湿法烟气脱硫系统喷淋塔喷嘴特性与布置研究.doc

湿法烟气脱硫系统喷淋塔喷嘴特性与布置研究 湖南省电力勘测设计院 张 力 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室 钟 毅 浙江蓝天求是环保集团有限公司 施平平 摘 要： 本文基于计算流体力学（CFD）技术，采用Fluent软件平台，针对典型300MW机组脱硫系统喷淋塔采用可视化技术对喷淋层间距、喷嘴压降、喷淋角变化时喷淋层喷淋效果、传质特性和阻力特性进行了数值模拟研究。结果表明喷淋层间距、喷嘴压降与喷淋角度变化对覆盖效果影响很小，喷淋层间距、喷嘴压降和喷淋角增大均能增强气液传质，同时喷淋层阻力也随之增大。最后提出典型300MW机组WFGD浆液喷淋系统喷嘴选择与布置的推荐值。 关键词：湿法烟气脱硫；喷嘴特性；喷嘴布置；阻力特性；数值模拟；气液传质；覆盖效果  1 前言： 随着国内环保要求的进一步严格，具有脱硫率高、运行可靠性高、脱硫剂利用率高等特点的石灰石－石膏湿法烟气脱硫工艺（WFGD）在我国已成为燃煤电站脱硫的主流技术。保证WFGD系统脱硫效率的关键是保证吸收塔内有良好的气液传质，浆液喷淋系统喷嘴的作用是将石灰石浆液雾化为大量小液滴，提供足够的气液传质接触面积，从而有效脱除烟气中的SO2。喷嘴的性能与布置将影响塔内气液传质，因此开展针对喷嘴性能参数及喷嘴布置对气液传质影响的研究具有重要意义。 对吸收塔计算流体力学（CFD）CFD技术引入WFGD工程的设计及优化当中。 (1) 其中：Q为喷嘴流量，m3/h； K为特性系数，由喷嘴具体型号确定； 为喷嘴压降，MPa； 由式(1)可知，对于给定喷嘴，确定了喷嘴流量就确定了喷嘴工作压力。 2.3 喷淋系统的覆盖率 喷淋覆盖率是指喷淋层覆盖的重叠度，它由喷淋覆盖高度、喷淋角来确定[9]。覆盖高度是指液膜离开喷嘴后至破碎前的垂直高度[5]，典型值取1m[3]。 喷淋覆盖率的计算公式如式（2）所示[9]： （2） 其中： 为覆盖率，％； n为单层喷嘴数量； A0为单个喷嘴的覆盖面积，m2； A为吸收塔的截面积，m2。 工程设计时通常要求塔内喷淋覆盖率为200%～300%，且覆盖比较均匀[3]。进行喷淋层间距选择时还必须要考虑喷嘴液流与母管、支管和支撑的碰撞对覆盖率的影响[9]。 3 建模与计算 3.1 模拟对象 图 WFGD吸收塔示意图ketch of WFGD absorber 本文模拟为如图所示喷淋塔，烟气由入口烟道进入塔内，然后向上流动与喷嘴喷出的浆液滴接触，烟气得到净化净化后的烟气经过除雾器将烟气中含有的大部分液滴除去，最后由出口烟道排出吸收塔。表1工程 A B C D 烟气量 （Nm3/h） 1366071 1338839 1166065 1369842 喷嘴类型 螺旋 螺旋型 空心锥 空心锥 喷嘴数量 44×91 3×98 4×84 垂直间距/m 1.7 1.5 1.5 2 125万Nm3/h 100％ 13m 4×81 垂直间距 1.5m/1.7m/2.0m 喷射角度 90°° 喷射 表3 模拟条件和算法 几何模型 计算体 入口面积 4.8m×8m 出口面积 3m×10m 烟气流场参数及边界条件 运动粘度 1.7894e-05 m2／s 壁面条件 标准壁面函数法 入口条件 速度入口 出口条件 压力出口 液滴流场参数及边界条件 浆液密度 1050kg/m3 喷嘴类型 进口、出口壁面 逃逸 数值算法 离散格式 有限体积法 对流相离散格式 二阶迎风 压力 Simple算法 网格 混合网格,数量约100万 A 塔内速度矢量 B 烟气迹线 图塔内烟气场喷淋层间距A B C A:喷淋层间距1.5m B:喷淋层间距1.7m C:喷淋层间距2.0m 注：覆盖效果图所示为第三与第四喷淋层之间截面的覆盖效果，下同。 图3 不同喷淋层间距时覆盖效果比较 Fig 3 Compare of coverage impact in different space between spray levels 图4 喷嘴层间距对喷淋层阻力的影响 的比例随着喷淋层间距增大而减小。由于液膜传质能力要高于液滴传质，例如在喷嘴压降0.07MPa时，70％的传质发生在喷嘴20cm内的液膜中[5]，因此喷淋层传质能力随着喷淋层间距增大仅略有增加。此外由于喷淋层间距增大，气液接触时间增加，气液两相间作用力增大，喷淋层阻力随增加。喷淋层间距次方的函数[5]。喷嘴压降的增大，气液湍流加剧，两相间作用力增大，导致阻力增大，如图6所示。 喷嘴压降的增大可以略微提高气液传质，但是会增加喷淋层阻力和系统能耗，因此在保证喷淋效果和总喷淋量的前提下，优先选择