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托盘式湿法烟气脱硫塔阻力特性研究

吴一帆1 王宏利1 秦明臣2 李海龙2

(1.北京博奇电力科技有限公司,北京市朝阳区,100022; 2.清华大学煤燃烧工程研究中心,北京市海淀区,100084)

摘 要采用冷态物理模型结合商用 CFD(Computational Fluid Dynamics)软件,对山东某火电厂300 MW机组配套托盘塔的流场和阻力特性进行了研究,取得了孔板阻力损失与液气比之间的二次函数关系。研究结果表明,塔内两相流场分布合理,入口处液滴受烟气的拖拽作用形成明显的干湿界面,负荷和液气比是影响脱硫塔阻力的重要因素。当液气比一定时,托盘上方能够维持相对稳定的持液层及鼓泡过程;满负荷运行时,脱硫塔阻力损失约为1600 Pa,其中孔板占1/4,持液层占3/4。拟合获得了托盘区阻力损失同液气比之间的关系,为托盘塔的应用、运行及优化提供了理论指导。

关键词 湿法脱硫 托盘 阻力特性 数值模拟 流场

随着我国火电厂燃煤污染物排放标准的日益提高,部分重点地区将 SO2 排放值限制到30 mg/Nm3,这就使得传统的钙基湿法脱硫工艺显得脱硫乏力。多孔合金托盘作为一种有效的脱硫增效方法,正逐渐应用于现有湿法烟气脱硫的改造项目中。它是一个在多孔板上方布置有持液格栅的两相逆流托盘,液体经孔向下排出,与此同时烟气气泡向上穿过液体,喷淋浆液能够在托盘上方形成鼓泡,从而强化气液传质,提高脱硫效率[1]。与传统的脱硫塔相比,托盘塔系统运行的经济性和多孔托盘及持液层造成的阻力损失密切相关,因此研究孔板阻力损失与液气比之间的关系具有重要意义。

对喷淋塔的研究分别有试验和数值模拟这2种常用方法。试验方法结果虽然相对准确,但费时费力,国内采用试验方法对喷淋塔两相流动阻力特性进行系统分析的案例较少;而采用数值模拟的方法却可以减少试验、缩短研发周期、节约资金[2-3]。本文综合这2种方法,采用冷态物理模型结合商用 CFD软件,对喷淋塔的阻力特性进行研究,为托盘式湿法脱硫塔的运行和优化提供了理论指导。

1 研究对象

研究对象为山东某火电厂300 MW超临界燃煤机组配套脱硫系统,每台机组设置1套石灰石-石膏湿法脱硫装置,脱硫系统不设GGH,增压风机与引风机合并设置,不设旁路烟道。研究对象边界为脱硫塔入口至出口烟道。脱硫塔内导流板设置已进行优化,孔板开孔率为0.4,孔径为60 mm。托盘塔系统内构件布置示意如图1所示。

2 模型试验

2.1 数值模拟

喷淋塔内实际是一个涉及气、液、固三相流动的复杂过程,模拟对象为脱硫塔主体区域,包括入口烟道、脱硫塔及部分出口烟道。为简化模型,采用基本假设[4]如下:

(1)烟气为不可压缩理想气体,忽略连续中其它成分的影响,模拟烟气为热空气;

(2)认为入口水蒸气达到饱和,液滴均匀分布,忽略其蒸发、碰撞、破碎和合并;

(3)液滴碰壁认为逃逸,停止对其计算;

(4)除雾器简化为多孔介质,孔板简化为多空跳跃介质。几何尺寸及物理参数见表1。

图1 托盘塔系统内构件布置示意

1 几何尺寸及物理参数

塔体直径/m入口水力直径/m入口倾角/(°)喷淋层间距/m喷淋层数/个入口烟温/℃烟气密度/(kg·m-3)运动黏度/(m2·s-1)液滴密度/(kg·m-3)液滴直径/μm144.5610251450.902.195×10-511452900

由于脱硫塔内离散相体积分数普遍小于5%~10%,采用Euler-Lagrange方法能取得较高的准确度[5-6]。连续相和离散相控制方程见式(1)和式(2):

式中:ρg——烟气密度,kg/m3

φ——通用变量;

Γφ——广义扩散系数;

S——广义源项;

uv——分别为气、液相速度矢量,m/s;

μg——动力黏度,Pa/s;

ρd——液滴密度,kg/m3

dd——液滴粒径,m;

CD——液滴系数;

Re——雷诺数;

g——重力加速度,m/s2

喷淋层及导流板采用非结构化网格并适当加密以提高计算精度,总网格数约为400万,整体及局部网格划分情况如图2所示。

压力速度耦合方式为压力耦合方程半隐式方法,动量离散采用二阶迎风差分格式。引入具有较高精度且计算量较小的Realizable K-epsilon湍流模型来实现控制方程组的封闭求解,近壁面选用标准壁面函数。边界条件为设定入口速度、当量直径和湍流强度,压力出口为一个大气压,壁面无滑移,液滴碰壁、触及接液盘和底部液面时逃逸。

2.2 冷态物理模型

本物理模型的冷模缩小比例为1∶15,冷态物理模型试验系统主要有进风烟道、鼓风机、冷态物理模型、测试系统、试验台架、配电控制柜、液体流量计、水泵、浆液池等,托盘塔物理模型试验系统如图3所示。

速度采用毕托管配合Testo512差压仪(量程分为 0~17.5 m/s与0~55 m/s,差压量程分别为0~2 hPa和0~20 hPa)与热线风速仪(量程为0~20 m/s,精度±0.03 m/s)进行测量,托盘部分阻力损失采用U型管进行测量,量程±1000 Pa,托盘部分阻力损失测试如图4所示。

图2 整体及局部网格划分

图3 托盘塔物理模型试验系统

图4 托盘部分阻力损失测试

3 结果及分析

3.1 数模试验分析

为了定量评价速度分布的均匀性,用速度的标准偏差定义气流均布系数,其计算方法见式(3):

(3)

式中:Cv——气流均布系数;

σ——标准偏差;

平均值。

两相流动工况下塔内烟气速度分布如图5所示。

由图5可以看出,烟气速度矢量方向清晰,截面速度偏差较小,孔板出口速度Cv值为0.31,第一层喷淋层入口烟气流速Cv值稍微大一些,约为0.36,喷淋层间及除雾器入口的速度分布均匀度系数分别小于0.3和0.2,塔内各截面速度分布均匀程度介于0.3~0.4,处于工程许可范围之内,流场分布较为均匀,通过安置托盘能够有效地提升脱硫塔内部的流场分布均匀性。

塔内浆液浓度分布及喷淋状态如图6所示。

图5 塔内烟气速度分布

图6 塔内浆液浓度场及喷淋状态

由图6可以看出,塔内各喷淋层浆液浓度覆盖效果较好,浆液相流场分布较均匀,只有入口处液滴受烟气的拖拽作用有一定程度的偏转,造成局部浆液浓度较高,出现明显干湿截面,托盘下方由于烟气与液滴并非严格的逆向流动接触,造成烟气拖拽液滴发生液滴运行轨迹偏离正常路径的现象,与工程实际情况相符。

不同负荷下塔内各截面气流均布系数及系统阻力损失统计见表2。

2 不同负荷下塔内各截面气流均布系数及系统阻力损失统计

运行负荷/%入口/%喷淋层入口/%2~3层/%3~4层/%4~5层/%除雾器入口/%出口/%托盘阻力/Pa系统阻力/Pa1009.33128232612124091672 759.53131252818142541013 509.5353929321714125506 359.838413133201379317

由表2可以看出,不同负荷下脱硫塔内部速度场、压力场分布规律基本一致,计算模型在不同负荷下的烟气流场具有较强的适应性,能够准确地反映出不同负荷下脱硫塔内部的阻力特性。

笔者从满负荷到低负荷依次对100%、75%、50%和35%这4种运行负荷进行了模拟计算,托盘阻力和脱硫塔系的统阻力与运行负荷的关系如图7所示。

由图7可以看出,在100%、75%、50%和35%负荷下,托盘的阻力分别为409 Pa、254 Pa、125 Pa和79 Pa,脱硫塔的系统阻力分别为1672 Pa、1013 Pa、506 Pa和317 Pa,不同负荷下托盘阻力损失约占系统阻力损失的25%。由计算结果可知,托盘及脱硫塔的系统阻力是随着烟气量负荷的增加而增加。其主要原因是在脱硫塔运行参数不变的前提下,随着烟气负荷量的增加,烟气在脱硫塔内的流速增加,从而引起脱硫塔内部的局部压力损失的变化,局部压力损失与烟气流速的平方成正比,因此增加烟气运行负荷会导致烟气流经托盘、除雾器等其它部件时产生的局部压力损失增加,从而导致整个脱硫系统的压损增加。

图7 托盘阻力和脱硫塔系的统阻力与运行负荷的关系

3.2 物模试验验证与分析

测试得到100%工况与75%工况下系统阻力损失、托盘与液气比之间的关系,各工况下分别得到相应的4个点,阻力损失与液气比近似成线性关系,为了研究更好地拟合各工况点,采用二次曲线进行拟合,得到曲线关系,100%和75%负荷条件下液气比对系统阻力损失的影响如图8和图9所示。

图8 100%负荷条件下液气比对系统阻力损失的影响

图9 75%负荷条件下液气比对系统阻力损失的影响

由图8和图9可以看出,托盘阻力及脱硫塔系统阻力随气液比的增加而增加。其主要原因是在保持烟气运行负荷不变的前提下,气液比的增大意味着在单位时间内喷淋层区域内喷淋浆液的持液量增加,喷淋浆液占据了喷淋层区域更多的自由流动空间,因此导致了通过喷淋层区域单位体积内的烟气流速的增加,从而增加了喷淋层区域的压损。

通过试验数据取得了孔板阻力损失与液气比之间的二次函数关系见式(4)~式(7):

100%烟气负荷系统阻力损失见式(4):

(4)

式中:ΔP——系统阻力损失,Pa;

L/G——液气比 ,L/m3

托盘阻力损失见式(5):

(5)

75%烟气负荷系统阻力损失见式(6):

(6)

托盘阻力损失见式(7):

(7)

通过推导公式(4)~式(7),可以计算出物模试验在100%和75%负荷烟气工况下,液气比为20 L/m3(数模气液比设置的参数)时,系统阻力损失分别为1573 Pa和914 Pa,托盘阻力损失为398 Pa和243 Pa,托盘阻力约占系统总阻力损失的25%。从试验测试结果来看,托盘和脱硫塔系统压损的测量数据与数模计算结果相符合,物模试验与模拟计算结果进行了相互验证。笔者采用的物理试验及模拟计算模型均能较为真实地反映托盘式湿法烟气脱硫塔阻力特性。

试验结果显示,液气比还会影响干湿界面的位置,当液气较小时,干湿界面位置会向后推移,液气比对入口干湿界面位置的影响如图10所示。数模与物模得到的入口干湿界面位置对比如图11所示。

由图10和图11可以看出,通过物模试验的验证,模拟结果能准确反映入口真实的气液两相流动状态。

由于喷淋密度较大,塔内液气比较高,托盘中间位置处的持液状态看不到,托盘持液层鼓泡过程及塔内喷淋层的布液情况如图12所示。

图10 液气比对入口干湿界面位置的影响

图11 数模与物模得到的入口干湿界面位置对比

图12 托盘持液层鼓泡过程及塔内喷淋层的布液情况

从物理模型测试结果及喷淋状况总体来看,烟气入口并不存在回流,托盘持液效果较好,没有液泛及干板现象发生,各层导流板形成的塔壁瀑布对喷淋影响不明显,不会破坏喷淋层的雾化效果。

由以上模拟及试验结果分析可知,托盘塔可取得较好的塔内气液两相均匀分布,塔内托盘的鼓泡作用也增强了气液传质能力。已有研究表明,在液气比同为20 L/m3时,托盘塔比常规脱硫塔效率增加6.83% [7],可达到98.5%。

4 结论

(1)从模拟结果可以看出,托盘塔内气液相流场分布均匀,孔板托盘有较好的流场整合作用,有利于烟气与吸收剂的充分接触。

(2)从模拟结果和物模试验结果可以看出,烟气运行负荷和液气比对托盘压损及脱硫系统压损产生较大的影响,液气比会影响脱硫塔入口干湿界面的位置。

(3)模拟计算及物模试验对托盘压损和脱硫塔系统压损及汽液干湿界面分布计算结果一致,说明模拟计算可以准确反映塔内压力分布及烟气流动过程,为托盘式湿法烟气脱硫塔的设计和改造提供理论依据。

(4)喷淋区和托盘区是托盘塔内压降主要构成区域,满负荷运行时,塔内托盘造成的阻力损失约为400 Pa。拟合获得了托盘区阻力损失同液气比之间的关系,为托盘塔的应用、运行及优化提供了理论指导。

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[3] 陈鸿伟, 李树华. 基于CFD技术的脱硫喷淋塔阻力特性的研究[J]. 电站系统工程,2010, 24(6):24-26.

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[6] MAROCCO L. Modeling of the fluid dynamics and SO2 absorption in a gas-liquid reactor[J]. Chemical Engineering Journal,2010,162(1):217-226.

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Study on resistance characteristics of tray type wet flue gas desulfurization tower

Wu Yifan1, Wang Hongli1, Qin Mingchen2, Li Hailong2

(1. Beijing Boqi Electric Power Sci-Tech Company Ltd., Chaoyang, Beijing 100022, China; 2. Coal Combustion Engineering Research Center, Tsinghua University, Haidian, Beijing 100084, China)

Abstract The fluid flow field and resistance characteristics of a wet scrubber with tray in a 300 MW power unit of a thermal power plant in Shandong were studied by commercial CFD software and a cold physical model, and the quadratic function between resistance loss of orifice plate and liquid-to-gas ratio was obtained. The results showed that the distribution of two-phase flow field in the scrubber tower was reasonable, and the droplets at the scrubber entrance were dragged by the flue gas to form an obvious gas-liquid interface, and the load and liquid-gas ratio were the important factors influencing the resistance of desulfurizer. When the liquid-gas ratio was fixed, the relatively stable liquid holding layer and bubbling process could be maintained above the flow equalizing plate; under full load operation, the pressure drop of the scrubber was about 1600 Pa, of which the resistance of orifice plate accounts for 1/4, while the rest was caused by the weight of gas-liquid mixture. The relationship between resistance loss of tray part and liquid-gas ratio was fitting obtained, which provided theoretical guidance for the application, operation and optimization of the wet scrubber with tray.

Key words wet desulfurization, tray, resistance characteristics, numerical simulation, flow field

中图分类号 X701.3

文献标识码 A

引用格式:吴一帆,王宏利,秦明臣等. 托盘式湿法烟气脱硫塔阻力特性研究[J].中国煤炭,2020,46(4):70-76.

Wu Yifan,Wang Hongli, Qin Mingchen,et al. Study on resistance characteristics of tray type wet flue gas desulfurization tower[J]. China Coal, 2020, 46(4):70-76.

作者简介:吴一帆(1986-),男,河北唐山人,硕士,工程师,主要研究方向为流体力学计算机仿真模拟。E-mail:wuyifan518624@163.com。

(责任编辑 王雅琴)