集成内循环烟气流化床脱硫塔内流动特性-

1、集成内循环烟气流化床脱硫塔内流动特性张立强马春元宋占龙齐国杰(山东大学能源与动力工程学院,机械工程学院博士后流动站,济南250061摘要:针对脱硫塔内烟气的偏流问题,提出了直导流板加旋流结构的措施,应用CFD软件包FLUENT平台对导流板的尺寸、位置、数量进行了优化,得到了烟气入口调节的优化方案。通过工业流场试验对数值计算结果进行了验证,结果表明:采用烟气调节措施后,流场均匀性得到明显的提高。计算和工业试验数据一致,表明采用合适的计算模型,数值计算能取得良好的模拟结果。关键词:集成内循环;脱硫塔;流场;数值模拟;工业试验THE GAS FLOW CHARACTERISTICS IN THE I

2、NTEGRATED INNER-CIRCULATING FLUIDIZED BED FLUE GAS DESULFURIZATION TOWERZhang Liqiang Ma Chunyuan Song Zhanlong Qi Guojie(Mobile Post-doctoral Center of Mechanical Engineering,School of Energy andPower Engineering,Shandong University,Jinan250061,ChinaAbstract:In order to solve the problem of the asy

3、mmetric flow-fields in the tower,this article puts forward some valid im-provement measures by fixing the straight rectifying plates and the rotational flow structure.Different dimensions,positions and the quantities of the rectifying plates are studied and compared by numerical simulation with the

4、CFD software FLUENT.The optimization of adjustment method is presented in this paer.Then,the industrial experiment is carried to verify the results of the numerical sumulation.The results indicated that the flow fields in the tower is adjusted to an ideal state by these methods. The numerical result

5、s are correspondence with those of the industrial experiment,so that the numerical simulation is an effec-tive tool to study flow fields in the tower by the suitable models.Keywords:integrated inner-circulating;desulfurization tower;flow field;numerical sumulation industrial experiment0引言烟气循环流化床脱硫工艺

6、已成为中小型燃煤电厂主要烟气脱硫工艺之一,其优点是占地少,投资省,在国内已应用于100 300MW机组1。随着脱硫装置的放大,烟气流动特性以及流场的均匀性成为影响系统稳定运行和脱硫效率的主要因素之一2。均匀的流场是烟气和脱硫剂充分接触反应的必要条件。目前很多学者对脱硫塔内的流场进行了大量的研究,分析了提高烟气流动均匀性的措施,但这些研究有的以数值计算为主3,有的以实验室试验或小型中试装置为研究对象4,对于工程试验还未见有关文献报道。针对我们自主研发的集成内循环烟气流化床脱硫技术,由于该脱硫塔在结构上有别于常规的循环流化床,为提供必要的运行参数,研究其流动特性是非常必要的。本文首先采用数值计算方

7、法对设计方案进行了优化,提出了改善流场均匀性的措施,对塔内流场进行了预测。装置建成之后进行了工业试验,对提出的改进流场均匀性的措施进行了试验验证,同时研究了大型脱硫塔内烟气的流动特性以及负荷变化特性,从而保证气固两相在该流化床中稳定均匀流动,为系统的稳定运行提供了依据。1脱硫装置1.1装置简介本文研究的是某发电厂140MW机组烟气脱硫装置,处理烟气量为300000m3/h,在钙硫比为1.3的工况下,设计脱硫效率为90%。脱硫装置采用集成内循环双速流化床烟气脱硫塔,脱硫系统及测点位置如图1所示,脱硫塔主要由文丘里段、渐扩段、快速段、旋流段、慢速段以及出口惯性分离装置组成。382010年4月第28

8、卷第2期1喉口;2渐扩段1;3快速段;4渐扩段2;5旋流段;6慢速段;7惯性分离器;8一层测点;9二层测点;10三层测点;11四层测点;12电除尘器;13引风机;14烟囱;15灰斗图1脱硫系统及测点位置1.2提高均匀性的措施由于烟气自脱硫塔一侧进入,在惯性作用下冲向对面,造成塔内气流的偏斜。研究表明,在脱硫塔入口增加导流板、加装烟气分布器、采用不等径文丘里管等措施均是提高塔内流动均匀性的有效手段,其中直导流板由于结构简单、不易积灰等优点在工程中得到广泛应用。此外,在塔内形成旋转气流也能提高塔内烟气的均匀性。快速段和慢速段是脱硫反应的主区域,该区域的流场对于脱硫反应的进行产生重要的影响。因此本文

9、主要研究导流板和旋流装置对快速段和慢速段流场的影响。2数值模拟计算2.1数学模型由于该脱硫塔底部有旋流装置,在塔内产生旋转流场,标准k-模型无法模拟出合理的结果5,这是因为标准k-模型采用了湍流局部各向同性的假设,难以描述各向异性的强旋流动。雷诺应力模型(RSM对于高旋转流场的模拟具有良好的表现6,主要应用于湍流运动的机理研究中,由于计算量非常大,因此目前还很少用于几何形状复杂的工程问题中。RNG k-模型是标准k-模型的修正模型。研究表明该模型对模拟强旋流流场及高曲率流线的旋风分离器有更好的改进效果,是目前可行的模拟方法7。本文采用RNG k-湍流模型计算气相流场,离散方程组采用求解压力速度

10、耦合方程的半隐式方法SIMPLE算法求解,扩散项离散采用中心差分,逐行迭代。对流项采用二阶精度的QUICK格式进行离散以保证计算精度。采用该方法脱硫塔内流动进行了大量的数值模拟工作,对塔内流场进行优化。计算时的边界条件为:入口气体为烟气,速度和设计值相等为12m/s,压力出口边界条件。2.2计算结果分析取四种典型工况进行分析(图2,第1种为不采取任何措施的脱硫塔,烟气经弯头进入塔底直接向上流动(称为空塔;第2种在空塔结构的基础上增加直导流板;第3种在空塔的基础上设置切相旋流装置,脱硫塔底部采用夹层结构,中心为直流,夹层间的气流上升一段后在切向导流叶片的作用下切向进入塔内,形成中心直流,四周旋流

11、的流动结构(简称旋流结构;第4种是在第3种结构的基础上增加导流板 。a空塔;b导流板;c旋流结构;d导流板加旋流结构图2脱硫塔流场剖面结果显示,不采用任何措施时脱硫塔内气流明显偏斜,偏向烟气入口对面一侧,脱硫塔内流速一边高一边低分布不均。流场分布的不均造成脱硫剂停留时间的差异,同时易形成涡流,在塔内均匀喷雾的情况下造成局部过干局部过湿的状态,不能达到最佳的脱硫效果,同时也增加了结构的可能。增加旋流结构后在塔内下部壁面区域形成了旋转流场,能起到保护壁面的作用,但由于烟气惯性造成流场的偏流现象仍然存在。烟气惯性是造成偏流的主要原因,烟气在惯性的作用下冲向入口的对面造成塔内流速一边高一边低的不均分布

12、。在入口布置导流板改变烟气的流动方向使烟气均匀进入塔内是解决流场偏斜的重要措施8,采用直导流板和弯导曲流板均能起到理想的效果。由于脱硫塔内涉及气、液、固三相复杂的流动,塔底存在落灰现象,为保证系统正常运行,避免塔底积灰和灰粘结,采用直导流板是最佳的调节方案。直导流板方案的决定因素 主要为导流板的尺寸、数量以及位置。为使烟气均匀进入,导流板一般均匀布置,为便于导流板的固定,一般导流板的间距不宜过大,同时在满足要求的前提下也应尽量减少导流板的数量以减小系统的阻力。对于本文的脱硫塔,计算表明,在导流板的尺寸合理的情况下,塔底均匀布置3块导流板可保证塔内流动的均匀性。导流板1的结构将水平入口截面平均分

13、流,结果显示导流板对塔内流场起到了明显的改善作用,但仍有局部偏流存在。在此基础上增加旋流结构后,塔内流场已经基本均匀,脱硫塔内形成了中心高壁面低的速度分布,而且脱硫塔直管段内烟气流速呈现对称分布,脱硫塔内均匀性得到明显的提高。3工业试验工程完工后,对脱硫塔进行了流场试验。在脱硫塔不同高度处测量沿直径方向的速度分布,同时对机组负荷变化时塔内流场进行了分析,探讨了脱硫塔的负荷变化特性。测量工具采用靠背管和电子微压计,靠背管用标准毕托管标定,系数为0.757;电子微压计的测量精度为1Pa。3.1测点布置沿脱硫塔的高度布置四层测点,高度分别为6850,8850,10350,14450mm。利用这些测孔

14、进行脱硫塔内烟气动压的测量,同时测量烟气温度,计算得到烟气流速。第一、二、三层测点2个,沿直径对称分布。第四层测点4个,在同一平面间隔90布置,可以测量相互垂直两直径的速度分布。四层测点分别进行脱硫塔内渐扩段、快速段、渐扩段和慢速段内流场的测量。3.2试验结果及分析机组负荷为80,90,95和100MW时脱硫塔慢速段内烟气轴向速度沿直径方向的分布如图3所示。图3中直径1和直径2位于同一高度,相互垂直。从图3中可以看出四种负荷时,沿脱硫塔半径从壁面到中心方向,慢速段内烟气流速均呈现先增后减然后再增加的分布规律,塔内速度的最大值出现在脱离塔的中心位置。表明慢速段内烟气流动比较均匀,没有偏流现象的发

15、生,脱硫塔塔底导流板起到了预想的作用,使塔内流动更加均匀。靠近脱硫塔壁面出现的速度高峰是由于旋流而引起的,烟气切向进入脱硫塔内,使得脱硫塔内靠近区域形成相对的高速区,对脱硫塔壁面形成有效的保护,可以降低结垢的概率。从图3还可以看出,随着机组负荷的增加,脱 硫a机组负荷80MW;b机组负荷90MW;c机组负荷95MW;d机组负荷110MW图3脱硫塔慢速塔内轴向速度的径向分布582010年4月第28卷第2期塔内烟气流量增加,导致脱硫塔内烟气平均速度增加, 旋流的作用更加明显。同时速度的提高也使得塔内流场更加均匀,塔底导流板的作用也更加明显。图4为机组负荷为110MW 时高度11450mm 截面数值

16、模拟和试验结果对比图。模拟值为设计工况下的计算结果。从模拟结果和工业试验的对比可以看出,数值计算和实际测量的速度分布呈现相同的规律,数值模拟能得到比较可靠结果。此外,可以看出,实际工况比原设计工况烟气量大,导致塔内烟气流速过高,这一方面减小了烟气的停留时间,另一方面也不利于脱硫塔内循环的建立,因此需要改善增湿水和脱硫剂在塔内的分布,使烟气和增湿水以及脱硫剂能充分接触,保证脱硫反应的进行。 图4数值模拟值与试验值比较(负荷110MW 3.3脱硫塔不同高度处的速度分布图5为脱硫塔不同高度轴向速度的径向分布曲线,一、二、三层测点测量的是脱硫塔内筒的轴向速度,主塔体测量的为内筒内烟气和旋流烟气混合后的

17、轴向速度。从图5中可以看出,塔内轴向速度呈现出中心高边壁低的趋势。随着脱硫塔高度的增加,由于塔直径的增大塔内速度逐渐减小。一、二层手孔速度分布随着无因次半径的增加呈现先减小后增加再减小的趋势,离开塔中心某一位置出现速度的高峰,这是由脱硫塔入口导流板的影响造成的。随着高度的增加,导流板对流场的影响逐渐减小直到消失。由图5还可看出,在文丘里渐扩段以及快速段和慢速连接段,即一层测点和三层测点处,脱硫塔壁面附近存在回流现象,可能造成循环灰在脱硫塔内局部的循环,如果增湿水雾化不均匀,造成烟气局部过湿,局部的循环灰颗粒逐渐长大,形成造粒现象。4结论采用数值模拟结合工业试验的方法对集成内循图5脱硫塔不同高度

18、处的速度分布环烟气脱硫塔内流场进行了深入研究,通过分析得出以下结论:1采用旋流段和直导流板的结构能有效解决脱硫塔烟气偏流问题,提高脱硫塔内烟气流动的均匀性。入口导流板对塔内烟气流场也产生影响,由于导流板对气流的遮挡,在脱硫塔下部偏离塔中心的位置会出现速度的局部高峰,但这种影响随着流动的发展逐渐减小,直到消失。2加入旋流段后,脱硫塔内壁面附近形成局部旋流高速区,对壁面形成有效的保护,能防止壁面粘壁结垢现象的发生。参考文献1董勇,马春元,王文龙,等.烟气循环流化床内的温度分布与干燥特性J .热能动力工程,2005,20(5:492-496.2林军,王凡,张凡.半干半湿法烟气脱硫塔流场分析J .环境科学研究,2005,18(6:34-36.3胡金榜,李艳平,陈安新,等.循环流化床脱硫反应器入口结构对气体流动影响数值模拟J .