（机械工程专业论文）直排式烟气脱硫塔结构分析及流动与传热研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t e 9 9 1 1 学科分类号 6 1 0 3 0 1 5 论文编号 10 0 10 2 0 1 2 0 0 3 9 密级公开 学位授予单位代 1 0 0 1 0 学位授予单位名 北京化工大学 码称 作者姓名李玮学号 2 0 1 0 0 1 0 0 3 9 获学位专业代 获学位专业名称机械工程 0 8 5 2 0 1 码 课题来源自选项目研究方向传热传质 论文题目直排式烟气脱硫塔的结构分析及传热与流动研究 关键词脱硫塔、结构分析、流动与传热、烟气流速分布、入口型式 论文答辩日期 2 0 1 2 5 3 0 木论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师芦涛副教授北京化工大学传热传质强化 评阅人1李国昌高工北京燕山石化机械设备 评阅人2马润梅 讲师北京化工大学迷宫螺旋泵设计 评阅人3 评阅人4 答辩委员纵何亚东研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员1薛平研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员2何立东研究员北京化工大学减振及密封 答辩委员3王华庆 教授北京化工大学故障诊断 答辩委员4颜廷俊教授北京化工大学石油机械 答辩委员5李国昌高工北京燕山石化机械设备 答辩委员6张东胜副教授北京化工大学 工程测试与测量 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与 代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 直排式烟气脱硫塔的结构分析及流动与传热研究 摘要 烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，缩写f g d ) 是抑制s 0 2 污染 最有效的手段之一，湿法烟气脱硫技术是燃煤火电厂的主要脱硫工 艺，烟气脱硫塔是湿法f g d 的核心设备，其结构一般为薄壁塔形结 构，主要包括了塔体、烟气出入口、喷淋层和除雾器等几部分。 作为连接锅炉和烟囱的重要装置，烟气脱硫塔的建设和运行不仅 关系到电厂环保效益，而且对火电厂锅炉的稳定安全运行有着重大意 义。这就对塔设备的优化设计提出了更高的要求。塔设备强度校核就 是设计过程中一个非常重要的环节，直接关系到实际生产的安全性和 稳定性，本文以1 3 5 m 直排式烟气脱硫塔为例，运用压力容器分析设 计标准，对该塔进行了强度校核。 脱硫塔内部的流动与传热过程，直接影响脱硫塔内压力损失和脱 硫塔脱硫效率。本文首先对直入式烟气入口型式的脱硫塔进行流动与 传热数值模拟，并以此为基础，通过改变烟气入口型式，对比分析改 进型烟气入口型式对脱硫塔内部的流场和温度场的影响，从而获得塔 内烟气流场均匀，压力损失无明显增加的烟气入口型式。具有改进型 烟气入口型式的脱硫塔不仅强化了反应传质，而且为除雾器发挥较高 的除雾性能创造了良好的流场条件本研究可为脱硫塔的优化设计和 技术改造提供理论依据。 关键词：脱硫塔，结构分析，流动与传热，烟气流速分布，入口型式 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns t r r c t u r ea n a l y s i s ，f l o wa n d h e a rt r a n s f e ro f s t r a i g h tp l a t o o n t y p e f l u e g a sd e s u l f u r i z a t i o nt o 咂r a b s t r a c t a sf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ni so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e a n st o c o n t r o ls 0 2p o l l u t i o n ，w e tf g d t e c h n o l o g yi st h em a i nd e s u l p h u r i z a t i o n p r o c e s so fc o a l f i r e dp o w e rp l a n t s a sac o r ee q u i p m e n to ff g d ，f l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o ns p r a yt o w e rm a i n l yi n c l u d e st h et o w e rb o d y , f l u eg a s e n t r a n c e ，s p r a yl a y e ra n dd e m i s t i n gp r e c i p i t a t o r , e t c a sak e yc o n n e c t i o no fb o i l e ra n dc h i m n e y , t h ec o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i o no ff g d t o w e ri sn o to n l yr e l a t e dt ot h ee n v i r o n m e n tb e n e f i t so f p o w e rp l a n t s ，b u ta l s ot ot h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h eb o i l e ri nt h ep l a n t s t h e r e sn od o u b tt h a ti tn e e d sh i g h e rr e q u e s to nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n o ft o w e re q u i p m e n t t o w e re q u i p m e n ti n t e n s i t yi sa ni m p o r t a n tl i n ki nt h e d e s i g np r o c e s s i nt h es e c o n dc h a p t e r , 1w i l lc h e c kt h es t r e n g t h13 5 m s t r a i g h tp l a t o o n - t y p ef g dt o w e ra c c o r d i n gt oa n a l y s i sd e s i g ns t a n d a r do f p r e s s u r ev e s s e l i n t e r n a lf l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ft h ed e s u l f u r i z a t i o nd i r e c t l y i n f l u e n c e p r e s s u r e l o s sa n d d e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c y o ft h e d e s u l f u r i z a t i o nt o w e r f i r s t l y , t h i sp a p e rr e s e a r c hf l o wa n dh e a tt r a n s f e ro f i i i 北京化工大学硕士学位论文 t h es t r a i g h t - p l a t o o nf g dt o w e rb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do nt h i s ， b yc h a n g i n gt h ef l u eg a se n t r yf o r m ，c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e i n f l u e n c et ot h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n dt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ef l u e g a sd e s u l f u r i z a ，t i o ne n t r a n c e ，w ec o u l do b t a i nt h ef l u eg a se n t r a n c et y p e t o w e rw i t hu n i f o r mg a sf l o wf i e l da n dw i t h o u to b v i o u st h ep r e s s u r el o s s f g dt o w e rw i t hi m p r o v e de n t r a n c en o to n l ys t r e n g t h e nt h er e a c t i o nm a s s t r a n s f e r , b u ta l s o c r e a t eag o o df l o wf i e l dc o n d i t i o n sf o rd e m i s t i n g p r e c i p i t a t o rp l a y i n gh i g h e rd e m i s t i n gp e r f o r m a n c e t h i ss t u d y c a l l p r o v i d et h et h e o r y b a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt e c h n ic a l t r a n s f o r m a t i o no nd e s u l m r i z a t i o nt o w e r k e yw o r d s ：d e s u l f u r i z a t i o nt o w e r , s t r u c t u r a la n a l y s i s ，f l o wa n d h e a tt r a n s f e r , f l u eg a sd i s t r i b u t i o n ，e n t r a n c et y p e i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 酸雨与二氧化硫1 1 1 2 我国二氧化硫污染现状”1 1 1 3 二氧化硫污染的控制”2 1 2 烟气脱硫技术的发展与研究现状“3 1 2 1 烟气脱硫技术的发展现状”3 1 2 2 烟气脱硫技术的研究现状“5 1 3 本课题研究的主要内容7 第二章直排式脱硫塔的结构强度分析9 2 1 概述9 2 1 1 脱硫塔结构和设计数据”9 2 1 2 分析内容及依据一9 2 2 脱硫塔地脚螺栓的校核1 0 2 2 1 风弯矩的计算1 0 2 2 2 地震弯矩的计算：”1 4 2 。2 3 最大弯矩的确定1 7 2 3 脱硫塔塔体强度的校核18 2 3 1 需要校核的载荷工况1 9 2 3 2 约束条件以及载荷施加1 9 2 3 3 计算结果和强度校核2 0 2 4 强度校核结果分析2 6 2 4 1 强度校核的依据2 6 2 4 2 材料的设计应力强度2 7 2 4 3 强度校核结果2 7 2 5 小结一2 8 第三章f l u e n t 对脱硫塔内流动过程的数值模拟2 9 3 1 模拟对象2 9 3 2 计算区域3 1 3 3 数学模型31 v 北京化工大学硕士学位沦文 3 3 1 基本假设。3 1 3 3 2 气相流场模型3 2 3 3 3 离散相流场控制方程3 3 3 3 4 离散相能量控制方程3 4 3 3 5 液滴与气相的耦合3 4 3 4 边界条件与计算参数3 5 3 5 小结一3 6 第四章脱硫塔内数值模拟结果与分析3 9 4 1 入口形状对流场的影响3 9 4 1 1 压力场和流动特点比较4 0 4 1 2 温度场比较4 1 4 1 3 速度场比较4 2 4 2 入口型式对流场的影响4 4 4 2 1 压力场和流动特点4 5 4 2 2 温度场比较4 7 4 2 3 速度场比较4 8 4 3 入口倾斜角度对流场的影响5 l 4 3 i 压力场和流动特点比较5 2 4 3 2 温度场比较”5 3 4 3 3 速度场比较5 4 4 4 小结”5 9 第五章结论与展望6 1 5 1 结论6 1 5 2 研究展望6 2 参考文献6 3 致谢”6 5 导师及作者简介6 7 v i c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t o p i cr e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1 1a c i dr a i na n ds u l f u rd i o x i d e 1 1 1 2t h es u l f u rd i o x i d ep o l l u t i o ns i t u a t i o no f c h i n a 1 1 1 3t h es u l f u rd i o x i d ep o l l u t i o nc o n t r o l 2 1 2d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so ff l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g y 3 1 2 1t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ff l u eg a sd e s u l f u d z a t i o nt e c h n o l o g y 3 1 2 2t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f f g dt e c h n o l o g y 5 1 3t h em a i nc o n t e n t so ft h i ss u b j e c t 7 c h a p t e r2t h es t r u c t u r es t r e n g h t ha n a l y s i so fs t r a i g h t - p l a t o o nf g d t o w e r 9 2 1o v e r v i e w ”9 2 1 1t o w e rs t r u c t u r ea n dd e s i g nd a t ao f t h ed e s u l f u r i z a t i o n “9 2 1 2t l l ec o n t e n ta n dt h eb a s i so f a n a l y s i s ”9 2 2a n c h o rb o l tc h e c k i n go f t h ed e s u l f u r i z a t i o nt o w e r 一10 2 2 1 皿1 ec a l c u l a t i o no f t h eb e n d i n gm o m e n t 1 0 2 2 2t h ec a l c u l a t i o no f b e n d i n gm o m e n to f t h ee a r t h q u a k e 1 4 2 2 3t h ed e t e r m i n a t i o no f t h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n t 。1 7 2 3i n t e n s i t y c h e c k i n go f t h ed e s u l f u r i z a t i o nt o w e rb o d y 。18 2 3 1t h e1 0 a dc o n d i t i o n st oc h e c k 1 9 2 3 2c o n s t r a i n ta n dt h ea p p l i e dl o a d ”1 9 2 3 3t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa n di n t e n s i t yc h e c k ”2 0 2 4r e s u l ta n a l y s i so fs t r e n g t hc h e c k 2 6 2 4 1t h eb a s i so fs t r e n g t hc h e c k 2 6 2 4 2t h es t r e s si n t e n s i t yo f t h em a t e r i a l 2 7 2 4 3t h er e s u l to f s t r e n g t hc h e c k 2 7 2 5s u m m e r y 2 8 v i i 北京化工大学硕士学位论文 c h a p t e r3t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t ot h ef l o wp r o c e s so ft h e d e s u l f u r i z a t i o nt o w e rb yf l u e n t 。2 9 3 1m o c ko b j e c t ”2 9 3 2c o m p u t a t i o n a ld o m a i n 31 。3 3m a t h e m a t i c a lm o d e l 31 3 3 1f u n d a m e n t a la s s u m p t i o n 3 1 3 3 2m o d e lo f f l o wf i e l do f g a sp h a s e 3 2 3 3 3g o v e r n i n ge q u a t i o n so f d i s c r e t ep h a s ef l o w 3 3 3 3 4e n e r g ye q u a t i o no f d i s c r e t ep h a s ec o n t r o l 3 4 3 3 5t h ec o u p l i n go f d r o p l e ta n dt h eg a sp h a s e 3 4 3 4b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dc a l c u l a t i o np a r a m e t e r s 3 5 3 5s u m m e r y 。3 6 c h a p t e r 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so ft h e d e s u l f u r i z a t i o nt o w e r 3 9 4 1t h ei n f l u e n c eo fe n t r a n c es h a p et of l o wf i e l d 。3 9 4 1 1c o m p a r i s o no f t r e s sf i e l da n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s 4 0 4 1 2c o m p a r i s o no f t e m p e r e t u r e6 e l d 4 1 4 1 3c o m p a r i s o no f v e l o c i t y6 e l d 4 2 4 2t h ei n f l u e n c eo fe n t r a n c et y p et of l o wf i e l d 4 4 4 2 1c o m p a r i s o no f t r e s sf i e l da n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s 4 5 4 2 2c o m p a r i s o no f t e m p e r e t u r ef i e l d 4 7 4 2 3c o m p a r i s o no f v e l o c i t yf i e l d 4 8 4 3t h ei n f l u e n c eo f e n t r a n c ea n g l et of l o wf i e l d ”5 1 4 3 1c o m p a r i s o r to f t r e s sf i e l da n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s 5 2 4 3 2c o m p a r i s o no f t e m p e r e t u r ef i e l d 5 3 4 3 3c o m p a r i s o no f v e l o c i t yf i e l d 5 4 4 4s u m m e r y + 5 9 c h a p t e r 5c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 1 5 1c o n c l u s i o n 6 1 v i i i c o n t e n t s r e f e r e n c e s 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t 6 5 i n t r o d u c t i o no ft e a c h e ra n da u t h o r 6 7 i x 原书空白页 不缺内容 符号说明 符号说明 基础环面积，m m 2 腐蚀裕量，l 姗 地脚螺栓的螺纹小径，m m 锥壳大端内直径，i n m 锥壳小端内直径，m m 塔设备中第i 段迎风面的有效直径，m m 风压高度变化系数 垂直地震力，n 重力加速度，n k 茸1 第i 段截面惯性矩，衄n 4 体型系数 塔设备第i 计算段的风振系数 塔设备各计算段的计算高度，m m 塔式容器的操作质量，蚝 各计算段的集中质量 风弯矩，n 1 t i m 地震弯矩，n m m 地脚螺栓的个数 压强，p a 地区基本风压 应力强度，a 塔体的第一自振周期，s r 年一遇的最大基本风压，n m 2 基础环的抗弯截面系数，m m 3 地震影响系数 衰减系数 脉动增大系数 脉动影响系数 振型系数 各计算段截面的有效厚度，r n l t l 基本振型参与系数 x i 4 q吐巩巩z乃g墨如心蚝n p吼s五乙q y 孝q 丸以 北京化工大学硕士学位论文 缶 一阶振型阻尼比 r 调整系数 吼，c r 2 ，吒 主应力，m p a p烟气密度，k g m 3 x i i 第一章绪论 第一章绪论 随着我国经济和社会的发展，作为工业排放的污染物之一的s 0 2 的总量日 益增加，国家节能减排战略的实施，对于冶炼、电力等资源和能源密集型行业的 烟气排放提出了更高的要求【1 1 。本章简要阐述了本课题的研究背景，对烟气脱 硫塔的研究进展进行综述，提出本研究研究内容和研究目标。 1 1 课题研究背景 1 i 1 酸雨与二氧化硫 工业革命以来，随着经济的发展和工业化进程的不断加快，越来越多的环境 问题引起了人们的关注，酸雨便是其中之一【2 1 。 酸雨主要是由二氧化硫、硝酸和盐酸的分解作用引起的。这一污染最终还要 归结为废弃物和化石燃料的燃烧等人类活动，火电厂和汽车工业成为了造成酸雨 污染的主要场所【3 1 。s i n t o n t 4 】研究表明，9 4 的二氧化硫污染均来自于煤燃烧，火 电厂自然而然成为了最大的“贡献者”。 酸雨在国外被称为“空中死神”，在许多方面都影响着人类生活，酸化的水和 土壤严重阻碍了森林和农作物的生长，也会使许多动物物种面临威胁。随着p h 值的不断降低，淡水虾、细菌分解者、鱼类、蛙类乃至浮游生物会相继死亡。酸 雨也会损害建筑物和文物古迹，释放出有害化学物质，比如金属铝，会从岩石和 土壤进入饮用水源，腐蚀铅和铜斜5 1 。 1 1 2 我国二氧化硫污染现状 我国是世界上最大煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以燃煤为主要能 源的国家之一，我国排放的二氧化硫9 0 来源于燃煤。因此，我国的二氧化硫排 放量和煤炭的消耗量有着密切的关系r 6 】。与北美和欧洲只有少数酸化地区相比， 我国二氧化硫造成的损失是非常巨大的，比如评估显示，每年仅仅重庆和北京两 地因为空气污染造成的死亡人数达到了4 0 0 0 人【j 7 1 。城市面临的二氧化硫污染最 严重地区可能来自两个方面，一个是产煤大省，另一个就是使用高含硫煤省区【8 】。 酸雨污染最严重的四个省份分别是广东、广西、贵州和四川，这些省份在2 0 世 纪8 0 年代后期平均每年的损失达到2 0 亿美元。 1 北京化工大学硕士学位论文 近些年来，我国酸雨和环境酸化问题已经成为最受关注的环境问题，大约有 9 0 的监测数据表明了长江流域的平均p h 值低于5 6 ，除此之外，西南地区和 北方地区的酸雨危害也不可忽视【9 】 造成二氧化硫污染持续加剧的原因是多方面的，归结起来，有以下三点：( 1 ) 能源结构主要以煤炭为主，能源利用率偏低；( 2 ) 二氧化硫减排工作起步较晚， 脱硫技术水平较低，国产化设备落后；( 3 ) 二氧化硫排污成本过低，收费范围较 d d l o l 。 1 1 3 二氧化硫污染的控制 2 0 世纪7 0 年代初，美国和日本率先开始控制排放二氧化硫战略，此后不久， 许多国家也相继制定了严格的s 0 2 排放标准，短时间内在很大程度上控制了排放 s 0 2 的速度，同时也促进了有关控制技术的发展【1 1 1 。 我国s 0 2 控制战略可以分为两个阶段，即浓度控制和总量控制【1 2 1 。 在过去近二十年的时间内，我国的污染控制战略主要通过控制污染物的排放 浓度来实施环境政策和环境管理，即污染物浓度排放标准。但是污染源总量在不 断增加，浓度控制固有的缺点在环境管理实际中已经体现了出来。 为了及时遏制逐年增长的污染物排放总量恶化环境，必须从浓度控制向总量 控制转变【l 引。 目前，燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后的烟气脱硫被认为是控制燃煤s 0 2 的三大污染技术，其中控制s 0 2 污染最有效的途径是烟气脱硫【1 4 】。 目前，烟气脱硫是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫技术。根据脱硫过程 是不是需要加水，可以把烟气脱硫分为三种类型湿法、半干法和干法。其中 湿法脱硫比后两者脱硫效率更高，运行更加可靠，操作也简单，尽管产物处理较 麻烦，投资较大，但技术最为成熟。干法、半干法的脱硫产物为干粉状，脱硫效 率和脱硫剂的利用率低，因而未得到广泛使用【l 引。 湿法烟气脱硫有脱硫效率高，反应速度快等特点，属于气液反应，其脱硫， 适用于大型燃煤电厂和冶炼厂锅炉【1 6 1 。 目前已经开发的湿法烟气脱硫技术有很多种，其中以石灰石石膏法应用最 广，在世界脱硫市场的占有率超过了8 0 ，石灰石石膏法工艺成熟，对煤种要 求比较低，但脱硫效率高，运行可靠性高【1 7 】。 湿法脱硫的工艺设计不仅要考虑设备的结构强度，而且要考虑脱硫塔的脱硫 性能。脱硫塔的结构分析在设计阶段应予充分考虑，特别要关注恶劣天气和环境 下条件下的结构强度。脱硫塔的脱硫性能与塔内流动与传热有密切联系，气液流 第一章绪论 场和温度场分布对于气液反应、喷淋液均布、压力损失、除雾器性能均有重要影 响。 本课题基于实际工程项目，引用相关标准和计算传热学技术，拟对脱硫塔的 结构进行分析和内部流动与传热过程进行数值模拟，在确定强度校核合格的基础 上，对脱硫塔的流场和温度场进行优化，旨在强化反应传质和为除雾器发挥除雾 性能提供均匀流场，为工程设计和优化提供理论支持。 1 2 烟气脱硫技术的发展与研究现状 1 2 1 烟气脱硫技术的发展现状 煤燃烧、冶炼过程中产生的主要污染物为二氧化硫，烟气脱硫技术是降低其 含量的关键技术。脱硫塔一般为薄壁塔形结构，内部设置有管道和支撑梁，塔壁 开设烟气进出口，塔体有些部分通过型钢加强，整个结构比较复杂【1 8 】。 图1 - 1 烟气脱硫塔的安装现场 f i g 1 1i n s t a l l a t i o ns i t eo ff g dt o w e r 由于安装和操作都在室外( 如图1 1 所示) ，脱硫塔在实际中经常会受到一 些自然条件的影响，加之塔式容器比较细长，因而地震载荷和风载荷对其影响显 得非常明显。尤其近年来，地震灾害时有发生，对国家和人民的生命财产安全造 成了巨大的威胁。脱硫塔作为大型薄壁壳体钢结构，使用中不仅要受到浆液压力、 自重等静力荷载的作用，还会受到风载荷和地震载荷的作用。因此，我们在研究 脱硫塔的过程中，不仅要考虑其脱硫效率的高低，还要保证足够的强度和稳定性。 1 北京化工大学硕士学位论文 类似脱硫塔的塔式设备在工程应用中，会遇到动与静两种不同性质的载 荷。对于塔设备，静载荷包括压力、温度和介质的质量等，不随时间变化。而动 载荷主要来自地震与风，具有很大的随机性，其特点是载荷的大小、方向及作用 位置都会随时间的变化而变化。这类动载荷所引起的惯性力会使塔式设备产生随 时间变化的应力和变形，塔设备也可能因动载荷产生过大的挠度，从而发生刚度 失效【1 9 】。此外，塔设备的地脚螺栓失效也是由于地震载荷和风载荷对设备底截 面产生过大的弯矩造成的。综上所述，分析塔式设备受到的地震载荷和风载荷十 分重要。 然而现在已有的文献大多研究了地震载荷作用下，脱硫塔的结构动力特性， 很少考虑风载荷对脱硫塔强度的影响。本文第二章节将利用a n s y s 有限元分析 软件，从两种载荷的共同作用来考虑自然因素对直径为1 3 5 米直排式脱硫塔的 影响。 评价脱硫塔的主要依据是脱硫效率的高低。影响脱硫塔脱硫效率的因素有很 多，比如吸收剂的p h 值、脱硫剂的活性、液气比、烟气温度和流速、脱硫塔的 结构等等【2 0 。因此，导致脱硫效率不佳的原因也是多方面的，其中很重要的一 点，就是含硫烟气在塔内分布不均匀，导致吸收剂局部的喷淋效果达不到预期， 更重要的是，烟气的局部流速过快会减少气液接触时间，从而降低了吸收效率， 严重影响脱硫塔的正常工作。 另外，对于具有直排烟囱的脱硫塔而言需要考虑脱硫塔内部除雾器除雾性能 的好坏，在实际操作过程中，除雾器( 如图1 2 所示) 是影响脱硫塔正常运行的 一个重要设备，脱硫后的烟气以一定速度流经除雾器，运动方向连续快速改变， 产生较大的离心力和惯性力，烟气内的雾滴撞击到除雾器叶片上，雾滴汇集形成 水流，因重力的作用，下落至浆液池内，最终实现气液分离。一般来讲，除雾器 的除雾效率主要取决于气流速度，并且有一个允许的范围，气速过高不仅会造成 二次带水，而且会在一定程度上对除雾器产生破坏；气速过低减小了烟气流经除 雾器的惯性力，不利于气液分离。综上，如何保证烟气流速在进入除雾器之前的 均匀分布，将成为本文研究的重点。 图1 - 2 一种丝网除雾器 f i g 1 - 2o n ek i n do fs c r e e nd e m i s t i n gp r e c i p i t a t o r 4 第一章绪论 1 2 2 烟气脱硫技术的研究现状 鼻孑匿寥墨荐寅蠹 第 擐蔓 纂2 8 镊穗第，7 撤慰簿狂蒹型第 t 8 凝型 _ 蘩3 掇塑蔫4 鬟塑 篇篱q 第2 7 撵受第如撅墅 第1 0 藏摄第1 l 撤螯 果1 4 聚嬲 图1 3 有代表性的振型 f i g 1 - 3r e p r e s e n t a t i v ev i b r a t i o nm o d e 孙永胜【2 4 考虑到浆液的影响，建立了不同塔体的有限元模型，分析了带有 高塔的烟气脱硫塔的动力特性，而且考虑到了脱硫塔固有频率会受到内部浆液的 影响作用。结论说明了对于低阶频率，为简化计算，可不考虑浆液的影响。 马宇山阐述了地震载荷和风载荷在塔式容器分析设计中的处理方法。徐 谋奎 2 6 通过有限元方法，对某电厂脱硫塔进行了模态和静力计算。 在流场模拟方面，针对设计和操作中遇到的不同问题，前人也做出了许多成 果。胡赞从气体布置方面入手，介绍了筛板和多文丘里两种烟气脱硫塔的气 体分布装置及其工艺设计。 北京化工大学硕士学位论文 周山明 2 剐对喷淋脱硫塔进行了空塔和喷淋两种状态下的流场计算。计算结 果表明：脱硫塔内入口处的流场变化最为剧烈，压降也最大，所以改造入口是减 小压降的一种办法。 王旭 2 9 】利用c f d 软件模拟了某电厂脱硫喷淋塔在空塔状态下的二维结果。 通过分析指出，空塔时气速分布不均。李兴华和何育东r 3 0 】借助f l u e n t 软件， 对多种烟气负荷下，浆液循环泵组合方式不同，即喷淋层组和方式不同时，塔内 烟气流场进行数值模拟，得到了一定烟气负荷下，烟气分布相对均匀的喷淋组合 方式。潘卫国 3 l 】也着重研究了不同喷淋层的投运方式对塔内流场的影响，并与 现场运行的结果基本吻合，喷淋层的投运方式不同对流场的影响较大。 图1 - 4 空塔时脱硫塔内烟气流动迹线 f i g 1 4g a sf l o wt r a c i n gl i n eo fe m p t ya b s o r b i n gt o w e r “ 3 2 使用数值模拟方法对单入口矛h x x x , 口设计的喷淋塔烟气流场进行了模 拟分析，并研究了不同入口角度喷淋塔中流场的分布特点。通过数据得到双入口 ( a )( b )( c ) 图1 5 不同位置入口的喷淋塔 f i g 1 5d i f f e r e n tp o s i t i o no fe n t r a n c es p r a yt o w e r 6 第一章绪论 设计使得脱硫塔在入口处不易结垢，而且流场的均匀度也好于传统脱硫塔【3 3 】。 王旭和陈鸿伟【2 9 】对三种不同入口位置( 图1 5 ) 的喷淋塔的内部两相流场进 行了三维数值模拟，重点研究了喷淋塔内在不同入口位置情况下的流场及压力分 布，结果显示，对于同一喷淋塔，入口位置对塔内流场有比较大的影响。 周山明【蚓等人通过建立脱硫塔喷嘴数值模型，研究了塔内气液传质的喷淋 液流量与三种影响因素的关系，分别是液膜平均破裂长度、喷嘴初始喷射角和液 滴平均粒径。 耿萍【3 5 】等人利用f l u e n t 软件对脱硫塔( 图1 6 ) 内速度场和温度场进行三维 数值模拟，并全面分析了模拟的结果。表明脱硫塔形状和喷淋层高度对流场与温 度场有较大影响。 袋彳i 膏脱 水系统 图1 石脱硫塔系统简图 f i g 1 石d i a g r a mo fd c s u l f u r i z a t i o nt o w e rs y s t e m 1 3 本课题研究的主要内容 综上所述，对于f g d 技术，国内外诸多学者已经进行了深入的研究和探讨， 结合了国内实际工程中出现的问题，对本课题有非常好的借鉴意义。 本课题研究的主要内容：第一，利用a n s y s 商用有限元分析软件对直排式 烟气脱硫塔进行强度分析，根据相关标准，对烟气脱硫塔底部地脚螺栓数量计算 和校核；第二，利用c f d 软件模拟脱硫塔内流动与传热，通过分析传统入口在 流动与传热方面的特点，提出了改进型烟气入口型式，分析了改进型烟气入口型 式对脱硫塔流场和温度场的影响，优选出有利于传质和改善流场分布的烟气入口 型式。 本课题的研究目标是利用计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，缩 北京化工大学硕士学位论文 写c f d ) ，分别对不同入口型式下的脱硫塔模型进行数值模拟，得到