维普资讯 http://www.cqvip.com 第５卷第１期 ２００７年３月 南京工程学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．５，Ｎｏ．１ Ｍａｒ．，２００７ 文章编号：１６７２—２５５８（２００７）０ｌ一００３５—０６ 液体分布环对喷淋塔中烟气流场 影响的数值模拟 杨贤平 ，赵长遂 ，陈晓平 ，朱皑强 ，丁克强 ，薛云波 （１．东南大学浩净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室，江苏 南京，２１００９６； ２．南京工程学院，江苏 南京，２１１１６７） 摘要：湿法烟气脱硫是目前广泛使用的烟气脱硫技术．喷淋塔是湿法脱硫系统的核心设备，它的优化设计对于提 高脱硫效率至关重要．通过对南京工程学院湿法烟气脱硫系统喷淋塔的数值模拟，分析了液体分布环（ＬＤＲ）对塔 内烟气流场的影响．研究结果对喷淋塔的优化设计具有一定的指导作用和实际意义． 关键词：烟气脱硫；喷淋塔；数值模拟；液体分布环 中图分类号：Ｘ７０１．３ 文献标识码：Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ０ｆ ＬＤＲ ｏｎ Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ ｉｎ Ｓｐｒａｙ Ｓｃｒｕｂｂｅｒ ＹＡＮＧ Ｘｉａｎ—ｐｉｎｇ ，ＺＨＡＯ Ｃｈａｎｇ—ｓｕｉ ，ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ—ｐｉｎｇ ，ＺＨＵ Ａｉ—ｑｉａｎｇ ， ＤＩＮＧ Ｋｅ．ｑｉａｎｇ ．ＸＵＥ Ｙｕｎ．ｂｏ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｌｅａｎ Ｃｏａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｙｒ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １ １ １ ６７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅｔ Ｆｌｕｅ Ｇａｓ Ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ（ＷＦＧＤ）ｉｓ ａ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ａ ｓｐｒａｙ ｓｃｒｕｂｂｅｒ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ＷＦＧＤ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｃｒｕｂｂｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｕｌｆｕ・ ｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ ｒｉｎｇ（ＬＤＲ）ｏｎ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｓｐｒａｙ ｓｃｒｕｂｂｅｒ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｊｅｃｔ ｈａｓ ｅｅｎ ｂｎａｌａｙｚｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃｌａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｌｙ ｈｅｌｐｆｕｌ ｏｆｒ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｓｐｒａｙ ｓｃｒｕｂｂｅｒｓ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｕｅ ｇａｓ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ｓｐｒａｙ ｓｃｒｕｂｂｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｌｉｑｕｉｄ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ ｒｉｎｇ 湿法烟气脱硫是目前使用最为广泛和成熟的脱硫方法，喷淋塔是湿法脱硫系统中的核心设备．在脱硫 系统中，石灰石浆液通过浆液循环泵送至布置于塔中不同高度的喷淋层的喷嘴，经喷嘴雾化形成分散的小 液滴并以一定速度向下运动，同时，烟气逆流向上流动，在气液充分接触的过程中对二氧化硫进行洗涤，从 而实现烟气脱硫 卜引． １试验装置背景 南京工程学院湿法烟气脱硫装置是国家财政部与江苏省的共建项目．本项目以国家大气二氧化硫污 收稿日期：２００６—１２—２７；修回日期：２００７一Ｏｌ一２Ｏ 作者简介：杨贤平（１９８１一），男，硕士研究生，主要从事烟气脱硫方面的研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｍｙａｎｇｘｉａｎｐｉｎｇ＠１２６．ｃｏｎｌ 维普资讯 http://www.cqvip.com 南京工程学院学报（自然科学版） ２００７年３月 染治理目标为依据，具体方案紧扣火电厂烟气脱硫治理技术，目的是深入研究烟气脱硫技术中的制约因素 和实现设备的国产化，缩短我国电厂烟气脱硫设备与国外的差距，强化电厂烟气脱硫工程实践环节，克服 烟气脱硫相关实习中存在着的设备装配、操作与检修等困难．南京工程学院以本项目的实施为基础，在高 校中率先建立火电厂烟气脱硫技术试验中心．该中心是现代分析测试技术和电子技术相结合在烟气脱硫 技术中的应用与发展，是对现有校内相关实习基地的深化和提高，有利于高质量燃煤电厂污染物控制和环 保专业人才的培养． ２脱硫系统及液体分布环 南京工程学院湿法烟气脱硫装置系统系仿制电站脱硫系统建立．考虑实际情况，其中有些系统做了相 应简化．整个脱硫系统由石灰石输送系统、制浆系统、模拟烟气系统、二氧化硫吸收系统、氧化系统、石膏脱 水系统、供排水系统、热工控制系统七个子系统构成，其中二氧化硫吸收系统是整个脱硫系统的核心．在吸 收塔内，含硫烟气自下向上流动，与来自顶部喷淋层的浆液逆流进行接触反应，从而完成脱硫反应． 脱硫系统基本的运行步骤是：石灰石粉经星形加料器送至制浆器中；在制浆器中，石灰石粉与一定比 例的水充分混合，制成石灰石浆液排入浆液池中；在浆液池中，搅拌器将其充分搅拌；制好的浆液通过石灰 石浆液泵间断性补充到吸收塔内；脱硫烟气通过烟气系统进入脱硫塔，同时浆液由布置于塔内的喷嘴喷 出，在气液接触过程中完成脱硫反应．脱硫副产品石膏通过石膏浆液排出泵从吸收塔浆液池抽出，输送至 石膏旋流器（初级脱水），然后用离心脱水机（二级脱水）进行过滤脱水．湿法脱硫装置系统如图１…所示． １．粉堆，２．石灰石粉仓，３．星型加料器，４．水粉混合器，５．石灰石浆液池，６．浆液泵，７．水泵，８．水池，９．冲洗水泵 １０．防雨罩，ｌ１．除雾器，ｌ２．脱硫塔本体，ｌ３．喷淋层，ｌ４．搅拌器，ｌ５．循环浆液泵，ｌ６．石膏排出泵，ｌ７．旋流器， ｌ８．离心脱水机，１９．旋流池，２０．循环泵，２１．氧化风机，２２．加热器，２３．鼓风机，２４．Ｓ０ 气瓶，２５．ＮＯ，气瓶 图１ 石灰石一石膏湿法烟气脱硫中试装置系统图 液体分布环（ＬＤＲ）是布置于浆液喷嘴下部的一圈环状结构，如图２所示．在脱硫系统运行时，浆液通 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５卷第１期 杨贤平，等：液体分布环对喷淋塔中烟气流场影响的数值模拟 ３７ 过喷嘴高速喷出，并雾化为浆液液滴．液滴在下行过 程中和自下而上通过的烟气进行脱硫反应．烟气脱硫 效率受到诸多因素的影响，其中之一是烟气流场在塔 内的分布情况．在浆液喷淋过程中存在一个从喷嘴喷 出的液滴离塔壁面的最佳距离：若浆液喷出后离塔壁 较远，必然导致浆液不能喷射至壁面，烟气容易通过 边壁逃逸，脱硫效率下降；若浆液喷射至塔壁，由于浆 液出口速度一般可达到１０ ｍ／ｓ以上¨ ，而且浆液中 通常含有石灰石固体颗粒，极易造成塔内壁上玻璃鳞 图２ 分布环在塔内布置及作用示意图 片树脂的磨损，给常年运行的脱硫系统带来安全隐 患．设置液体分布环不仅可以有效地解决上述矛盾，而且还能有效地改进塔内烟气流场，提高脱硫效率． ３数值模拟 ３．１物理模型基本参数 南京工程学院湿法脱硫系统由于受到场地空间的限制，系统中未设置烟 塔壁 囱，脱硫后的洁净烟气直接从脱硫塔出口排人大气．本文的数值模拟选用该 ￡１ 湿法烟气脱硫系统中的喷淋塔作为研究对象，其具体参数为：烟气进口速度 分布环 Ｖ＝３．７３ ｍ／ｓ；出口压力Ｐ＝１０１ ３２５ Ｐａ；脱硫塔高度１０．５ ｉｎ；脱硫塔内径０．８ Ｌ２ ｌ ｉｎ；烟气人口角度上倾１０。；人口尺寸０．２５ ｉｎ×０．６ ｉｎ；液面距塔底２．５ ｉｎ；第一 、 级除雾器下表面距塔底８．２ ｉｎ；三个液体分布环距离液面高度分别为２．２、 ３．４、４．６ ｉｎ． ÷／ 分布环尺寸如图３所示．图３中：ｏｔ＝４５～９０。；Ｌ１＝１０ ｍｍ；Ｌ２＝２５～ ７５ ｍｍ． 图３液体分布环尺寸 ３．２喷淋塔流场数值模拟 由于脱硫系统实际运行时存在着烟气与液滴的传热传质、液滴的破碎，且发生脱硫反应，对实际的喷 淋塔内部情况做数值模拟存在很大困难．本文仅研究无喷淋条件下液体分布环对烟气流场的影响．因此假 设：（１）由于烟气进入脱硫塔前已经过静电除尘器除尘，烟气可视为不含颗粒相的单相气体，采用常温空 气模拟；（２）流动为定常，不可压缩流动且各向同性；（３）喷淋塔壁为绝热壁面；（４）不考虑除雾器、喷淋层 及浆液面对烟气流场的影响 根据流体流动理论，喷淋塔内的流动是三维湍流流动．由于湍流的复杂性，通常需要借助合适的湍流 模型．ｋ一 模型考虑了对流和扩散对脉动速度的影响，常被用于计算有回流的流动及三维边界层流动．由 于脱硫塔内存在回流，且计算区域较多，采用应用较多的ｋ一 双方程湍流模型 ． 本数值计算区域为液面以上高度至第一级除雾器下表面，高度为５．７ ｉｎ．为考察脱硫塔中设置液体分 布环及其结构对烟气流场的影响，利用Ｆｌｕｅｎｔ软件对喷淋塔空塔内流场进行三维数值模拟，采用ＧＡＭＢＩＴ 创建四面体网格，对计算区域进行网格划分（其中 平面平行于塔横截面，中心点为浆液面圆心， 正方 向于烟气进口同向，Ｙ方向垂直于 方向，ｚ轴指向塔出口的中心线方向）．选用ｋ一 双方程湍流模型，显 示差分格式，用ＳＩＭＰＬＥ算法进行计算 。Ｊ． 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５卷第１期 杨贤平，等：液体分布环对喷淋塔中烟气流场影响的数值模拟 ３９ 面上的速度分布情形与 ＝３ ｍ截面较为类似，都表现为中间流速高于壁面附近流速．由图５还可看出，无 分布环时， ＝５ ｍ截面上仍然为塔内左侧速度高，右侧速度低，两者相差较大；但布置分布环后，塔内速度 便变得比较均匀，塔中心速度略高于塔边缘速度，这种速度分布对提高脱硫效率有重要作用． 图６为塔内 ＝２、３、４、５ ｍ各截面的速度等值图，综合显示出在整个塔体截面上的速度．由图６（ａ）可 以看出，在塔的中心处速度变化不大，整体上仍是左边速度大，右边速度小，这种速度分布对脱硫是不利 的．图６（ｂ）反映出布置分布环后，烟气流场得到很大改善：由最初的左边缘速度大，逐渐变为塔中心处速 Ｌ： 麓；；ｌ∞●∞∞∞∞∞，，摹●●●∞∞∞∞；ｌ釜ｌ●ｌ●∞∞ｌ Ｉ 度略大于塔壁处速度，且这种变化相当明显． ●●■— ｍ ｏ 分 ● ●●●● （ｂ）有液体分布环 ｚ＝３ ｍ ｚ＝４ ｍ ｏ＇ｎｐ￣ 图６ ｚ＝２、３、４、５ ｍ各截面速度等值图 ３．３．２入口烟气流速对烟气流场的影响 分别在烟气人口速度为２ ｍ／ｓ、３．７３ ｍ／ｓ、５ ｍ／ｓ下进行数值模拟，结果如图７所示．图７表明，在上述 初始速度下，液体分布环对烟气流场的整流效果类似，最终都使流场渐变为中心流速略高于塔内边壁流 速，对提高脱硫效率有一定影响 ， ，引． ●ｏ Ｉ◆ ●●● Ｖ ｚ＝５ 。ｌＬ ：２ ｖ＝３．７３ ｍ／ｓ — 图７各烟气入口速度条件下ｚ＝ｌ ｍ、ｚ＝５ ｍ截面等值图 ３．３．３ 液体分布环角度对烟气流场的影响 ．保持液体分布环覆盖宽度Ｌ２＝５０ ｍｍ不变，分别取分布环角度 为４５。、６０。和９０。进行数值模拟，结 果发现，在烟气流速相同和 不变的条件下，各种分布环角度对烟气流场的影响相类似，都对烟气流场表 现出强烈的整合作用，对均匀塔内烟气流场作用明显．这一结果表明，在实际应用中，为提高脱硫效率和设 备安全性，可以选取易于加工、制作和安装的液体分布环安装在脱硫塔内． 维普资讯 http://www.cqvip.com 南京工程学院学报（自然科学版） ２００７年３月 ３．３．４液体分布环覆盖宽度 对烟气流场的影响 分别取分布环覆盖宽度 为２５ ｍｍ、５０ ｍｍ、７５ ｍｍ进行数值模拟，其结果见图８．由图８可见， 尺 寸的大小对烟气流场的影响很明显， 越大，对烟气流场整流效果越显著．在Ｌ２＝２５ ｍｍ时，对烟气流场 的影响很小，和不布置分布环时差不多．因此，液体分布环对烟气流场的影响主要通过覆盖宽度 起作 用．在设置分布环时，主要考虑的因素是 尺寸． ５８．．∞ ３５●・∞ ＇２．．∞ ８ ∞ 高度 ∞●・∞ ４３．．∞ ２１ｅ．，００ ９ｅｅ￣Ｏ０ 高度 ∞ ￥２ｅ－Ｏ０ ２９￣．００ ＯＳＩ＋Ｏ０ 高度 ８３ｅ４００ ∞●◆Ｏ０ ７●・Ｏ０ １●●・Ｏ０ １６ｅ－０１ ８７ｑ＞，０１ ￥８４Ｗ０１ ２５ ●Ｄｌ ＯＤ． Ｏ０ 图８ 尺寸Ｌ２对烟气流场的影响 ４ 结论 （１）不论有、无液体分布环，单侧入Ｅｌ的烟气进入喷淋塔后，由于烟气卷吸作用，会形成两个明显的回 流区．主要的回流区在烟气人口上方，下部一个小的回流区位于液面之上． （２）液体分布环在脱硫塔内具有两方面的作用：一是能避免布置喷淋层时遇到的困难，防止烟气从塔 壁逃逸或避免喷淋浆液冲刷塔壁，造成塔壁的磨损；二是可以对塔内烟气进行整合，均布塔内烟气流场，提 高脱硫效率． （３）在分布环覆盖宽度 不变条件下分布环的各种角度对烟气流场的影响相对较小，烟气流场的变 化主要取决于 尺寸，这对优化脱硫塔的设计有一定指导意义． 参考文献： ［１］钟秦．燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２， ［２］ＺＨＯＵ Ｑ Ｌ，ＨＵＩ Ｓ Ｅ，ＸＵＴＭ，ｅｔａ１．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅｍｕｈｉｐｈａｓｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｏｆｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎｉｎ ｗｅｔｆｌｕｅ ｇａｓ ｄｅｓｕｌｆｕｒａｔｉｏｎ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ０ｆ ｔｈｅ Ａｓｍｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００５，ＰＴＳ Ａ ＡＮＤ Ｂ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＳＭＥ，２００５：７７９—７８３． ［３］ 唐志永，仲兆平，孙克勤，等，湿法脱硫喷淋塔空塔流场数值模拟［Ｊ］，能源研究与利用，２００３（２）：１０—１２． ［４］ 李仁刚，管一明，周启宏，等．烟气脱硫喷淋塔流体力学特性研究［Ｊ］．电力环境保护，２００１，１７（４）：４—８． 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