脱硫塔流场结构优化及速度不均匀度分析
0 引 言
为实现“十四五”能源清洁高效发展目标，火电机组运行中须保持常态化的高环保指标。负荷波动时脱硫效率波动较大，为保证环保要求和超净排放，国内火电机组烟气脱硫运行过程被迫降低反应效率，增加石灰石消耗[1]。大型石灰石湿法脱硫塔平稳负荷且高效运行时，才能保证高脱硫效率(约96%)。研究发现，脱硫塔内烟气流动不均[2-3]，烟气冲击脱硫塔一侧壁面现象十分明显，但设计时浆液雾化喷嘴的布置方式为均匀布置，同一水平截面烟气中SO2浓度差异较大。烟气速度较低一侧的石灰石浆液相对烟气中SO2反应所需量较充足，能充分反应，但烟气速度较高处的SO2浓度较高，超出该区域反应能力[4-6]。为解决此问题，避免烟气脱硫效率大幅下降，运行时需增加石灰石浆液流量，保证烟气速度较高，SO2含量较高的区域才能充分反应。实际运行中600 MW机组的烟气脱硫塔，即使在负荷较低情况下，浆液循环泵也须保持2台及以上投入运行。
针对上述问题，国内外学者提出了改造方案，曾芳[7]、宋健斐等[8]提出将入口改为斜向下，增加烟气流程。过小玲等[9]研究发现塔内增加均流孔板等进行均流可以提高反应效率。但WANG等[10]研究塔内涡流尺度时发现孔板造成的压损增加为原先的3～4倍。于菲等[11]研究塔内旋流板安装角度对压差损耗的影响。郭瑞堂等[12]提出优化塔内流场可改变反应效率。何仰朋等[13]提出增加脱硫催化剂可有效提高脱硫效率，但催化剂长期使用成本较高，且对浆液pH影响较大，燃用不同煤种需调整。FRANDSEN等[14]通过研究流场内情况改进反应效率，李立清等[15]分析氨法反应器内液滴颗粒运行轨迹和反应时，发现与湿法反应有相似性。为从根本上改变塔内反应不均问题，提出一种塔内烟气流动的整体优化方案，实现烟气流动均匀优化，减少成本。
笔者针对目前600 MW机组石灰石湿法烟气脱硫技术存在的不足进行优化设计，根据塔内烟气速度分布随负荷波动的特性，提出一种整体烟气流动优化方案，具有较高的可行性，为同类型机组改造和优化提供理论基础和参考。
1 物理模型
研究对象为某600 MW机组脱硫塔，原设计结构如图1所示，塔体高度总高度为34.053 m，外部直径15 m，液相区深度8.472 m，烟气反应区高度24.25 m；入口设计下部倾斜设置，与竖直方向夹角82°，入口与塔体中心线最近距离为4.565 m，入口与烟道连接位置上壁面与水平夹角为10°；倾斜段长度0.6 m，下壁面夹角为15°，倾斜段长度1.961 m，与烟道连接截面宽度7.519 m，水平段长度6.868 m，入口段长度11.9 m。出口端宽度3.8 m，与烟道连接截面与塔体中心线距离为8.2 m，长度为15 m。喷嘴区域布置在出口下部，宽度5.172 m，喷嘴方向为双向，上下对称布置。
图1 脱硫塔结构
Fig.1 Structure of the FGD tower
在原设计基础上增加均流板和导叶以减少回流[16]及阻力[17]，结构如图2所示，均流板设置在液相区之上7.5 m，高度为1 m，与入口方向垂直的均流板采用斜置，角度与竖直方向夹角为72°，均流孔为正方形，沿入口烟气方向与垂直入口方向均为2 m，在靠近壁面位置，与入口烟气流动方向垂直的均流板向塔体中心倾斜角度为72°。平行于烟气入口流动方向均流板垂直布置，垂直和平行于入口流动方向均流板数目均为7片。2片导叶共同作用，叶片1为圆弧导叶角度40°，半径1.5 m，布置在入口上壁面下0.6 m，距离入口水平段端点1.6 m；导叶2包括圆弧段与直段，角度为35°，半径3.5 m，直段长度为1 m，布置在距导叶1入口端点的1.042 m，距入口上壁面1.39 m位置处。导叶和均流板壁厚均设置为0.01 m。
图2 优化方案结构设计
Fig.2 Structure design of the optimized scheme
2 计算设置
对研究对象进行网格划分，流场为液相区以上部分，其网格及无关性如图3所示，喷嘴均匀布置，对烟气流动的不均性影响较小，研究塔内流场时可简化。塔内烟气流动受结构影响较大，采用非结构化四面体网格进行分区划分，以适应流场变化[18]，在入口阶段和反应区加密[19-20]。进行网格无关性验证，选取不同网格数30万、47万、68万、90万，网格数达到68万时，出口速度基本保持稳定，考虑计算效率，选取网格数68万。
图3 网格及无关性验证
Fig.3 Grid and independent verification
烟气在脱硫塔内部流动，负荷一定时流场基本不变，近似为定常流动，入口为速度入口，出口为压力入口。湍流模型选取适合低压力梯度的k-ε标准型，算法采用速度压力耦合算法，鲁棒性较好，精度二阶。不同负荷下，烟气速度不同，入口工况见表1。
表1 方案设置
Table 1 Schemes set
3 计算结果与分析
3.1 烟气速度不均匀分析
脱硫塔技术十分成熟，目前常用于通过石灰石浆液与烟气反应脱除SO2及少量SO3，主要方程为
CaCO3 SO2 2H2O 1/2O2
CaSO4·2H2O CO2。
(1)
脱硫塔设计中，浆液喷嘴均匀布置在塔体内部，在不同高度向下均匀喷洒石灰石浆液，影响脱硫效率的主要因素为烟气速度分布。通过研究烟气流动得出脱硫塔内的主要流场特性。
不同工况下，流场内速度变化对脱硫效率影响较大，实际运行中，浆液中脱硫剂(Ca(OH)2(s))浓度、pH和煤中硫分基本不变时，反应效率随负荷变化如图4所示。可知在24 h内，脱硫效率a随负荷波动呈明显的反向变化趋势。且随着负荷上升，脱硫效率下降，相反负荷下降时，脱硫效率在短时间内明显上升，主要原因是增负荷过程中，烟气速度增加，原先烟气较集中的区域，烟气量进一步增加，导致短时间内局部大量SO2和少部分SO3无法与石灰石浆液完全反应，总体脱硫效率下降；反之当负荷下降时，之前高流量区域烟气量减少，脱硫效率上升，当负荷稳定时，流场内烟气速度分布处于稳定状态，石灰石浆液pH、浆液浓度和喷淋效果处于稳定状态，脱硫效率基本稳定。
图4 脱硫效率和负荷随时间变化
Fig.4 Change of desulfurization efficiency α and load with time
由于中间区域为主要反应发生区域，量化分析反应区域的立体速度分布不均程度。选取X-Y方向垂直高度为8、11、14、17、20 m截面，将空间分为4部分，通过体积加权方式得出整体速度不均匀度。
通过将截面分为N个单元面采用面积加权方式分析截面不均匀度λ，具体为
(2)
式中，Vj为单元面平均速度，
为截面平均速度，m/s；j单元面数；N为单元面数量。
单元部分中间截面速度不均度取上下截面的不均匀度平均数：
(3)
式中，ωi为单个截面平均不均匀度，%；λu为上截面不均匀度，%；λd为下截面不均匀度，%。
整体中间区域的速度不均匀度ω为
(4)
式中，
为中间区域速度不均匀度i段的上截面高度，
为i段下截面高度，m；hi为i段的高度，m；n为单部分的段数。
在原设计流场下，保持机组负荷、石灰石物理性质、浆液pH及喷淋投入不变，浆液制备设备稳定，研究入口速度对脱硫效率和不均匀度的影响，结果如图5所示。可知脱硫效率α在不同负荷下与ω的变化趋势基本相同，表明烟气速度分布为影响脱硫效率的主要因素，通过研究烟气流动能得出脱硫塔内的主要流场变化。
图5 α与ω随入口速度的变化
Fig.5 Change of α and ω with inlet velocity
对比优化前后塔体内的不均匀度，结果见表2。可知不同入口速度下，2个方案的塔体ω总体随入口速度的升高而降低，且优化方案采用栅板和导流板，11 m截面处ω降低约10%，14、17 m截面处降低约20%，主要是由于11 m截面处通过优化结构分流，烟气初步均流，14、17 m处，优化结构下并未形成大尺度涡，速度分布明显改善，除8和20 m处优化方案较高，其他位置优化后速度不均匀程度明显低于原设计。采用优化方案后，烟气流动明显改善。
表2 各工况下截面不均匀度ωi与中间区域不均匀度ω
Table 2 Cross-sectional inhomogeneity ωi and intermediate regional inhomogeneity ω in all loads
3.2 塔内流场分析
3.2.1 塔内速度分布
分析了不同高度X-Y截面速度分布，不同水平截面内，速度分布差异明显。无烟气流动干扰下，浆液雾滴在脱硫塔内均匀向下流动，但实际同一高度水平截面内的烟气速度分布不同，裹挟液滴能力不同。选取液相区以上高度为3.5(优化结构下方)、10(优化结构上方)、15、22 m的水平截面，以入口4 m/s为例，原设计与优化设计的速度差异如图6所示，可知差异主要体现在10 m和15 m截面，在该高度下，烟气流过均流板后，在水平截面内分布更均匀，相对原设计速度较低和速度过高区域面积明显减小，且中间位置烟气速度较高。原设计中速度较高的位置偏向一侧，截面烟气偏向导致差值超过2 m/s。高度3.5 m位置，下层烟气流动方面，优化设计方案低速区面积同样减少，同时烟气流出入口位置由于导叶2存在，导致烟气转向，形成一个向上汇聚的涡流，但经过均流板后消旋。在22 m处，原设计由于烟气从一侧向出口流动，烟气速度在水平分布上优于优化方案，优化方案的烟气由塔体中间位置向出口方向流动，在出口对侧出现明显的流动不畅区域。
图6 入口4 m/s不同高度截面速度分布
Fig.6 Velocity distributions on different height
sections under the inlet velocity of 4 m/s
以入口速度3.4 m/s为例，中间X-Z方向截面的速度分布如图7所示，可知原设计的结构流场中间截面，烟气进入塔内受入口结构影响，主流弯曲，之后与对侧的吸收塔壁面发生碰撞，流向在吸收塔顶部基本水平，从出口流出。流场内存在明显涡流，尺寸较大，直径为15～18 m，入口上部，烟气沿壁面下冲，运行中该位置发生下洗现象，浆液雾滴被裹挟至壁面位置，形成液膜向下流动，并导致入口石膏堆积，出现石膏层。同时由于惯性原因，超过80%的烟气从入口对侧流向吸收塔上部，该位置烟气速度较高，超过1.8 m/s，涡流中心位置的烟气速度则低于0.3 m/s。整个塔体内，入口方向的对侧、下部和上部都存在明显流动死区。总体上入口对侧的速度明显大于靠近入口一侧的速度，但喷嘴均匀布置，烟气速度分布容易造成塔体的脱硫效率在实际运行中低于设计值，只能依靠增加浆液循环量弥补，能耗较大。
图7 入口速度3.4 m/s中间截面速度分布
Fig.7 Velocity distributions on centre sections
under the inlet velocity of 3.4 m/s
优化设计方案中，烟气进入吸收塔后，先经过入口处导叶分配流量，靠近入口结构上部壁面区域约1/8烟气经过导叶1向上偏转，并通过均流板后向上流动，部分烟气流经导叶1和2之间的区域，由于导叶1弯曲导致通流截面缩小，烟气加速达到整个流场内最高速度4 m/s左右，之后流向均流板中间位置，流过均流板后继续向上流动。而入口中下部，约1/2烟气受导叶2影响，其向上偏转的位置被推迟。导叶2由直段和圆弧段构成，可减少阻力损失，同时使圆弧段位置更靠后，推迟转向，但烟气流过直段后，发生偏转的位置更靠近塔体中心，继续向上流动，烟气进入靠近入口对侧的均流板。通过导叶1和2入口的烟气被分配为3部分，较均匀分布在同一水平面。均流板设计区别于传统均流孔板与蜂窝器，其Y轴方向的板体为斜置，且偏向入口方向，使烟气流过入口后的斜向运动被抑制。由于入口一侧布置，导致烟气流入塔内后，在惯性作用下，不可避免向入口对侧偏转，导致靠近入口的上部空间出现涡流。实际运行中，由于塔内石灰石浆液的存在，内部湿度较高，烟气流过入口后即携带大量液滴，烟气混合物密度增加，流动惯性增强，涡流加强。而采用斜置均流板，该现象明显削弱，塔内没有与原设计流场内相似的涡流。为防止烟气沿壁面流动，将靠近壁面位置均流板偏转方向改为朝向塔体中心。采用均流板和入口导叶后，整个截面内无直径超过2 m的涡流，入口上部涡流尺寸明显减小，靠近上部位置的壁面附近无大量烟气沿壁面向下流动，浆液沿壁面流动和形成石膏层的可能性明显降低。
3.2.2 塔内动压分布
脱硫塔运行过程中，烟气与喷嘴射流之间的空间分布不均，使浆液颗粒与SOx接触在不同空间位置上存在较大差异，烟气过于集中在某一区域，分析X轴方向不同位置的动压，动压与速度的关系为
(5)
式中，p为动压，Pa；ρ为工质密度，空气密度为1.06 kg/m3；v为法向速度，m/s。
选取X-Z方向中间截面，以反应区中心点为原点，X方向为正方向，分析-5.5、-4.0、-1.0、3.0、5.8 m 处5条线上的垂直动压分布，如图8所示。
图8 不同工况下塔内动压变化
Fig.8 Dynamic pressure distributions in all loads
由图8可知，原设计方案在各工况下，总体上动压分布可分为3部分：入口段(0～6 m)、中间区域(7～20 m)、出口区域(20～24 m)。5.8、3.0、-1.0 m垂直高度上动压变化趋势与-4.0、-5.5 m相反。主要是由于塔体内中间截面的动压随高度变化波动较大，在入口、顶部出口处中间区域和入口一侧的烟气流动方向发生偏转，涡流导致垂直方向在出入口附近速度较低，中部区域后侧烟气局部速度增加明显，在该区域塔体的后部区域动压明显高于其他位置。中部区域为主要脱硫反应发生的区域，对脱硫效率影响较大。靠近入口位置的动压变化较早，但入口速度为3.4 m/s时，在中部区域动压分布区别于其他工况，后部-5.5 m在高度12～17 m变化早于-4.0 m位置，且动压高出20%左右，靠近中间位置动压较平缓，入口侧波动幅度有所增加。主要原因是入口烟气在底部发生偏转后向上流动，形成的主流贴壁向塔体中心位置移动，入口侧涡流尺度和位置发生变化。随入口速度增加，出口区域的冲击和转向现象增强，在22 m处，后部位置的动压下降，而靠近入口侧则有所上升。
采用导流板和均流栅板后流场内5 m后各位置的动压差异明显减小，中部主要脱硫反应区的动压差异减少约70%。入口和出口段动压明显较大，主要是由于靠近入口和出口一侧烟气进出流场时通流面积改变。
3.2.3 出口参数
出口截面的参数变化如图9所示，通过对比出口速度得到不同方案的烟气流动阻力，而湍动能反映烟气将浆液带出吸收塔的可能性，湍动能过大将增加除雾器压差，严重时导致降负荷甚至停机。不同入口速度下，优化方案的出口平均速度均大于原设计方案，有效减少引风机电耗，降低厂用电量。优化方案出口平均湍动能均小于原设计，且随着入口速度增加，降低程度增加，最高降低约50%。
图9 出口参数变化
Fig.9 Parameter changes of outlet
总体而言，原设计脱硫塔运行内烟气流动过程分布不均，使浆液和烟气内SO2和SO3在部分区域反应不完全，部分区域浆液过多。通过优化烟气分布，烟气被分割为3部分，并在多个弯转向上运动的过程中分配流量，通过斜向均流板，提高了烟气塔体速度分布的均匀程度，流动更顺畅，明显改善与浆液反应不完全或浆液过多等情况。
4 结 论
1)对脱硫塔进行整体优化，利用均流板进一步减少烟气流动的分布不均。塔内流场随负荷波动发生变化，对脱硫效率影响较大，脱硫效率变化与负荷呈负相关，烟气速度不均匀度与脱硫效率变化趋势相同。
2)原设计方案塔内流场存在明显涡流，且尺寸较大，直径为15～18 m，烟气流动偏向一侧，严重影响脱硫效率。
3)优化方案的烟气流动分布较均匀，流场内无大型涡流，有利于提高脱硫效率，中间反应区域动压差异减少70%左右。
4)不同负荷下，优化方案烟气流动阻力较低，出口速度相对原设计增加0.1～0.2 m/s，出口湍动能最高降低约50%，浆液被裹挟出塔的可能性降低。
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