喷淋式吸收塔塔塔内流场模拟及优化

华北电力大学大学毕业设计（论文）

喷淋塔脱硫是传统的脱硫方式中的一种，吸收塔的吸收区高度为5～15m，区内设置3～6层喷淋层（本文取4层），每个喷淋层都装有多个雾化喷嘴，交叉布置，覆盖率达200％～300％，喷嘴出口流速为10m/s，雾液直径为1320～2950um，烟气流速为3～4m/s，大液滴在塔内的滞留时间为3～8s[8]。本文以喷淋式湿法烟气脱硫塔作为研究对象，对塔内烟气与液滴的两相流动的流体动力学特性进行研究，通过数值计算得到塔内气液两相流动的流动规律，为脱硫塔安全、经济运行提供设计和运行参数，同时也为我国自主开发具有我国自主知识产权的脱硫技术提供技术支持。研究内容主要包括试验研究和数值计算两个方面。

烟气脱硫喷淋塔其内部两相流动状态直接影响压降，除雾效率，汽液传质及脱硫效率等重要的设计参数。因此对塔内流场的模拟研究成为设计技术国产化的研究热点[8-11]。目前，研究流体问题的方法有模型试验，理论分析和数值模拟3种[12]。数值模拟方法具有经济，高效的特点，且排除了模拟试验方法中存在的缩小误差的问题及安全问题[13]。利用计算流体力学（CFD）通过软件对塔内流场进行数值模拟，在秉承数值模拟方法优点的同时回避了编程工作的复杂性，是研究流场的有力工具。

以气液两相流体力学及化学反应动力学的观点来看，脱硫塔内流体流动的目的是强化气液两相的混合与质量传递、延长气液两相在塔内的接触时间、增大气液两相接触面积并尽量降低吸收塔阻力[14]。为此，脱硫塔内的流场及SO2的吸收过程的数值模拟方面，前人进行了大量的研究工作。塔内流场研究方面，过小玲等[15]利用Fluent软件考察了托盘式烟气脱硫喷淋塔的烟气入口角度以及多孔合金托盘的安装高度对塔内流场的影响；Dudek等[16]利用CFX软件对喷淋塔内的气液两相流场进行了模拟，给出了不同入口几何形状下的塔内流场分布情况：赵毅等[17]则利用CFD方法分析了除雾器高度、转折角、高度、烟气流速等因素对其压降的影响。在塔内SO2吸收过程的模拟方面，Kill等[18]双膜理论模拟了格栅填料塔内的SO2吸收过程并提出了强化传质吸收的措施；Brorgen等[19]用渗透理论来模拟了喷淋塔内SO2的吸收过程，指出了塔内SO2的吸收很大程度是一个液相传质控制过程，仅在吸收塔顶部区域SO2浓度很低的情况下为气相传质所控制；Gerbec等[20]采用表面更新理论模拟了喷淋塔内SO2的吸收过程，认为液滴的内循环对传质过程有重要影响；Amokrane等[21]采用界面大涡模型来模拟SO2吸收过程中石灰

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石浆液液滴内部的循环，认为界面更新由液滴内的大涡来完成，更新速度通过表面相对速度来表征。

综上所述，前人的研究大都侧重于塔内流场分布或SO2的吸收过程模拟方面。对于传统的喷淋塔，在塔壁区域，由于喷淋浆液的覆盖率不高，使得烟气沿塔壁逃逸从而降低了脱硫效率。因此，作者在烟气流场模拟中采用Fluent软件中的k－ε双方程模型作为湍流模型，浆液流场的模拟采用Lagrangian离散相模型，方程离散格式选用二阶差分格式，用SIMPLE算法进行压力—速度耦合；SO2吸收的模拟是根据双膜理论吸收模型的计算结果，编写用户自定义程序(user defined functions，UDF)，作为相互作用的质量源项加载到Fluent软件中来实现的。

1.3 本文主要研究内容

(1)利用GAMBIT软件进行流场计算所需的网格构造； (2)对脱硫反应塔内流场气相湍流流动数值模拟；

(3)利用FLUENT软件模拟计算并分析在不同工况和不同烟气入口角度下塔内流场、温度场的情况；

(4)模拟结果与实际运行数据比较，得出结论，并对喷嘴布置位置和数量进行改进，以便得到更好的脱硫效果，指导实际运行和设计。

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2 常见的湿法脱硫技术介绍

2.1石灰/石灰石一石膏法

石灰/石灰石一石膏法烟气脱硫技术最早是由英国皇家化学工业公司提出的，该方法脱硫的基本原理是用石灰或石灰石浆液吸收烟气中的SO2，先生成亚硫酸钙，然后将亚硫酸钙氧化为硫酸钙。副产品石膏可抛弃也可以回收利用。

2.1.1反应原理

用石灰石或石灰浆液吸收烟气中的二氧化硫分为吸收和氧化两个工序，先吸收生成亚硫酸钙，然后再氧化为硫酸钙，因而分为吸收和氧化两个过程。 1）吸收过程在吸收塔内进行，主要反应如下：

石灰浆液作吸收剂：

Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3·1/2H2O （2-1）

石灰石浆液吸收剂：

Ca(OH)2 + 1/2 SO2 = CaSO3·1/2H2O + CO2 （2-2） CaSO3·1/2H2O + SO2 + 1/2H2O = Ca(HSO3)2 （2-3）

由于烟道气中含有氧，还会发生如下副反应：

2CaSO3·1/2H20 + O2 + 3H2O = 2CaSO4·2H20 （2-4）

2）氧化过程在氧化塔内进行，主要反应如下：

2CaSO3·1/2H20 + O2 + 3H2O = 2CaSO4·2H20 （2-5） Ca(HSO3)2 +1/2O2 + H2O = CaSO4·H2O + SO2 （2-6）

2.1.2工艺流程及核心设备

传统的石灰/石灰石一石膏法的工艺流程如图2-1所示。将配好的石灰浆液用泵送入吸收塔顶部，经过冷却塔冷却并除去90%以上的烟尘的含SO2烟气从塔底进入吸收塔，在吸收塔内部烟气与来自循环槽的浆液逆向流动，经洗涤净化后的烟气经过再加热装置通过烟囱排入空气中。石灰浆液在吸收SO2后，成为含有亚硫酸钙和亚硫酸氢钙的混合液，将此混合液在母液槽中用硫酸调整pH值至4左右，送入氧化塔，并向塔内送入490kPa的压缩空气进行氧化，生成的石膏经稠化器使其沉积，上层清液返回循环槽，石膏浆经离心机分离得成品石膏。

现代石灰/石灰石一石膏法工艺流程主要有原料运输系统、石灰石浆液制备系统、烟气脱硫系统、石膏制备系统和污水处理系统。

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图2-1石灰/石灰石一石膏法的工艺流程

吸收塔是脱硫装置的核心设备，现普遍采用的集冷却、再除尘、吸收和氧化为一体的新型吸收塔。常见的有喷淋空塔、填料塔、双回路塔和喷射鼓泡塔。喷淋塔是石灰/石灰石一石膏法工艺的主流塔型，按其功能可分为喷淋区、除雾区和氧化区。喷淋吸收区高度为5—15m，接触时间约为2—5s。区内设有3～6个喷淋层，每个喷淋层装有多个雾化喷嘴交叉布置。锅炉烟气经电除尘器和引风机后，从喷淋区下部进入吸收塔，与均匀喷出的吸收浆液逆流接触。

2.2湿式氨法

湿式氨法是目前较成熟的、已工业化的氨法脱硫工艺，并且湿式氨法既脱硫又脱氮。湿式氨法工艺过程一般分成三大步骤：脱硫吸收、中间产品处理、副产品制造。根据过程和副产物的不同，湿式氨法又可分为氨-硫铵肥法、氨-磷铵肥法、氨—酸法、氨—亚硫酸铵法等。

2.2.1反应原理

氨—硫酸铵法脱硫工艺是用氨吸收剂吸收烟气中的二氧化硫，吸收液经压缩空气氧化生成硫酸铵，再经加热蒸发结晶析出硫酸铵，过滤干燥后得产品。主要

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