5 e O l 2 4 0 e - 0 l 2 2 5e -01 2 1 Oe -O1 1 9 5e -01 1 8 0 e - 0 1 l 6 5 e 一 0 1 l _5 0 e - 0 l 1 3 5 e O 1 1 2 0e -01 1 05 e 一01 9 o o e 一 0 2 7 5 0e -02 6 0 0 e - 0 2 4 5 0 e - 0 2 3 0 0 e - 0 2 T 1 5 0 e - 0 2 Ly 0 0 0 e + 0 0 图 4活性焦层速度矢量 图 图 5描述了沿吸附塔长度方向活性焦层流场分 布情况 ， 各位置核心 反应区烟气 流速分布均 匀 ， 受 进 、 出气方式 的影响 ， 靠近进 、 出口区域流速略大。 为了解沿 床深方 向活性焦层流场分布情况 ， 图 6对距活性焦表面层 3 0 0， 6 0 0 ， 9 0 0， 1 2 0 0， 1 5 0 0 m m 深度的床层 中心流速进行 了对 比。分 析可知 ， 活性 焦层对过流烟气起到 了很好的整流作用 ， 沿床层深 1 5 l O 5 0 5 5 V28 0 5 篡 l u 3 928 5 7 曰8 _3 23 5 71 41 42 ； H 0 2 8 5 71 4 = j ： H 0 1 7 8 5 7 1 图 5沿长 度方向 ( 轴 向 ) 活性焦层流场分布 度方 向整流作用愈加明显。受人 口气流分布不均的 影响 ， 较浅床层料封附近局部位置烟气流速偏大 ， 易 导致空腔 现象 。料封 段对床层 核心反应 区的影 响在图 7中也可体 现出来 ， 底部料斗料封段 的影响 大于顶部料封段的影 响， 两者产生二维流动 的床层 区域约 占总床层区域的 2 6 。 0 32 0 3 0 0 2 8 0 2 6 二 0 2 4 0 2 2 避 0 2 0 0 1 8 0 1 6 O 1 4 2 0 2 4 6 8 1 O 1 2 l 4 床层高度 瑚 图 6 不 同床深位置流速对 比 1 【 x】 e - 01 9 5 0 e - 0 2 9 0 o e - 0 2 8 5 0 e - 0 2 8 【 x 】 e -0 2 7 5 0e -0 2 7 0 oe -0 2 6 5 0e 一0 2 6 0 oe O 2 5 5 0 e - 0 2 5 o 0e -02 4 5 0e -0 2 4 o 0e -02 3 5 0 e - 0 2 3 0 o e - 0 2 2 5 0 e - 0 2 2 0 0e O 2 1 5 0 e - 0 2 1 0 oe -0 2 5 0 0 e 一 0 3 Ly 0 0 0e +0 0 图 7 顶部料 封段 速度矢量图 ( 3 ) 顶部堆料段流场分析 。顶部料封段 由堆料 段及堆料锥段构成 ， 此外在加料 口附近还存在空腔 ， 一媸 鍪霎 一 6 华 电技 术 第3 1卷 流动状况较复杂。由速度矢量 图( 如 图 7所示 ) 及 不同高度平面流场图( 如图 8所示 ) 可知， 料封段烟 气流动全部呈现二维流动 ， 由于上行烟气受到料封 阻力的影响， 堆料段烟气流速 自下而上逐渐降低 ， 堆 料锥 内阻力最大， 该 区域烟气 流速最低。穿透料封 段后的烟气在顶部空腔呈三维流动 ， 受进气方式的 影响， 靠近人 口的顶部空腔内烟气流速较大 ， 顶部空 腔内烟气流动的存在易导致加料 口漏气 。 均匀现象得到了很好的改善， 活性焦表层流场分布 已也得到了优化( 如图 1 2所示) 。 图 8顶部料封段不同高度平面流场 图 ( 4 ) 料斗料封段 流场分析。料斗料封段烟气流 ， 动方式同样为二维流动， 与顶部堆料段相 比， 该料封 1 o 段不存在空腔 ， 因此 ， 流场分布较 为单一 ， 烟气流速 ： 自上而下逐渐降低， 料斗中、 下部烟气流速极低 。料 0 斗料封段速度矢量图如 图 9所示 ， 料斗料封段不同 一 5 高度平面流场图如图 1 0所示。 图 9料 斗 料 封 段 速 度 矢 量 图 2 3 增加导流装置后的结果分析 ( 1 ) 进气室流场改进。为 了优化吸附塔进气室 烟气流场 ， 消除不均匀布气对下游反应区的影响 ， 在 进气室及烟道入 口增设导流装置。改进后的进气室 流场状况如图 1 1所示。结果表明， 中心面的流场不 图 1 O 料斗料封段不 同高度平面流场图 I 图 l l 进气室 中心面流场分布 图 1 2 活性焦表层 流场分布 ( 2 ) 活性焦层流场改进。不 同床深位置的活性 焦层 流场趋 势 未发 生变化 ， 值 得注 意 的是 ， 床 深 8 8 8 9 9 91 3 5 7 9 2 4 6 ； O 8 6 4 2 O 9 9 9 9 9 0 O O 9 4 O 6 2 8 8 6 4 2 O 9 7 5 3 6 6 6 5 5 4 3 9 5 1 7 2 8 4 O 4 3 0 3 2 2 J J 11llll 9 8 7 6 5 4 3 2l 霸 口HH口H叠 S 8 8 9 9 9l 3 5 7 9 2 4 6 ； O 8 6 4 O 9 9 9 9 9 O 0 O 9 4 O 6 2 8 8 6 4 2 O 9 7 5 3 6 6 6 5 5 4 3 5 1 7 2 8 4 O L m 4 3 3 3 2 J llll11 9 8 7 6 5 4 3 2l 黑 口 目二 j 二 二 墨 O O 0 O O 0 O O O O O O O O 0 0 O O O O 0 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 0 0 O O O O O 第 1 2期 唐 夕山， 等 ： 活性焦脱硫吸 附塔 气相流场分析 7 3 0 0 m m处接近料 封区的床层 流速偏大的现象 得到 了一定遏制 ， 其他床层的流场变化不大 ， 说明进气室 流场的优化对浅床层流场分布起到 了一定的作用 ， 而对较深床层的影响很小。根据气 一固反应理论 ， 可将错流移动床层在床深方向视为由粗脱区和精脱 区组成 ， 粗脱 区由于气相反应物浓度较高 ， 气 一固反 应速率快 ， 气相反应物浓度沿床深快速下降， 粗脱 区 流场分布至关重要 ， 而进气室流场的均布为粗脱 区 流场均布提供了保障， 因此 ， 优化进气室流场对于粗 脱区反应非常必要。 此外 ， 由图 1 3还可以看 出， 进 气室流场 的优 化 对靠近料封段的活性焦层流场未起 到根本作用 ， 活 性焦层核心反应区范 围也未发生改 变， 表明床层靠 近料封区出现二维流动的根本原 因在于床层料封区 结构 。 图 1 3 不 同床深位置流速对 比 3 结论 ( 1 ) 烟气进 口方式对吸附塔进气室 内流场分布 影 响较大 ， 同时对较浅活性焦层流场也有一定 的影 响， 采用合理的导流装置可确保进气室流场均布。 ( 2 ) 床层核心反应 区烟气呈 一维流动 ， 料封 区 域呈二维流动， 受料封结构的影响 ， 接近料封的床层 也呈现二维流动现象 ， 小部分烟气穿透顶部料封段 到达加料 口附近空间流动 。接近料封区的床层出现 二维流动的主要原因在 于床层料封结构的影 响， 与 过流烟气流场分布关系不大。 ( 3 ) 入 口结构优化后的错 流式移动床吸附塔内 部流场分布合理 ， 满足吸附反应 的气流均布要求 ， 可 确保气相和 固相 的良好接触。 ( 4 ) 矩形错流式移动床吸附反应器具有处理气 量大 、 系统阻力低 以及操作连续稳定等特点 ， 是一种 适合大型工业化烟气处理 的理想反应器 。 ( 5 ) 采用数值计算方法研究活性焦吸附床 内烟 气流场分布 ， 具有计算结果可靠 、 成本低 、 效率高等 优点 ， 是一种值得推广的研究方法。 参考文献 ： 1 张文辉， 刘静， 孙淑君 活性焦烟气脱硫技术研究 J 洁 净煤技术 ， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 5 55 8 2 李晓芸， 邹炎 ， 蔡小峰 活性焦脱硫脱硝一体化技术及其 错流式反应器的数值模拟 J 华 电技术， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 1 ) ： 91 3 3 曹晏 错流移动床反应器模拟及床内气固相流动规律的 研究 D 太原： 中国科学院山西煤炭化学研究所， 1 9 9 8 4 陈允华， 朱学栋， 吴勇强 ， 等 移动床空腔现象及空腔尺 寸 J 化工学报， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 7 3 1 7 3 7 ( 编辑 ： 刘芳) 作者简介 ： 唐夕山( 1 9 7 8 一) ， 男， 江苏江都人， 工程师 ， 工学硕士， 从事烟气脱硫技术方面的研究工作。 ( ( 上接第 3页) 了访客平台。吸热器在塔顶部 ， 为提 高吸热效率 ， 需尽量减少辐射和对流损失 ， 吸热器采 用了合金材料。P S I O电站 已于 2 0 0 7年投产 ， 并相 继要建设 P S 2 0等 5座太阳能热发电站 ， 总容量 3 0 0 MW， P S 2 0将于 2 0 0 9年年底投产 。A N D A S O L槽式 太 阳能热发 电站， 以导热油为工质 ， 安装 2台单机容 量 5 0