胡 珊，郑 阳，顾礼新，李卫卫

(上海克硫环保科技股份有限公司南京分公司，江苏 南京 210009)

工业烟气中的SO2、NOx等大气污染物大量排放是造成大气污染的首要原因，其主要来自于化石燃料的燃烧，特别是煤炭的燃烧[1]。在我国的能源消费和构成中，1978～2019年煤炭消耗虽然逐年下降，但所占比例仍然很高，2019年为57.7%[2]。同时，随着消费在经济发展中的比重逐步增加，导致一次能源需求到2050年将达到30.4亿t标煤，占全社会能源需求的52.4%[3]。因此，解决日益严重的SO2，NOx大气污染问题已刻不容缓，而烟气脱硫(Flue Gas Desulfurization，简称FGD)是目前世界上大规模商业应用的脱硫方式，是控制SO2污染的主要技术手段[4]。目前，工业应用的烟气脱硫技术可分为干法(含半干法)和湿法脱硫[5]。干法脱硫主要以活性焦干法脱硫为主，其在工业烟气干法脱硫方面具有明显的优势，可以联合脱除污染物(如NOx、重金属、二噁英等)，使用温度较低，占地面积少，还能实现硫硝的资源化利用[6]。

活性焦烟气脱硫技术采用多孔介质活性焦，通过吸附作用将烟气中的SO2脱除，吸附饱和的活性焦，通过加热再生实现硫回收[7]。影响活性焦脱硫效率的因素，除了活性焦自身制备原料和工艺、机械性能等外，还包括烟气分布的均匀性。烟气分布的均匀性决定了脱硫塔内活性焦是否能按照设计要求得到充分利用[8]。在实际运行过程中，烟气量是一个瞬间波动量。分析波动的烟气量对塔内烟气流场分布的影响，对于保证脱硫塔的脱硫效率有重要的意义。

CFD(Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学)模拟技术作为越来越重要的分析方法，与试验相比，具有经济性、高效和快捷的特点[9]。近年来，很多研究都成功地通过CFD模拟对工业设备的性能进行了优化[10，11]。本文主要应用CFD模拟软件FLUENT对某项目中的单台脱硫塔进行数值模拟，分析烟气在塔内的分布情况，通过在脱硫塔内添加导流构件，改善分布的均匀性；同时，还分析了不同烟气量对脱硫塔内烟气流场分布的影响。

1 活性焦干法脱硫塔数值模拟

1.1 错流双级床结构脱硫塔

目前，活性焦干法脱硫塔通常采用移动床结构，根据反应器内部烟气和活性焦运动方向的不同，移动床可分为错流、并流和逆流3种形式[12]。曹晏[13]等通过建立3种反应器动力学模型，分析比较得出错流床可以采用较大的通气截面，在相同床层阻力下，实际处理烟气量较大，同时能简化工业放大过程，实现气相和固相分流，故实际应用中，选择错流移动床为宜。目前，国内外建设的活性焦烟气净化装置多采用错流床结构脱硫塔，其中，错流双级床结构应用成熟[14]。本文以某工程单台错流双级床结构脱硫塔为例，应用Fluent软件进行数值模拟，分析塔内烟气流场分布规律。

错流双级床脱硫塔结构见图1，烟气由进气室进入，向左右两侧扩散，依次穿过一级床焦层、过渡气室和二级床焦层，最终汇集于出气室排出脱硫塔。一级床焦层内主要进行脱硫反应，二级床焦层内主要进行脱硝反应。而活性焦颗粒从二级床顶部注入，缓慢向下流动，不断更新[15]。

图1 错流双级床结构脱硫塔示意

1.2 数值模拟

数值模拟时，进行如下假设：①烟气为不可压缩的牛顿流体；②忽略烟气的组成成分，将烟气视为干空气；③忽略烟道以及脱硫塔内部构件对烟气流场的影响；④假定活性焦层为均匀的多孔介质；⑤假定烟气的流动为稳态流动，忽略系统内部的传热与传质。

计算烟气特性参数如下：烟气量为24.8万m3/h；烟气温度为20～130℃。

计算活性焦特性参数如下：结构尺寸为φ9mm×12mm；密度为0.75t/m3；空隙率为35%。

计算采用标准k-ε模型来描述湍流流动，采用多孔介质来描述活性焦层。

对于模拟结果，选择进出气室中心面作为进出气室烟气流场的分析截面，选择脱硫塔左侧距离进气室与一级床焦层交界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm时的截面为活性焦层烟气流场的分析截面。

2 活性焦干法脱硫塔烟气流场分析

对活性焦干法脱硫塔进行数值模拟，分析烟气在塔内的流场分布规律，通过在塔内添加导流构件，改善烟气流动的均匀性，使烟气与活性焦充分接触，活性焦的利用率更高，从而保证脱硫系统的脱硫效率。

2.1 脱硫塔内烟气流场分析

(1)进出气室内流场分析。图2为脱硫塔进出气室中心面速度云图和矢量图，由进气室中心面速度云图可看出，烟气进入进气室时，由于喇叭口长度有限，高度方向烟气并未随着渐扩的喇叭口均匀扩散，且烟气被明显划分为3个区域。高流速烟气主要集中在与进气口垂直高度相同的一段区域内，而进气室上部和下部均存在因旋涡所导致的低流速区域。进气室中心面速度矢量图显示，上部和下部的旋涡是由中部高流速烟气回流聚集而产生，这些会影响烟气在活性焦层截面上的均匀分布，尤其是旋涡中心处的烟气量会明显比其他区域少，以至于进入一级床焦层后，低速区域与活性焦接触的烟气极少，活性焦的利用率低；而高速区域烟气过量，必会导致脱硫不充分，从而影响脱硫效率。出气室烟气流速高的区域主要集中在出气口一端，受出气喇叭口结构影响明显。

图2 脱硫塔进出气室中心面速度云图及矢量图(单位：m/s)

(2)活性焦层流场分析。活性焦层烟气流场的均匀程度直接关系着脱硫塔脱硫效率的高低。若烟气在焦层分布不均，某一区域的烟气量过多，反应放出的热量不断聚集，则会导致焦层局部温度过高而着火，对脱硫塔有一定的损伤，所以，焦层内的烟气流动越均匀，不仅有利于脱硫效率，而且有利于延长脱硫塔的使用寿命。

活性焦层核心区域呈现一维流动，烟气以平推流流型穿过活性焦反应层[7]。一、二级床焦层截面上只有在顶部和底部受脱硫塔锥斗的影响，会出现局部二维流动，但这些区域内的二维流动也会随着焦层自身的整流作用慢慢消失。图3所示的云图均为进出气室左侧一、二级床焦层内的截面云图，分别为脱硫塔左侧距离进气室与一级床焦层交界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm时的截面上烟气速度云图，可看出6个截面上大部分区域烟气都能达到相对均匀。由于一级床焦层内烟气流场主要受进气口结构影响，刚进入焦层时(截面200mm和300mm)，在水平方向上，与进气口相反一端的烟气流速较高；在垂直方向上，上端和下端也出现高流速。随着烟气穿过焦层深度的增加，高流速区域面积越来越小。二级床焦层内烟气流场受过渡气室内烟气流场以及出气口结构影响，其烟气流场变化趋势和一级床焦层内呈相反的变化趋势，且烟气高流速区域的位置也相反。

图3 脱硫塔左侧焦层距离进气室出气面不同深度截面速度云图(单位：m/s)

2.2 添加导流构件后烟气流场分析

(1)进出气室流场分析。渐扩喇叭口里添加了3块导流板，根据图4的描述，添加导流板后，图2进气室速度云图显示的中部高流速区域得到有效地分散，虽然没有完全避免漩涡的存在，但烟气不再直接冲入进气室，大量聚集于与喇叭口相反的一端。

图4 添加导流板后脱硫塔进出气室中心面速度云图及矢量图(单位：m/s)

在进气室添加导流板主要会对进气室流场产生较大影响，经过两级活性焦床的整流，出气室的烟气流场在添加导流板前后没有明显变化。

(2)活性焦层流场分析。根据图5的描述，进气喇叭口添加导流板主要对进气室以及一级床的烟气流场分布有明显改善，对二级床的影响微乎其微。图5所示的云图均为进气室左侧一、二级床焦层内截面速度云图，分别为脱硫塔左侧距离进气室与一级床焦层分界面200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm以及1 500mm时的截面上烟气速度云图。图5中不同焦层深度截面的速度云图显示：一级床活性焦层烟气流场变化趋势和未加导流板时一致，均反映出活性焦层的整流作用。但添加导流板后，一级床焦层内与进气喇叭口相对一端的烟气流速高的区域面积明显缩小，随着焦层深度的增加，在距离进气室出气面1 500mm处的截面上，烟气分布基本达到均匀。添加导流板后的变化均有利于保证脱硫塔脱硫效率。

2.3 脱硫塔阻力

未添加导流构件和添加导流构件时，烟气在单台脱硫塔内流动的阻力见表1。

表1 两种工况下的脱硫塔阻力

比较两种工况脱硫塔阻力发现，添加导流构件并未明显增加脱硫塔的阻力。

3 烟气量对脱硫塔内流场的影响

脱硫系统在工程运行过程中，烟气量并非按设计值一成不变，而是在一定范围内波动。烟气量的波动是否对脱硫塔内流场均匀性有影响，也可以通过数值模拟计算分析。本文还是以单台脱硫塔为例，分别计算烟气量在120%、100%、70%、50%负荷的工况下，对比脱硫塔内流场分布情况以及塔内阻力。

3.1 不同负荷工况下烟气流场分析3.1.1 进出气室流场分析

图6描述的为不同烟气量工况下脱硫塔进出气室中心面的流场分布情况。比较几种计算工况结果后发现，进出气室的速度云图和速度矢量图的分布规律基本一致，导流板对进气室内流场影响较大，而对出气室基本没影响。进气室有多个旋涡存在，不同烟气量时，旋涡的数量以及影响范围基本相同，所以烟气量对于进出气室烟气均匀性的影响不太明显。

3.1.2 活性焦层流场分析

图7描述的为不同烟气量工况下焦层不同深度截面的速度云图。同一工况下活性焦层的阻力对烟气进行整流，随着烟气进入焦层深度的增加，相应截面上烟气的分布越来越均匀。但不同烟气量计算结果显示：烟气量减少，流速降低，活性焦层对于烟气的整流效果越显著。当120%负荷时，烟气在1 500mm深度，一级床焦层截面也没有达到均匀；在70%负荷时，烟气在900mm深度，一级床焦层截面达到完全均匀；50%负荷时，仅600mm深度，一级床焦层截面就能完全均匀。因此，在设计过程中，应该适当降低烟气穿过焦层的流速，合理选择单台脱硫塔的烟气处理量，有利于提高活性焦利用率，且保证脱硫效率。同时，在设计过程中，还需综合考虑实际运行过程中瞬间波动的烟气量对于脱硫塔的影响。

图7 不同负荷下脱硫塔左侧焦层距离进气室出气面不同深度截面速度云图(单位：m/s)

3.2 脱硫塔阻力

不同烟气量工况下，脱硫塔运行阻力汇总见表2。

表2 不同负荷下脱硫塔阻力

烟气的流速直接影响着脱硫塔的阻力，进入塔内的烟气量越小，流速越低，则阻力也就越小。

4 模拟结果与实际工程比较

针对本文所研究的某工程，其运行数据显示，每台脱硫塔的运行阻力波动范围为800～1 500Pa，系统的脱硫效率在98%以上。而对于目前正在运行中的其他工程，脱硫塔进气喇叭口都会添加一定数量的导流板，其运行阻力范围为800～1 500Pa，且系统脱硫效率也能达到98%以上。

由于实际运行中烟气量的瞬间波动(一般负荷控制在70%～110%)，脱硫塔的阻力也是波动的，其波动范围和本文所模拟的不同烟气量时的阻力基本一致。同时，不论运行过程中烟气量如何波动，系统的脱硫效率始终能保持在98%以上，满足排放要求。

5 结语

烟气在脱硫塔内的流动均匀性对脱硫塔的使用寿命以及脱硫效率都有直接的影响。本文以某工程为例，采用FLUENT软件对单台活性焦干法脱硫塔进行模拟计算，分析烟气在塔内的流动特性，添加适当的导流构件，以改善烟气流动均匀性，使烟气与活性焦充分接触，活性焦的利用率更高，从而保证系统的脱硫效率。

(1)对脱硫塔进行数值模拟，不添加导流构件时，烟气从进气喇叭口水平冲入进气室，导致中部聚集大量烟气，而上部和下部烟气量较少，且上部和下部均有一个大的旋涡形成。添加导流构件后，能够有效地分散进气室中部高流速的烟气，即使不能完全避免进气室内的旋涡，但能尽量减小旋涡影响面积。进气室内烟气产生的旋涡对烟气在一级床焦层内均匀分布有直接影响，旋涡中心同位置处，烟气量少，活性焦利用率低；高流速烟气同位置处，烟气过量，脱硫不充分，进而影响脱硫效率，所以在脱硫塔进气喇叭口添加合适的导流板能改善烟气在塔内流动的均匀性，在不明显增加系统阻力的情况下保证系统的脱硫效率。

(2)烟气从进气室向两侧分散进入一级床活性焦层时，焦层产生的阻力对烟气有整流作用，随着焦层深度的增加，相应截面上烟气的分布越来越均匀。

(3)烟气量对脱硫塔内流场分布均匀性也有显著的影响。烟气量多，进入焦层的烟气流速高，焦层截面上烟气分布均匀性较差；烟气量少，进入焦层的烟气流速低，焦层截面上烟气分布均匀性较好。同时烟气量高，脱硫塔阻力增加较多。

(4)在脱硫塔的设计过程中，根据烟气在塔内的流场分布和阻力值，确定每台脱硫塔的处理烟气量，综合考虑实际运行中瞬间波动烟气量的影响，以保证每台脱硫塔的脱硫效率。

(5)应用FLUENT软件对活性焦干法脱硫系统进行数值模拟，能够有效地节约时间和成本，该方法给实际工程提供了较好的理论参考。