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摘要：随着国家经济的不断发展，大气污染问题越来越严重。本文对脱硫除尘一体化技术的吸收塔进行数值模拟，分析塔内不同数量的托盘均布器，不同的烟气流速，不同的折流板间距对除雾器的除雾除尘效果影响。得出结论：当除雾器折流板间距为24~26mm，烟气风速在3~3.5m/s之间时，托盘均布器数量越多，越有利于除雾器除尘除雾。
关键词：脱硫除尘；数值模拟；除雾器
前言
近年来，我国大气环境污染问题日益严峻，国家实施了一系列大气防治计划。要求东部地区火力发电厂的排烟粉尘、SO2以及NOX，在2020年底达到10 mg/Nm3、35 mg/Nm3和50 mg/Nm3的排放标准。目前，电厂运行的环保设备功能单一，且效率低，无法满足人民群众对美好环境的需求。因此，国内外学者开始研究脱硫除尘效率较高的一体化技术[1-2]，该技术的核心设备为吸收塔，本文针对托盘+高效除雾器的吸收塔进行数值模拟分析，模拟结果显示：首先，增加托盘数量可保证气流的均匀分布，为提高除雾器除尘效率奠定基础；其次，较大粒径的液滴在烟气中会受更大的曳力，有利于提升除雾器的除雾效率；当烟气流速在3~3.5 m/s时，除雾器折板间距为24~26 mm之间捕集液滴的性能最好。
1 工作原理
如图1所示，吸收塔由进风口、出风口、喷淋层、托盘均布器、除雾器等部件组成。烟气由底部进入吸收塔，然后流经托盘均布器，使得烟气在吸收塔的截面上均匀分布，与此同时，浆液由喷淋层喷淋下来与烟气直接接触，达到脱硫除尘的效果，最后烟气通过除雾器后进入烟囱排放。托盘均布器可以使烟气与浆液充分均匀接触，提高脱硫效率；同时浆液在气液均布装置层上会形成一层液膜，烟气通过液膜，传质面积会增加，烟气与浆液的接触时间延长，脱硫效率和除尘效率会得到提高。
图1 吸收塔布置图
2 数值模型
2.1 除雾器装置模型
使用一个子模型对除雾器的除雾效果进行模拟研究，模型初始条件：在液滴粒径5，8，10，15，18，20，25 um粒径下，烟气流速别为2.5，3，3.5，4 m/s的情况下，比较16，18，20，22，24，26 mm折板间隙除雾器的除尘效果研究，共计24组初始条件。
2.2 气液均布装置模型
利用托盘结构的一部分作为子模型来研究，液滴颗粒在CFD区域内将被喷射和跟踪，直到液滴撞击到托盘并形成水膜。研究托盘上烟气和浆液相互反应，重点分析压力损失和持液层高度。如表1所示，模拟将被执行在两个不同的托盘结构中，使用常规的烟气速度和烟气/浆液质量流量比。
表1 托盘参数表
2.3 整体装置模型
将对脱硫塔进行一个瞬态的两相流模拟，CFD的模型范围从吸收塔入口烟道开始，到吸收塔的出口，如图2所示。1）模拟除雾器和托盘；2）捕捉系数和压损将被应用在吸收塔内作为多孔区域；3）每个喷嘴将使用具体液滴分布模拟为一个锥形喷射。最后结果提供整个系统的压力和速度分布。
3 模拟结果分析
模拟中采用离散相模型，对液滴粒径分布采用喷嘴出口的实际分布。浆液液滴累计分布根据喷嘴出口数据进行建模。该粒径分布对100 um以下的液滴分布并没有准确的捕捉，所以为了获得小液滴的分布，对该曲线进行拟合。
采用R-R分布对液滴粒径分布进行拟合，拟合后的粒径分布公式表述如下：
（1）
上式中系数m 取1.8，Dref取2550 mm。
评价除雾器捕集液滴能力大小，主要考察范围为0-25 um的粒径，但实际运行中，也有很多较大液滴会随着烟气流动方向到达除雾器入口。本部分研究能够到达除雾器的最大液滴粒径，并分析大粒径对除雾器效率的影响。通过公式（2）计算得出被携带到除雾器的最大液滴粒径。在此过程中液滴受到流动造成的曳力、烟气的浮力、液滴的自身重力。当三个力处于平衡状态下时，此时被携带到除雾器的最大粒径为Dmax，大于该粒径的液滴陈降到吸收塔底部，而小于该粒径的液滴会随着烟气到达除雾器。
（2）
u为烟气流速，m/s；C为曳力系数；ρ为烟气密度，kg/m3；P代表液相；G代表气相；g 代表重力加速度，m2/s。
表2为不同烟气流速下烟气可携带到除雾器的最大粒径。大于最大可携带粒径的液滴在模拟中不会被考虑。虽然在除雾器附近聚集的液滴会形成大液滴往下流，但是相对于直接携带到除雾器的液滴，该情况的概率是较低的，所以忽略掉该过程。
表2 烟气可携带最大粒径
在2.5 m/s的情况下，对液滴粒径的影响进行评估，从表3、图5、图6可以看出不同粒径下的体积分布差别非常大。在2.5 m/s流速下的最大可携带粒径为180 um，同时对比了一个只包含50 um以下粒径的模型。由于包含的粒径越多，计算量呈指数增加，该部分目的是对比粒径分布对除雾器的影响。
表3 50 um和180 um子模型数据
50 um模型粒径分布图 180 um模型粒径分布
图2 50 um除雾器子模型-液滴粒子流 图3 180 um除雾器子模型-液滴粒子流
50 um和180 um模型下液滴从除雾器下穿过除雾器的结果。该图明显看出在180um模型中包含的液滴粒子比50 um模型中多出了很多大粒径粒子。
图4为两个模型下液滴的质量分数，同预想的一样，180 um模型下高的质量流量造成了入口液滴的高浓度。但是进入除雾器折板后，两个模型的液滴质量浓度基本一致。
图4 50/180 um除雾器子模型-液滴质量分数
图5和图6为两个模型下在除雾器折板处液膜的增长速率，这个增长速率可以从另一个方面反应出液滴是在哪些区域成膜的。同预想的一样，在180 um模型中因为液滴浓度大所以其液膜增长速度相应的也大，但是可以看出来刚进入折板液膜就大量产生。在50 um模型中可以看到主要液膜增长区域在折板内部第二个拐弯处。
图5 50um除雾器子模型-液膜增长速度
图6 180 um除雾器子模型-液膜增长速度
图7和图8是除雾器折板区域内全压分布和流速分布。两个模拟结果来看几乎是一样的-同烟气量相比，液滴的量非常小，所以液滴对除雾器压降和流速基本没有影响，但是在除雾器入口和第一个拐弯处压力分布和液膜增长率是有区别的。除雾器起主要作用的为第二个拐弯处位置，这个地方决定了捕集效率和系统压降。
图7 50/180 um除雾器子模型-流速分布
从图中可以看出大于13 um的液滴不会从除雾器逃逸。可以看到大液粒的加入降低了逃逸，可见较大液滴的加入有助于除雾器捕集率的提高。可以预料，在烟气流动中，包括大量的液滴，由于大液粒的阻力，流场发生了一定的变化。除了180 um模型中位径稍小，出口分布是非常相似的。可以理解50 um粒径的结果为更保守。在没有非常大的液滴（经过第一层除雾器后）的情况下，仿真结果可以更好地预测出口液滴分布，所以即便模型中没有大液滴，也不会影响其流场。
4 结语
通过建立数值模型，进行模拟对比分析得出以下结论：
（1）模拟发现托盘数量的增加可保证气流均匀分布，能够有效提升吸收塔的除尘效率；
（2）较大液滴的加入有助于除雾器捕集率的提高；
（3）折流板间距在24~26 mm之间的捕集效率较高，由此得出除雾器折流板间距越小越以利于除尘，但阻力会随之增加；
参考文献：
[1]郭俊. 火电厂脱硝技术与应用以及脱硫脱硝一体化发展趋势[J]. 建筑知识. 2016（01）.
[2]姚胜威.脱硫超低排放技术在电厂中的应用探讨[J]. 机电信息，2016，15：84-85.
论文作者:任国丰1,陈万2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：粒径论文; 烟气论文; 模型论文; 吸收塔论文; 托盘论文; 流速论文; 浆液论文; 《电力设备》2018年第20期论文;