多台活性焦脱硫塔烟气分布的数值模拟研究.pdf

第 3 3卷 第 4期 2 0 1 1年 4月 华 电 技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y V0 l _ 3 3 No 4 Ap r 2 01 1 多台活性焦脱硫塔 烟气分布 的数值模拟研究 魏星 ， 翟 尚鹏 ， 刘静 ， 曾艳 ， 张鹏 ( 上海克硫环保科技股份有限公司南京分公司， 江苏 南京2 1 0 0 2 8 ) 摘要： 采用数值模拟的方法研究多台活性焦脱硫塔集成净化烟气脱硫装置的烟气分布特性， 发现和揭示了各台脱硫塔 之间和各吸附单元之间烟气流量的不均匀性。为了提高装置脱硫效率和活性焦利用率， 在所建立的数值平台上对大量 设想的调节方案进行了尝试、 比较和筛选。研究结果表明， 通过改变进气支管的直径大小， 可以将烟气分布调节均匀。 关键词： 活性焦； 脱硫 ； 烟气分布； 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 1 1 ) 0 4 0 0 5 9 04 0 引言 活性焦净化烟气是一种利用活性焦的吸附 、 催 化性能脱除烟气中的硫氧化物的干法脱硫技术。该 技术具有脱硫效率高 、 无二次污染 、 可同时脱除多种 污染物和可回收硫资源等优点 J 。 大型活性焦烟气脱硫装置通常采用多台脱硫塔 集成的方式 ， 含硫烟气由总烟气进 口进人脱硫装置， 经过进气总管将烟气分到各个进气支管 ， 再 由脱 硫 塔的进气 口进入进气室 ， 烟气经过迎气面后在吸附 单元 内与活性焦发生脱硫反应 ， 烟气 中的 S O ，附着 在活性焦表面发生吸附脱 除反应 ， 脱硫后的烟气从 出气面进入出气室 ， 再 由脱硫塔 出气 口进入各个 出 气支管并在出气总管内汇合 ， 最后被净化后的烟气 由总烟气出口离开脱硫装置 ， 进人烟囱排放。工程 上是按照脱硫塔内所有活性焦均同样参与脱硫反应 来设计的， 理想状态下各脱硫塔之间和各 吸附单元 之间的烟气流量均匀一致 ， 可 以充分发挥脱硫塔 内 所有活性焦的作用 ， 实现脱硫效率 最大化并降低装 置运行费用。针对多台活性焦脱硫塔集成净化烟气 的脱硫装置， 本文采用数值模拟的方法 ， 对某工程初 步设计的脱硫装置烟气分布进行 了模 拟研究 ， 发现 了存 在 的 问 题并 进 行 了调 整 ， 提 出 了 可行 的优 化方案。 1 数值模拟平 台的建立 1 1物 理模 型 某工程初步设计的多台活性焦脱硫塔集成净化 烟气脱硫装置进、 出气烟道平面图如图 1 所示 。脱 硫装置包括 4台脱硫塔 R 1 0 1一 R1 0 4 ， 进气总管和出 气总管直径均为 5 m， 位于脱硫装置同一侧 ， 进气总 收稿 日期 ： 2 0 1 01 21 7 管在上 ， 出气总管在下 ， 进气支管和出气支管直径均 为 2 4 m， 进气支管和出气支管上共设置 8个阀门。 脱硫塔 平立面 图如 图 2所示 ， 4台脱硫塔 ( R 1 0 1 R 1 0 4 ) 的主体结构尺寸完全一致 ， 脱硫塔为错流移动 床结构， 每台脱硫塔包括 2个 吸附单元、 2个进气室 和 1 个出气室 ， 脱硫塔 的顶部有 2个直径均为 1 8 m 的进气 口， 底部有 1 个直径为 2 4m的出气 口。根据 烟道布置， 脱硫塔 R 1 0 1和 R 1 0 2的进 、 出气 口位置相 同， 脱硫塔 R 1 0 3和 R 1 0 4的进、 出气口位置相同， 脱硫 塔 R 1 0 1 和 R 1 0 2的进、 出气支管相对较短。 ) ： ：R 1 0 2 ： R1 0 4 i 图1 脱硫装置进、 出气烟道平面图 ( _ ： R 1 0 1 ( ： Rl 0 ) 进气支管 进气支管 Rl O l 出气支管 出气支管 A- A B B 图 2 脱硫 塔平立面图 6 0 华 电技 术 第 3 3卷 1 2数学模型 数值模拟研究最大的优势是可以根据脱硫装置 实际结构尺寸进行 1 ：1 模拟计算 ， 结构调整方便易 行 ， 投入成本低廉 ， 数据采集方便 ， 无需专业测试仪 器 ， 可以同步得到多样化的计算结果 ， 可进行实时的 数据比对且计算结果重复性好 ， 不受外界条件干扰。 本文采用 的是 目前应用最广泛的计算流体动力 学 C F D( C o mp u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s ) 软件 F l u e n t 。 通常是在确定脱硫装置的物理模型后， 采用前处理 器 G a mb i t 进行三维建模 ， 并将装置整体分割成为若 干个形状简单 的小单位 ， 进行 网格划分。为 了增加 计算结果 的精确性 ， 以得到尽量详细的脱硫装置 内 部烟气流动情况 ， 需要使单个网格尺寸足够小， 但又 不能超过计算机 的处理能力 。本文进行模 拟计 算的总网格数约 2 5 0万个。 烟气在烟道内的流动， 采用标准 k一 模型模拟 计算 J 。烟气穿过活性 焦层 的流动， 采用多孑 L 介质 模型模拟计算 ， 多孔介 质的阻力按照厄贡 ( E r g u n ) 公式计算 J 。错流移动床结构脱硫塔 的活性焦 流 动速度相对烟气速度来说非常小 ， 在本文计算中忽 略其对烟气流动的影响。 该工程中应用的活性焦为 9 mm1 2 m m的圆 柱体 ， 孔隙率 ： 0 3 5 。以设计烟气流量作为研究 的初始参数， 根据烟气流量给定烟气入 口处的初始 速度条件 ， 将烟气出口处设定为压力出口条件 。进 、 出气烟道上的阀门作为局部阻力考虑 ， 阀门的局部 阻力系数 = 0 2 4 。设计烟气量为 9 0万 m h ， 烟气 温度为 1 5 0 o C， 烟气成分按照设计条件进行计算 。 1 3 计算结果评定方法 评定数值模拟计算结果 的方法主要有 2个 。一 个是定性分析法 ， 截取与烟气分布相关 的 3个典型 面 ： 进气 烟道平面 、 进气 阀门平面 、 脱硫塔 R 1 0 1 R 1 0 4的进气 口平面 ， 根据模拟计算得到的流场云图 对烟气分布情况进行分析 ； 另一个是定量分析方法 ， 根据模拟计算结果可以得到装置阻力损失 以及 4台 脱硫塔和 8个吸附单元 的烟气 流量分布等数据 ， 据 此对烟道尺寸进行调整 。脱硫塔 R 1 0 1的进气 阀门 平面表示为 R I O 1 0， 脱硫塔 R I O 1远离进气总管的 进气 口平面表示为 R 1 0 11 ， 靠近进气总管的进气 口平面表示为 R I O 1 2 ， 因此 ， R1 0 1 0的烟气流量 即为脱硫塔 R1 0 1的烟气流量 ， R 1 0 11和 R 1 0 1 2 的烟气流量分别对应脱硫塔 R1 0 1的 2个吸附单元 的烟气 流量 。其他 3台脱 硫塔 也采 用 同样 的方 法表示 。 2 数值模 拟计算 结果 2 1 初步设计的模拟结果 根据上文所述方法对初步设计的多台活性焦脱 硫塔净化烟气脱硫装置建立数值模拟计算平 台， 按 照定性分析方法得 到的 3个典 型面上的流场云图 ， 如图 3所示。 从图 3可以看 出， 由于烟气流动 的惯性特征 ， 在 o o 9 R1 0 4-0 Rl 03 -0 R l 02 -0 Rl O1 0 进气总管 ! R 1 0 2 2 0 R 1 0 1 2 0 R 1 0 2 1 0 R 1 0 1 一 l 0 R 1 0 4 2 0 R 1 0 3 2 0 R 1 0 4 1 0 R 1 0 3 - 1 图 3 初步设计 的进气烟道平面、 进气 阀门平面和脱硫塔进气 口平面流 场五图 烟气分流处存在较大的流场不均匀性， 进气 阀门平 ( R 1 0 1 R 1 0 4 ) 的烟气质量流量分布以及与设计平 面和脱硫塔进气 13 平面上的流场云图均不一致。在 均值的差异见表 1 ， 8个 吸附单元 的烟气质量流量 烟气流通截面相同的前提下 ， 平均流速的不 同必将 分布以及与设计平均值 的差异见表 2 。 带来烟气流量 的不同。因此 ， 该工程初步设计的多 模拟结果表明， 脱硫塔 R 1 0 1和 R 1 0 2的烟气流 台活性焦脱硫塔集成净化烟气脱硫装置很可能存在 量相近， 脱硫塔 R1 0 3和 R 1 0 4的烟气流量相近 ， 即 烟气分布不均匀问题 。 进 、 出气支管 与总管 的接 口对烟气分布影 响较小。 按照定量分析方法得到脱硫装置从总烟气进 口 脱硫塔 R 1 0 1和 R 1 0 2的烟气流量明显大于 R1 0 3和 到总烟气 出13的阻力损失为 1 3 3 2 1 P a ， 4台脱硫塔 R 1 0 4的烟气流量 ， 脱硫塔 R 1 0 1和 R 1 0 4流量差异 第4期 魏星， 等 ： 多台活性焦脱硫塔烟气分布的数值模拟研 究 6 1 表 1 初步设计 的 4台脱硫塔 烟气 质量 流量 分布 以及与设计平均值的差异 表 2 初步设计的 8个吸附单元烟气质 量流 量分 布 以及与设计平均值 的差异 为 7 7 9 6 ， 即进 、 出气支管较短的脱硫 塔 ， 管道阻 抗较小 、 烟气流量较 大。R 1 0 11的烟气流量明显 大于 R 1 0 1 2 ， 为 1 2 1 3 2 ， 其他 3台脱硫塔的两侧 进 气 口烟 气 分 布 也 存 在 类 似 差 异 ， 吸 附 单 元 R1 0 1 1 和 R1 0 42的流量差异为 2 0 0 1 6 ， 即在 烟气流动的惯性力作用下， 远离进气总管 的脱硫塔 进气 口的烟气流量大于靠近进气总管的脱硫塔进气 口的烟气 流量 。 烟气在各台脱硫塔和各个吸附单元上的分布很 不均匀， 脱硫塔内就会存在烟气线速度过大的部位 ， 烟气在脱硫塔的停 留时间过短， 脱硫效率不够。在 这种情况下 ， 为了提高脱硫效率就需要加快活性焦 流速 ， 不但增加了活性焦在移动过程中的损耗 ， 还会 增加额外的再生系统耗能等运行费用。 2 2 调 节方 案 的模 拟 结果 为 了获得理想的烟气分布， 提高脱硫效率和活 性焦利用率 ， 降低运行成本 ， 实现活性焦脱硫装置的 高效吸附， 需要对 初步设计 的烟道 结构进行调整 。 结合工程经验 ， 对初 步设计 的模拟结果进行分析可 以发现 ， 烟气分布主要依靠脱硫塔 内活性焦层作用 以及进、 出气支管烟道作用 ， 烟气经过脱 硫塔 R1 0 1 的管道阻抗最小 、 流量最大， 烟气经过脱 硫塔 R1 0 4 的管道阻抗最大 、 流量最小 。若减小对应管道 阻抗 较小的脱硫塔进气支管 ， 则可迫使部分烟气向其他 脱硫塔转移而形成调节； 若减小进气支管与远离进 气总管的进气 口碰管前的支管尺寸 ， 则可迫使部分 烟气向靠近进气总管的进气 口转移。 按此调节策略 ， 综合考虑 8个吸附单元的烟气 流量 ， 经过不 同组合方案的比较 ， 最终获得了比较满 意的调节方案， 如 图 4所示 。对应脱硫塔 R 1 0 1和 R1 0 2的进气支管直径 由 2 4 r n变径到 1 8 In， 该管 径与脱硫塔进气 口尺寸一致 ， 对应脱硫塔 R 1 0 3和 R 1 0 4的进气支管直径 由 2 4 m变径到 2 0 m， 其他 结构尺寸均保持不变。该方案易于在工程 中实施 ， 基本不增加安装施工的工作量 ， 同时还保证了进 、 出 口阀门尺寸的一致性， 方便采购订货 ， 也易于现场施 工安装 。 图 4调 节 方 案 的 进 气 烟 道 布 置 图 对该调节方案 的脱硫装置重新建立数值模拟计 算平台 ， 按照定性法得 到的 3个典型面上的流场云 图 ， 如 图 5所示 。 对比图 5和图 3可以看 出， 烟气分流处依然存 在较大的流场不均匀性 ， 这属于烟气流动 的固有特 性 ， 无法消除 ， 从表观上能看出烟气分布不均匀性有 所改善 ， 实际调节效果还需要通过定量分析方法进 行研 究 。 按照定量分析方法得到调节方案的脱硫装置从 总烟气进 口到总烟气出 口的阻力损失为 1 3 7 4 1 P a ， 与初步设计相比， 阻力损失增加 了 4 2 P a ， 占装置总 阻力的 3 1 5 ， 在可以接受的范围内。 此时， 4台脱硫塔 ( R1 0 1R 1 0 4 ) 的烟气质量流 量分布以及与设计平均值的差异见表 3 ， 8个吸附单 元的烟气质量流量分布 以及与设计平均值的差异见 表 4所示 。 从分析模拟结果可以看出， 脱硫塔 R 1 0 1R 1 0 4 的烟气流量差异均较小 ， 最大差异为 2 6 2 3 ； 每台 脱硫塔 2个吸附单元 的烟气流量差异也大大缩小 ， 最大为 6 8 5 5 ； 8个吸附单元 的最大流量差异 为 8 7 6 2 。与初步设计相 比， 烟气分布情况有了明显 改善 ， 调节效果显著 。 针对该工程在实际运行中烟气负荷变化频繁的 情况 ， 在此数值模拟计算平台上还验证 了脱硫装置 6 2 华 电技 术 第 3 3卷 o o 9 R1 0 4 - 0 R1 0 3 0 R1 0 2 - 0 R1 01 0 进气总管 R 1 0 2 2 0 R 1 0 1 2 0 R 1 0 2 1 R 1 0 1 1 0 R 1 0 4 2 o R 1 0 3 2 ! R 1 0 4 1 0 R 1 0 3 1 图 5 调节 方案的进气烟道平面 、 进气 阀f - 1 ,： t z 面和脱硫塔进气 口平面流场云图 表3 调节方案的4台脱硫塔烟气质量流量 性问题 ， 4台脱硫塔的烟气流量不一致 ， 每台脱硫塔 表 4 调节方案的 8个 吸附单元烟气质量流量 分布 以及与设计平均值的差异 在不同烟气负荷情况下的烟气分布。对于调整后的 方案 ， 当烟气 负荷为设计烟气流量 的 5 0 时 ， 即烟 气流量为 4 5万 m h时， 模拟结果为 ： 2台脱硫塔的 最大流量差异约 2 9 1 4 ， 脱硫塔 2个 吸附单元 的 最大烟气流量差异为 6 9 2 2 ， 8个吸附单元的最大 流量差异为 8 8 3 1 。当烟气负荷为设计烟气流量 的 1 2 0 时， 即烟气流量为 1 0 8万 m h时 ， 模拟结 果为 ： 2台脱硫塔的最大流量差异约 2 5 3 2 ， 脱硫 塔 2个吸附单元的烟气流量差异最大为 6 8 0 6 ， 8 个吸附单元的最大流量差异为 8 7 5 0 。从这 2个 工况下的模拟结果来看 ， 烟气分布趋势与设计工况 保持一致 ， 仍然比较理想 。 3 结论 ( 1 ) 初步设计脱硫装置的烟气分布存在不均匀 2个吸附单元的烟气流量也不一致 ， 8个吸附单元的 烟气流量差异更大。 ( 2 ) 采用改变进气支管直径的方法能够调节脱 硫装置的烟气分布 ， 使 4台脱硫塔 的烟气流量差异 大大缩小 ， 每台脱硫塔 2个吸附单元的烟气流量相 当 ， 8个吸附单元的烟气流量趋于一致 ， 基本达到理 想状态。该方法简单易行 ， 不会增加工程投资。在 脱硫装置的烟气负荷变化情况下 ， 改变进气支管直 径的调节方案仍然能够使烟气分布均匀。 ( 3 ) 采用数值模拟研究方法还能够解决活性焦 脱硫设计中涉及的多个 问