减缓脱硫塔除雾器堵塞的流场优化方法

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23176

减缓脱硫塔除雾器堵塞的流场优化方法

刘卓, 陈冬林, 汪淑奇, 杨仪江, 闫优洋, 杨展

长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南省长沙市 410114

Optimization Method of Flow Field for Alleviating Clogging of Mist Eliminator in Desulfurization Tower

LIU Zhuo, CHEN Donglin, WANG Shuqi, YANG Yijiang, YAN Youyang, YANG Zhan

School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, Hunan Province, China

收稿日期: 2024-06-20 修回日期: 2024-09-25

基金资助:

国家自然科学基金项目. 52104391

Received: 2024-06-20 Revised: 2024-09-25

作者简介 About authors

刘卓(1997)，男，硕士研究生，主要从事高效清洁燃烧技术与污染物排放控制研究，1173402777@qq.com；

陈冬林(1963)，男，博士，教授，主要从事高效低污染燃烧技术与热力设备及系统性能优化研究，本文通信作者，chendl_01@126.com；

汪淑奇(1966)，男，博士，副教授，主要从事锅炉燃烧与传热、烟风道优化改造的理论与技术开发、应用研究，cswangsq@qq.com。

摘要

目的脱硫塔除雾器因其结构简单、除雾效果好而广泛应用于燃煤火电厂。然而，除雾器因自身气水分离原理的局限性，容易在板面上结垢堵塞，严重时影响机组的输出功率。因此，需要解决湿法脱硫塔除雾器频繁结垢堵塞及由此造成的阻力损失过大问题。方法提出了采用导流板优化脱硫塔及其进口烟道流场的方法，并对优化前后的Z形脱硫塔及其L形进口烟道烟气流场进行了仿真计算和工程应用验证。结果仿真计算结果显示，在额定锅炉负荷工况下，优化后L形进口烟道出口截面的速度相对标准差从27.57%降至19.99%；Z形脱硫塔内除雾器入口截面的速度相对标准差从45.66%降至40.24%。同时，除雾器入口截面的浆液液滴质量流量从441.136 kg/s降至368.498 kg/s，这表明优化方案有效降低了除雾器的工作负荷。实验结果表明，改造前脱硫塔除雾器入口截面存在速度为0 m/s的区域，改造后该区域速度提升至1~5 m/s，与仿真计算结果趋势一致。改造后180天的运行数据显示，除雾器前后压差不再超过200 Pa。停机检修中实测结果显示，除雾器板面上的结垢厚度从改造前的1 cm以上减小至0.1 cm左右，严重结垢堵塞现象已消除。结论所提流场优化方法显著改善了脱硫塔内烟气流场的均匀性，降低了除雾器的工作负荷，有效减缓了除雾器结垢堵塞问题，具有较大的工程应用价值。

关键词： 燃煤机组 ; 脱硫塔 ; 锅炉 ; 除雾器 ; 堵塞 ; 流场均匀性 ; 烟气脱硫 ; 数值模拟

Abstract

Objectives Desulfurization tower mist eliminator is widely used in coal-fired power plants due to its simple structure and good fog removal effect. However, due to the limitation of its own gas-water separation principle, it is prone to scaling up and blocking on the plate surface, which seriously affects the output power of the unit. Therefore, it is necessary to solve the problem of frequent scaling and clogging of the wet desulfurization tower mist eliminator and the resulting excessive resistance loss. Methods The method of optimizing the flow field of desulfurization tower and its inlet flue using deflector plates was proposed, and the simulation calculations and engineering application verifications of the Z-shaped desulfurization tower and its L-shaped inlet flue before and after optimization were carried out. Results The simulation results indicate that under rated boiler load conditions, the relative standard deviation of the velocity at the outlet section of the L-shaped inlet flue decreases from 27.57% to 19.99% after optimization. The relative standard deviation of the velocity at the inlet section of the mist eliminator in the Z-shaped desulfurization tower decreases from 45.66% to 40.24%. Meanwhile, the mass flow rate of the slurry droplets at the mist eliminator inlet section drops from 441.136 kg/s to 368.498 kg/s, indicating that the optimization scheme effectively reduces the workload of the mist eliminator. Experimental results show that prior to the modification, there were regions with a velocity of 0 m/s at the mist eliminator inlet section, which are improved to a velocity of 1-5 m/s after the modification, consistent with the trends observed in the simulation. Data from 180 days of operation after the modification indicate that the pressure drop before and after the mist eliminator does not exceed 200 Pa. On-site measurement results during maintenance show that the scaling thickness on the mist eliminator plate is reduced from over 1 cm before the modification to about 0.1 cm, eliminating severe scaling and blockage phenomena. Conclusions The proposed flow field optimization method significantly improves the uniformity of the flue gas flow field in the desulfurization tower, reduces the workload of the mist eliminator, and effectively slows down the fouling problem of the mist eliminator, which has great engineering application value.

Keywords： coal-fired unit ; desulfurization tower ; boiler ; mist eliminator ; clogging ; flow field uniformity ; flue gas desulphurization ; numerical simulation

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本文引用格式

刘卓, 陈冬林, 汪淑奇, 杨仪江, 闫优洋, 杨展. 减缓脱硫塔除雾器堵塞的流场优化方法. 发电技术[J], 2024, 45(6): 1087-1094 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23176

LIU Zhuo, CHEN Donglin, WANG Shuqi, YANG Yijiang, YAN Youyang, YANG Zhan. Optimization Method of Flow Field for Alleviating Clogging of Mist Eliminator in Desulfurization Tower. Power Generation Technology[J], 2024, 45(6): 1087-1094 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23176

0 引言

燃煤电厂烟气脱硫是控制SO₂排放的关键，广泛应用的湿法脱硫技术能够有效去除SO₂，但同时也带来了新的挑战。湿法脱硫过程中烟气会夹带大量细小脱硫剂液滴，如果不进行有效处理，会严重影响后续设备的运行和效率，甚至造成环境污染。

为了满足日益严格的环保要求，并保障机组的安全稳定运行，脱硫塔后通常安装除雾器进行气水分离^[1]。然而，烟气携带浆液液滴经过除雾器时，容易在其板面上结垢堵塞，导致流动阻力增加，最高可达300~400 Pa，严重时会导致机组停机。针对此问题，很多学者提出了解决方法，如：张双平等^[2]利用数值模拟的手段分析了除雾器安装高度对烟气携带浆液量的影响，研究发现，除雾器与喷淋层之间的高度以及喷淋浆液的雾化粒径对除雾器的除雾性能影响极大；禾志强等^[3]研究指出，通过增加除雾器冲洗水压力，使其能更有效地冲刷掉垢体；潘超群^[4]将浆液的pH值控制在合理范围内，成功减缓了除雾器板面上的结垢现象；马晓丽等^[5]通过调整石膏浆液的pH值和更换新的除雾器清洗设备，解决了除雾器的堵塞问题；纪小春^[6]研究指出，通过保持除雾器表面湿润，能够加强除雾器冲洗水的冲洗效果。

然而，上述研究并未考虑脱硫塔内烟气流场分布对除雾器除雾性能的影响，为此，本文基于某670 MW燃煤机组的脱硫塔，提出了一种新的流场优化方法，即利用导流板优化脱硫塔内的烟气速度场，消除除雾器入口截面的局部高速烟气区，以达到均匀分配除雾器工作负荷的目标，从而减缓甚至消除除雾器严重结垢堵塞的现象。

1 脱硫塔内流场对除雾器堵塞影响机理

1.1 烟气速度对喷淋浆液携带的影响

微细液滴在上升的烟气中主要受气流和重力的作用^[7]。液滴所受重力为 $π d^{3} ρ_{l} g / 6$ ，烟气对液滴的作用力为 $π d^{2} ρ_{g} ν^{2} ξ / 8 + π ρ_{g} g d^{3} / 6$ ，其中： $d$ 为液滴直径，μm； $ρ_{l}$ 为液滴密度， $k g / m^{3}$ ； $g$ 为当地重力加速度， $m / s^{2}$ ； $ρ_{g}$ 为饱和烟气密度， $k g / m^{3}$ ； $ν$ 为气流速度， $m / s$ ； $ξ$ 为阻力系数，对于喷淋和喷雾，一般可取值0.1。

对液滴受力应用二力平衡定理，可计算得到气流速度和液滴直径：

ν = \sqrt[]{\frac{4 g (ρ_{l} - ρ_{g}) d}{3 ρ_{g} ξ}}

(1)

d = \frac{3 ξ ρ_{g} ν^{2}}{4 g (ρ_{l} - ρ_{g})}

(2)

式(1)、(2)表明，当液滴直径 $d$ 一定时，烟气速度存在临界值，若烟气速度大于该临界值，液滴会被烟气带走；反之，则液滴不会被带走。因此，烟气侧的速度直接影响除雾器的工作负荷，即液滴被烟气携带进入除雾器的数量取决于烟气速度。

1.2 烟气速度分布对垢体沉积的影响

目前大多数的脱硫塔均采用单侧进气，烟气进入脱硫塔后，会在塔内形成局部高速区，这部分高速烟气会携带大量液滴进入除雾器^[8-11]。一方面，除雾器板面捕集的液滴会被高速烟气托住，无法及时排出，继续反应结垢^[12]；另一方面，当局部烟气速度超出除雾器最大临界速度时，则会撕裂除雾器板面上形成的液膜，造成二次带水^[13-14]，而烟气携带液滴穿过除雾器后，由于流通截面变大、流速变小，液滴会下坠到除雾器板片的背面形成结垢。

2 脱硫塔及其进口烟道的流场优化

2.1 脱硫塔及其进口烟道中的烟气流场分布

脱硫塔及其进口烟道的布置形式对烟气流场分布有重要的影响。该670 MW燃煤机组的脱硫塔从外形来看呈Z形，其进口烟道呈L形，分别如图1、2所示。烟气流经L形进口烟道时，会在其烟道中形成二次回流^[15]，导致烟气在进口烟道内横向分布不均匀，因此需要在其烟道内布置导流板进行横向整流，保证进入脱硫塔之前的流场横向分布均匀。当烟气进入脱硫塔后，也会在脱硫塔内沿塔高方向出现局部高速区，导致在塔内纵向分布不均匀^[16]，因此需要在脱硫塔内布置导流板进行纵向整流，保证除雾器入口处的流场均匀。

图1

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图1 Z形脱硫塔的纵断面流场分布图

Fig. 1 Profile flow field distribution of Z-shaped desulfurization tower

图2

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图2 L形进口烟道的横断面流场分布图

Fig. 2 Cross section flow field distribution of L-shaped inlet flue

2.2 烟气流场优化方案

本文中对L形进口烟道、Z形脱硫塔设计了导流板优化方案，分别如图3、4所示，导流板定形、定位参数如表1所示。

图3

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图3 L形进口烟道导流板优化方案

Fig. 3 Optimization scheme of L-shaped inlet flue guide plate

图4

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图4 Z形脱硫塔内导流板优化方案

Fig. 4 Optimization scheme of guide plate in Z-shaped desulfurization tower

表1 导流板定形、定位尺寸

Tab. 1 Shaping and positioning dimensions of guide plate

三维模型

横向定位尺寸/m

纵向定位尺寸/m

横向定形尺寸/m

纵向定形尺寸/m

半径/m

角度定位尺寸/(°)

L形进口烟道

$∆ X_{L 1} = 1.8$

$∆ X_{L 2} = 4.6$

$∆ Y_{L 1} = 1.8$

$∆ Y_{L 2} = 4.6$

—

$l_{L 1}^{'} = 1.5$

$l_{L 2}^{'} = 1.0$

$r_{L 1} = 1.8$

$r_{L 2} = 4.6$

$θ_{1} = 80 °$

$θ_{2} = 92 °$

Z形脱硫塔

$∆ X_{Z 1} = 3.0$

$∆ X_{Z 2} = 1.9$

$∆ X_{Z 3} = 1.7$

$∆ X_{Z 4} = 3.3$

$∆ Y_{Z 1} = 1.0$

$∆ Y_{Z 2} = 2.0$

$∆ Y_{Z 3} = 3.0$

$∆ Y_{Z 4} = 3.8$

$l_{1} = 0.5$

$l_{2} = 0.5$

$l_{3} = 0.5$

$l_{Z 1}^{'} = 1.5$

$l_{Z 2}^{'} = 1.5$

$l_{Z 3}^{'} = 1.5$

$l_{Z 4}^{'} = 1.5$

$r_{Z 1} = 1.0$

$r_{Z 2} = 1.0$

$r_{Z 3} = 1.0$

$r_{Z 4} = 2.0$

—

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3 烟气流场数值模拟

3.1 计算模型及边界条件

3.1.1 计算模型

为了保证数值模拟的准确性，按照该电厂脱硫系统的设计图纸1∶1构建几何模型。采用工程上广泛使用的Realizable k-ε模型^[17-19]作为湍流模型，计算烟气在脱硫塔以及进口烟道中的流动。采用离散相模型(discrete phase model，DPM)计算脱硫塔内的浆液液滴与烟气之间的相互耦合，采用适应性强的Scalable wall functions^[20-22]作为壁面函数。

3.1.2 网格划分及边界条件

当脱硫塔的喷淋层不工作时，喷淋管道自身结构不会影响烟气速度场的整体分布^[23-24]，因此脱硫塔的模型内部仅包括导流板。网格无关性验证如图5所示，当网格数量达到百万级时，Z形脱硫塔及L形进口烟道的进出口总压差不再变化，此时能够满足网格无关性解。

图5

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图5 进出口总压差随网格数量的变化

Fig. 5 Change of total pressure difference between inlet and outlet with the number of grids

模型的入口边界条件为速度入口，出口边界条件为Outflow。具体的烟气参数如下：烟速为15 m/s，烟气密度为0.874 kg/m³，动力黏度为2.249×10^-5 Pa⋅s，定压比热容为1.083 kJ/(kg⋅K)。脱硫塔内布置有3层喷淋管道，每层管道的喷嘴数量为84只，每只喷嘴的流量为14.38 kg/s，液滴的颗粒密度为1 140 kg/m³，喷嘴角度为90°，液滴粒径分布采用Rosin-Rammler分布函数^[25]。

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 流场分布

图6、7分别为导流板优化前后L形进口烟道Y=16 m截面和出口截面上的速度分布云图。可以看出，导流板优化前，L形进口烟道内侧存在明显的回流区，并且出口附近的横向速度分布不均匀；导流板优化后，烟气在拐弯处的回流区明显减小，且出口附近的横向速度分布均匀性得到显著改善。

图6

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图6 L形进口烟道Y=16 m截面上的速度云图

Fig. 6 Velocity map on cross section of L-shaped inlet flue at Y=16 m

图7

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图7 L形进口烟道出口截面上的速度云图

Fig. 7 Velocity map on exit cross section of L-shaped inlet flue

导流板优化前后Z形脱硫塔Z=0 m和Y=23 m截面上的速度分布云图分别如图8、9所示。可以看出，导流板优化前，脱硫塔内部的流场纵向分布不均匀，在这样的流场分布条件下，脱硫塔内除雾器的局部工作负荷过大，超出了除雾器设计所能够接受的最高限定值，导致除雾器板面上出现结垢堵塞的现象；导流板优化后，脱硫塔出口侧附近的局部高速区开始向塔中心移动，这样的流场分布更有利于烟气的扩散及其与液滴之间的接触混合。

图8

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图8 Z形脱硫塔Z=0 m截面上的速度云图

Fig. 8 Velocity map on cross section of Z-shaped desulfurization tower at Z=0 m

图9

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图9 Z形脱硫塔Y=23 m截面上的速度云图

Fig. 9 Velocity map on cross section of Z-shaped desulfurization tower at Y=23 m

3.2.2 流场均匀性

脱硫塔内烟气侧流场的均匀性采用速度相对标准差来表征^[26-27]，其值越小，说明速度场分布越均匀。L形进口烟道出口截面和Z形脱硫塔内除雾器入口截面的速度相对标准差如图10所示，可以看出，导流板整流后，L形进口烟道的出口截面和Z形脱硫塔内除雾器入口截面的流场均匀性得到了明显改善，其中L形进口烟道出口截面的速度相对标准差从27.57%降至19.99%，Z形脱硫塔内除雾器入口截面的速度相对标准差从45.66%降至40.24%。

图10

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图10 L形进口烟道出口截面和Z形脱硫塔内除雾器入口截面的速度相对标准差

Fig. 10 Relative standard deviation of velocity of exit section of L-shaped inlet flue and entrance section of mist eliminator in Z-shaped desulphurization tower

3.2.3 除雾器入口处的液滴质量流量

导致除雾器严重局部结垢甚至堵塞的原因主要是进入除雾器时烟气携带的浆液液滴过多。优化前后除雾器入口截面的浆液液滴质量流量如图11所示，可以看出，导流板优化后，除雾器入口截面的浆液液滴质量流量从原来的441.136 kg/s下降至368.498 kg/s，说明导流板能够明显地减少除雾器的工作负荷，大大降低其严重结垢堵塞的可能性。

图11

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图11 优化前后除雾器入口截面的浆液液滴质量流量

Fig. 11 Mass flow rate of slurry droplets at inlet section of mist eliminator before and after optimization

4 工程实施与改造效果

4.1 改造对象及除雾器结垢情况

以该670 MW燃煤电厂的3号脱硫塔作为改造对象，该脱硫塔采用典型的Z形进出口布置，其进口烟道采用L形布置，平板式除雾器布置在脱硫塔的上方，烟气与吸收浆液采用逆流接触方式。改造前，该脱硫塔已经在额定负荷下运行了半年时间，其主要问题是：Z形脱硫塔内靠近出口附近的除雾器区域结垢严重，这与上述数值模拟得出的局部高速区位置基本吻合；此外，除雾器的迎风面结垢明显少于背风面，通过超声波测厚仪测得结垢厚度达到1 cm以上，除雾器冲洗水无法完全冲洗干净。

4.2 改造前后冷态实验

为了验证基于导流板优化塔内烟气流场的效果，分别于导流板安装前后在脱硫塔内进行冷态实验。具体步骤如下：在该脱硫塔的除雾器入口截面处(Y=23 m)设立若干个测点，当机组在额定工况下运行时，维持该负荷的风量不变，采用电子微压计测量并记录各点沿脱硫塔轴向的烟气速度。改造前后Z形脱硫塔除雾器入口截面烟气速度分布如图12所示，可以看出，改造前脱硫塔除雾器入口截面有的区域速度为0 m/s，改造后该区域速度提升至1~5 m/s。由此可见，实验结果与数值模拟计算得出的改造前后速度分布趋势基本一致，进一步说明了数值模拟结果的正确性和导流板的优化效果。

图12

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图12 改造前后Z形脱硫塔除雾器入口截面烟气速度分布

Fig. 12 Flue gas velocity distribution at inlet cross section of mist eliminator of Z-shaped desulfurization tower before and after modification

4.3 实际工程改造效果

在进行脱硫塔改造时，对塔内除雾器板面上的垢体进行了彻底清洗。改造完成后，同样记录了在额定负荷下该脱硫塔180天的运行数据，结果发现，塔内除雾器前后压差不再超过200 Pa。在改造后的某一次停机维护中，测量得到除雾器板面上的结垢厚度从改造前的1 cm以上减小至0.1 cm左右，局部严重结垢堵塞的现象已完全消除，说明将本文优化方法应用于减缓除雾器结垢堵塞的效果显著。改造前后除雾器板面上的积垢情况如图13所示。

图13

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图13 改造前后除雾器板面上的积垢情况

Fig. 13 Scale accumulation on mist eliminator plate before and after modification

5 结论

提出了一种利用导流板减缓脱硫塔除雾器堵塞的流场优化方法，对优化前后Z形脱硫塔及其L形进口烟道烟气流场进行了数值模拟分析，并将该方法应用于实际工程改造，得到以下结论：

1）在进口烟道和脱硫塔内合理布置导流板，可以显著消除脱硫塔内除雾器入口截面的烟气高速区。经过导流板优化后，L形进口烟道出口截面和Z形脱硫塔内除雾器入口截面的速度相对标准差均下降，除雾器入口截面的速度场明显比改造前更均匀。

2）基于导流板的流场优化方法能够明显减少冲击除雾器板面的液滴数量，大幅降低除雾器结垢程度，从而保证脱硫塔的安全稳定运行。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

夏忠林，陈文通，许书峤，等．

火电厂烟塔合一技术应用现状与现存问题分析

[J]．发电技术，2024，45(4)：590-599．