密相干塔烧结烟气脱硫系统仿真研究

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.11.017 第34卷第11期 北京科技大学学报 Vol.34 No.11 2012年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2012 密相干塔烧结烟气脱硫系统仿真研究 张东辉)☒王卓晖) 宋存义”贾纤”卢熙宁” 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中煤焦化控股有限责任公司，北京100011 ☒通信作者，E-mail:muzdh@139.com 摘要应用Fluent软件对密相干塔模拟仿真，研究了烟气整流系统和链式搅拌器对烟气流场和湍流、循环灰轨迹及系统压 力损失的影响，并在模拟工况下确定了烟气整流系统较优导流板布置形式.研究结果表明，链式搅拌器能够显著增大塔内附 近区域的湍动能，提高转速不能明显提高整体烟气湍流强度，双层链式搅拌器可以增大高湍流强度区且减缓其衰减速度，该 工况下安装双层链式搅拌器，转速为100rmi较为理想，此时密相干塔能够实现烟气均布和气固充分接触，大部分颗粒参 与内循环，少部分进入除尘器，系统压损约为200Pa 关键词烧结：烟气：脱疏：计算机模拟：流场：湍流：颗粒轨迹 分类号X701.3 Simulation study on desulfurization of sintering flue gas in a dense flow absorber ZHANG Dong-hi☒，WANG Zhu--hui2,SONG Cun→i,JIA Qian',LUXi-ning》 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)China Coal Coking Chemical Holding Co.Ltd.,Beijing 100011,China Corresponding author,E-mail:muzdh@139.com ABSTRACT A numerical simulation of a dense flow absorber with Fluent software was performed to study the effects of the flue gas rectifier system and the chain agitator on the flow field and turbulent flow of flue gas,the trajectory of circulating ash and the pressure loss of the dense flow absorber.The optimal layout form of the baffle plate was determined under the simulated condition.It is found that the chain agitator obviously amplifies the turbulent kinetic energy inside the dense flow absorber,while the increase of revolving speed cannot obviously improve the whole turbulent intensity of flue gas.The double-deck chain agitator can enlarge the area with high turbulent intensity and retard turbulent dissipation.Under this condition,the desired speed of the double-deck chain agitator is 100rmin-.Meanwhile,the uniform distribution of flue gas inside the dense flow absorber and the gas-solid sufficient contact can be realized,most of particles are involved in internal recycling,and a small quantity of particles enter the dust catcher.The pressure loss of the system is approximately 200 Pa. KEY WORDS sintering:flue gases:desulfurization:computer simulation:flow fields:turbulence:particle tracks 烧结是钢铁工业中一个高污染、高排放的环节. 前工业烟气脱硫应用最为广泛的石灰石石膏湿法脱 国家环境保护部、工业和信息化部均已提出了对烧 硫系统由于系统复杂、占地面积大的特点，不适合大 结工序的烟气脱硫的具体要求和时间表.“十二五” 部分没有预留足够空间的钢厂回.烧结烟气$0，浓 期间，国家环境保护部将突出重点领域，推进二氧化 度较低的特点使得半干法脱硫技术具有了可行性. 硫工程减排，在钢铁行业将全面实施烧结烟气脱硫. 根据循环流态化特征不同，半干法脱硫反应器可以 目前我国烧结烟气脱硫技术是处于多样化发展阶 分为气固并流上行床（提升管）和气固并流下行 段，尚没有形成主导的技术模式 床回.前者由于具有较高的气固滑移速度，较好的 烧结烟气由于具有流量大、$0，浓度低、温度高 “三传一反”性能，在目前工业烟气脱硫工程中有一 和极不稳定等特点，导致应用于其他工业烟气的成 定应用，如循环流化床法(circulating fluidized bed, 熟脱硫技术不能直接应用于烧结烟气的脱硫.目 CFB),由于烧结烟气流量波动大，提升管内烟气流 收稿日期：201109-26

第 34 卷 第 11 期 2012 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 11 Nov． 2012 密相干塔烧结烟气脱硫系统仿真研究 张东辉1) 王卓晖2) 宋存义1) 贾 纤1) 卢熙宁1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 中煤焦化控股有限责任公司，北京 100011 通信作者，E-mail: muzdh@ 139． com 摘 要 应用 Fluent 软件对密相干塔模拟仿真，研究了烟气整流系统和链式搅拌器对烟气流场和湍流、循环灰轨迹及系统压 力损失的影响，并在模拟工况下确定了烟气整流系统较优导流板布置形式． 研究结果表明，链式搅拌器能够显著增大塔内附 近区域的湍动能，提高转速不能明显提高整体烟气湍流强度，双层链式搅拌器可以增大高湍流强度区且减缓其衰减速度，该 工况下安装双层链式搅拌器，转速为 100 r·min － 1 较为理想，此时密相干塔能够实现烟气均布和气固充分接触，大部分颗粒参 与内循环，少部分进入除尘器，系统压损约为 200 Pa． 关键词 烧结; 烟气; 脱硫; 计算机模拟; 流场; 湍流; 颗粒轨迹 分类号 X701. 3 Simulation study on desulfurization of sintering flue gas in a dense flow absorber ZHANG Dong-hui 1) ，WANG Zhuo-hui 2) ，SONG Cun-yi 1) ，JIA Qian1) ，LU Xi-ning1) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) China Coal Coking ＆ Chemical Holding Co． Ltd． ，Beijing 100011，China Corresponding author，E-mail: muzdh@ 139． com ABSTRACT A numerical simulation of a dense flow absorber with Fluent software was performed to study the effects of the flue gas rectifier system and the chain agitator on the flow field and turbulent flow of flue gas，the trajectory of circulating ash and the pressure loss of the dense flow absorber． The optimal layout form of the baffle plate was determined under the simulated condition． It is found that the chain agitator obviously amplifies the turbulent kinetic energy inside the dense flow absorber，while the increase of revolving speed cannot obviously improve the whole turbulent intensity of flue gas． The double-deck chain agitator can enlarge the area with high turbulent intensity and retard turbulent dissipation． Under this condition，the desired speed of the double-deck chain agitator is 100 r·min － 1 ． Meanwhile，the uniform distribution of flue gas inside the dense flow absorber and the gas-solid sufficient contact can be realized，most of particles are involved in internal recycling，and a small quantity of particles enter the dust catcher． The pressure loss of the system is approximately 200 Pa． KEY WORDS sintering; flue gases; desulfurization; computer simulation; flow fields; turbulence; particle tracks 收稿日期: 2011--09--26 烧结是钢铁工业中一个高污染、高排放的环节． 国家环境保护部、工业和信息化部均已提出了对烧 结工序的烟气脱硫的具体要求和时间表． “十二五” 期间，国家环境保护部将突出重点领域，推进二氧化 硫工程减排，在钢铁行业将全面实施烧结烟气脱硫． 目前我国烧结烟气脱硫技术是处于多样化发展阶 段，尚没有形成主导的技术模式． 烧结烟气由于具有流量大、SO2 浓度低、温度高 和极不稳定等特点，导致应用于其他工业烟气的成 熟脱硫技术不能直接应用于烧结烟气的脱硫［1］． 目 前工业烟气脱硫应用最为广泛的石灰石石膏湿法脱 硫系统由于系统复杂、占地面积大的特点，不适合大 部分没有预留足够空间的钢厂［2］． 烧结烟气 SO2 浓 度较低的特点使得半干法脱硫技术具有了可行性． 根据循环流态化特征不同，半干法脱硫反应器可以 分为气固并流上行床( 提升管) 和气固并流下行 床［3］． 前者由于具有较高的气固滑移速度，较好的 “三传一反”性能，在目前工业烟气脱硫工程中有一 定应用，如循环流化床法( circulating fluidized bed， CFB) ，由于烧结烟气流量波动大，提升管内烟气流 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.11.017

·1326 北京科技大学学报 第34卷 速极不稳定，当低于操作气速时就会出现“塌床”现 对烟气整流系统进行模拟仿真研究，相关尺寸和坐 象，这严重制约了其稳定性四.气固并流下行床由 标见图1.通过两种方法表征烟气分布效果：一是模 于其顺重力平推流的特点，没有最小操作气速，压力 拟烟气流线，直观定性地比较烟气分布均匀度：二是 损失小，运行较稳定，代表技术是旋转喷雾干燥法 定量比较不同高度平面不同位置的烟气流速，即在 (spray dryer absorber,SDA)法，其缺点是烟气湍流 不同的Y平面，Z取0，X取不同的值对比其速度，差 强度低，气固滑移速度低，不利于反应 值越小说明烟气分布越均匀 密相干塔烟气脱硫技术(dense flow absorber flue gas desulphurization,DFAFGD)是在气固并流 下行床的基础上，优化了塔体结构，增加了烟气整流 系统和链式搅拌器，调整了烟气流场，强化了“三传 一反”，成功应用于烧结烟气脱硫项目中.本文应 用Fluent软件模拟仿真了烟气整流系统和链式搅拌 器对烟气流场、循环灰轨迹和反应区湍流强度的影 6000 2000 响，探究和寻求合理的工况，为实际工程提供参考. 1研究内容与方法 密相干塔法在脱硫塔上部设置了烟气整流系 统，塔内脱硫反应区安装了链式搅拌器.某钢厂采 用的脱硫塔几何参数和运行基本参数如表1所示. 本文主要研究烟气整流系统和链式搅拌器的作用原 理，寻求合理的布置和运行模式.研究分为两方面： 图1烟气整流系统几何模型（单位：mm) 首先研究三种不同形式的烟气整流系统对烟气流场 Fig.I Geometric model of the flue gas rectifier system (unit:mm) 的影响，再研究链式搅拌器对烟气湍流的影响，最后 模拟优化后的密相干塔烟气流场、循环灰轨迹，总结 1.2链式搅拌器研究方法 密相干塔法主要技术元件的设计和运行方法. 链式搅拌器是一种有驱内构件，安装在密相干 表1密相干塔基本参数 塔的有效反应区，是脱硫系统的关键所在，目的是提 Table 1 Basic parameters of DFA 高塔内两相流动的湍流强度，提高有效反应区的气 参量 数值 固滑移速度，从而达到提高反应效率的目的，同时系 烟道截面尺寸/m 3.2×3.2 统不产生过高压力损失.链式搅拌器模拟为列阵排 塔体尺寸/m 8×5×18 布的条形叶片，每个叶片宽100mm,长1450mm,每 烟气平均流量/（万m3h1) 45 片相隔90°角安装在半径为50mm的驱动轴上，四 入口S02质量浓度/(mgm3) 1000~2000 片为一组，驱动轴由可变频的驱动电机带动旋转，每 入口烟气温度/℃ 100-160 根轴上安装15组叶片，每两根并列的轴形成一层链 循环灰质量浓度/(g”m3) 式搅拌器，第一层链式搅拌器排布在距密相塔顶部 400-800 循环灰中含水率/% 35 5.5m处，第二层链式搅拌器位于第一层下游4m 处，如图2所示.本文先模拟只安装第一层链式搅 钙硫比 0.9-1.6 拌器湍动能在密相干塔内不同截面的分布，研究链 循环倍率 20-100 式搅拌器转速对系统不同Y平面平均湍流强度的 1.1烟气整流系统研究方法 影响，然后模拟双层链式搅拌器湍动能在密相干塔 密相干塔的烟气整流系统影响烟气流场的主要 内不同截面的分布，研究层数对系统不同Y平面平 因素是导流板的大小、数量和位置.通过调整导流 均湍流强度的影响. 板的布置形式，以较小的压力损失，实现塔内有效反 1.3流体动力学的计算结果 应区烟气流动的均匀，同时要防止循环灰的沉积，并 1.3.1网格划分及模型选择 且防止在其后部产生明显的“卡门旋涡”共振效 在针对密相干塔内气固两相流动进行数值模拟 应m.本文以A、B和C三种导流板布置形式为例， 时，用Gambit软件生成密相干塔几何外形.为了提

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 速极不稳定，当低于操作气速时就会出现“塌床”现 象，这严重制约了其稳定性［4］． 气固并流下行床由 于其顺重力平推流的特点，没有最小操作气速，压力 损失小，运行较稳定，代表技术是旋转喷雾干燥法 ( spray dryer absorber，SDA) 法，其缺点是烟气湍流 强度低，气固滑移速度低，不利于反应［5］． 密相干 塔 烟 气 脱 硫 技 术 ( dense flow absorber flue gas desulphurization，DFA-FGD) 是在气固并流 下行床的基础上，优化了塔体结构，增加了烟气整流 系统和链式搅拌器，调整了烟气流场，强化了“三传 一反”，成功应用于烧结烟气脱硫项目中［6］． 本文应 用 Fluent 软件模拟仿真了烟气整流系统和链式搅拌 器对烟气流场、循环灰轨迹和反应区湍流强度的影 响，探究和寻求合理的工况，为实际工程提供参考． 1 研究内容与方法 密相干塔法在脱硫塔上部设置了烟气整流系 统，塔内脱硫反应区安装了链式搅拌器． 某钢厂采 用的脱硫塔几何参数和运行基本参数如表 1 所示． 本文主要研究烟气整流系统和链式搅拌器的作用原 理，寻求合理的布置和运行模式． 研究分为两方面: 首先研究三种不同形式的烟气整流系统对烟气流场 的影响，再研究链式搅拌器对烟气湍流的影响，最后 模拟优化后的密相干塔烟气流场、循环灰轨迹，总结 密相干塔法主要技术元件的设计和运行方法． 表 1 密相干塔基本参数 Table 1 Basic parameters of DFA 参量 数值 烟道截面尺寸/m 3. 2 × 3. 2 塔体尺寸/m 8 × 5 × 18 烟气平均流量/( 万 m3 ·h － 1 ) 45 入口 SO2 质量浓度/( mg·m － 3 ) 1 000 ～ 2 000 入口烟气温度/℃ 100 ～ 160 循环灰质量浓度/( g·m － 3 ) 400 ～ 800 循环灰中含水率/% 3 ～ 5 钙硫比 0. 9 ～ 1. 6 循环倍率 20 ～ 100 1. 1 烟气整流系统研究方法 密相干塔的烟气整流系统影响烟气流场的主要 因素是导流板的大小、数量和位置． 通过调整导流 板的布置形式，以较小的压力损失，实现塔内有效反 应区烟气流动的均匀，同时要防止循环灰的沉积，并 且防止在其后部产生明显的“卡门旋涡”共振效 应［7］． 本文以 A、B 和 C 三种导流板布置形式为例， 对烟气整流系统进行模拟仿真研究，相关尺寸和坐 标见图 1． 通过两种方法表征烟气分布效果: 一是模 拟烟气流线，直观定性地比较烟气分布均匀度; 二是 定量比较不同高度平面不同位置的烟气流速，即在 不同的 Y 平面，Z 取 0，X 取不同的值对比其速度，差 值越小说明烟气分布越均匀． 图 1 烟气整流系统几何模型( 单位: mm) Fig． 1 Geometric model of the flue gas rectifier system ( unit: mm) 1. 2 链式搅拌器研究方法 链式搅拌器是一种有驱内构件，安装在密相干 塔的有效反应区，是脱硫系统的关键所在，目的是提 高塔内两相流动的湍流强度，提高有效反应区的气 固滑移速度，从而达到提高反应效率的目的，同时系 统不产生过高压力损失． 链式搅拌器模拟为列阵排 布的条形叶片，每个叶片宽 100 mm，长 1 450 mm，每 片相隔 90°角安装在半径为 50 mm 的驱动轴上，四 片为一组，驱动轴由可变频的驱动电机带动旋转，每 根轴上安装 15 组叶片，每两根并列的轴形成一层链 式搅拌器，第一层链式搅拌器排布在距密相塔顶部 5. 5 m 处，第二层链式搅拌器位于第一层下游 4 m 处，如图 2 所示． 本文先模拟只安装第一层链式搅 拌器湍动能在密相干塔内不同截面的分布，研究链 式搅拌器转速对系统不同 Y 平面平均湍流强度的 影响，然后模拟双层链式搅拌器湍动能在密相干塔 内不同截面的分布，研究层数对系统不同 Y 平面平 均湍流强度的影响． 1. 3 流体动力学的计算结果 1. 3. 1 网格划分及模型选择 在针对密相干塔内气固两相流动进行数值模拟 时，用 Gambit 软件生成密相干塔几何外形． 为了提 ·1326·

第11期 张东辉等：密相干塔烧结烟气脱硫系统仿真研究 ·1327· 2 研究结果分析 2.1烟气整流系统对烟气分布的影响 密相干塔烟气整流系统不同导流板布置形式下 模拟的烟气流线如图3所示；塔内不同高度平面烟 气流速分布如图4所示；塔内不同截面的湍动能梯 度如图5所示 -10-8 -16 -2024 K/m 6820 烟气流速ms 图2链式搅拌器几何模型 Fig.2 Geometric model of the chain agitator 图3不同导流板布置形式下的烟气流线 Fig.3 Flue gas streamlines with different baffle arrangements 高计算的稳定性和精度，数值模拟中网格划分采用 从图3中可以看到，在烟气整流系统的作用下， 混合网格技术.在几何形状规则的数值模拟区域采 烟气都没有出现流化床易出现的返混现象网，但A、 用六面体型结构化网格，在几何形状不规则的区域 采用四面体型非结构化网格.本次数值模拟共设置 了85140个计算网格，176383个面，17538个节点. -2 在uent软件中，气相采用标准k一s湍流模型 封闭N-S方程，对颗粒相轨道采用基于Euler- 6 -8 Lagrange方法的离散相模型(discrete phase model, -10 DPM)进行计算，粒径参数根据工程中的实际灰样 -12 粒径分布数据拟合，中位径为263μum,分布系数为 1.035,最小粒径为20m,最大粒径为1000um.计 算过程采用耦合式求解器，离散格式采用二阶精度 0 -2 格式，压力和速度耦合采用SIMPLE算法 -4 1.3.2边界条件 6 密相干塔反应器入口采用速度入口边界条件， -8 速度取恒定值，由于该位置前有长距离的烟道，故可 -10 V-6m 视为完全发展的管流.在针对入口的湍动能、湍流 -12 2 耗散率、湍流强度及雷诺数的估算上利用Fortune编 译的计算器求解.在本模拟中，速度取18m·s、湍 -2 流强度取2.46%以及水头直径取3.2m;反应器出 口采用压力出口边界条件，反应器出口与布袋除尘 器的入口相连接，该位置相对静压在-800~ =0m -900Pa波动，数值模拟取值为-850Pa:烟道、反应 -Y=6m 器外壳、导流板及链式搅拌器采用壁面边界条件用 -10 0 于限制流体和固体区域，其中链式搅拌器设为滑移 X/m 壁面，绕其轴心按一定速度转动，其他壁面边界采用 图4不同Y平面烟气流速分布(Z=0m) 默认的非滑移边界条件 Fig.4 Flue gas velocity distributions in different Y planes(Z=0m)

第 11 期 张东辉等: 密相干塔烧结烟气脱硫系统仿真研究 图 2 链式搅拌器几何模型 Fig． 2 Geometric model of the chain agitator 高计算的稳定性和精度，数值模拟中网格划分采用 混合网格技术． 在几何形状规则的数值模拟区域采 用六面体型结构化网格，在几何形状不规则的区域 采用四面体型非结构化网格． 本次数值模拟共设置 了 85 140 个计算网格，176 383 个面，17 538 个节点． 在 Fluent 软件中，气相采用标准 k--ε 湍流模型 封闭 N--S 方 程，对 颗 粒 相 轨 道 采 用 基 于 Euler￾Lagrange方法的离散相模型( discrete phase model， DPM) 进行计算，粒径参数根据工程中的实际灰样 粒径分布数据拟合，中位径为 263 μm，分布系数为 1. 035，最小粒径为 20 μm，最大粒径为 1 000 μm． 计 算过程采用耦合式求解器，离散格式采用二阶精度 格式，压力和速度耦合采用 SIMPLE 算法． 1. 3. 2 边界条件 密相干塔反应器入口采用速度入口边界条件， 速度取恒定值，由于该位置前有长距离的烟道，故可 视为完全发展的管流． 在针对入口的湍动能、湍流 耗散率、湍流强度及雷诺数的估算上利用 Fortune 编 译的计算器求解． 在本模拟中，速度取 18 m·s － 1 、湍 流强度取 2. 46% 以及水头直径取 3. 2 m; 反应器出 口采用压力出口边界条件，反应器出口与布袋除尘 器的 入 口 相 连 接，该位置相对静压在 － 800 ～ － 900 Pa波动，数值模拟取值为 － 850 Pa; 烟道、反应 器外壳、导流板及链式搅拌器采用壁面边界条件用 于限制流体和固体区域，其中链式搅拌器设为滑移 壁面，绕其轴心按一定速度转动，其他壁面边界采用 默认的非滑移边界条件． 2 研究结果分析 2. 1 烟气整流系统对烟气分布的影响 密相干塔烟气整流系统不同导流板布置形式下 模拟的烟气流线如图 3 所示; 塔内不同高度平面烟 气流速分布如图 4 所示; 塔内不同截面的湍动能梯 度如图 5 所示． 图 3 不同导流板布置形式下的烟气流线 Fig． 3 Flue gas streamlines with different baffle arrangements 图 4 不同 Y 平面烟气流速分布( Z = 0 m) Fig． 4 Flue gas velocity distributions in different Y planes( Z = 0 m) 从图 3 中可以看到，在烟气整流系统的作用下， 烟气都没有出现流化床易出现的返混现象［8］，但 A、 ·1327·

·1328· 北京科技大学学报 第34卷 B中均出现了不同位置的烟气流动死区，而C中烟 致，这点也与图4的Y=6m曲线相吻合；同时也可 气分布较为均匀且无明显的流动死区出现.从图4 以看到，经过导流板的整流作用脱硫主反应区湍动 中可以看到，导流板的加入使烟气流速在整流区 能都出现了降低，烟气分布越均匀湍动能越低，单靠 (Y=6m平面)出现了较大的波动，进入脱硫主反应 导流板不能同时实现烟气整流和提高湍动能的目 区后，A、B中烟气流动均倾向于左低右高的趋势， 的.考虑到烟气分布的均匀性对于脱硫反应意义重 最小流速低于1m·s，而最高流速却达到 大，烟气整流系统的压力损失并不大，烟气的湍动能 8.1ms1以上，C图中塔内烟气流动速度较为均 可以通过其他方式提高，本文选取C为烟气整流系 匀，流速均在4~6ms-内波动，这些都与图3的烟 统较优导流板布置形式.在实际工程中，随着烟气 气流线相吻合.利用Fluent计算A、B和C三种布 参数和烟道形状的改变，烟气整流系统导流板的布 置形式的压力损失分别为32、36和47Pa,可见布气 置方式也要做相应的调整.此外虽然导流板在设计 的均匀是以增加压力损失为代价的.从图5中可以 时考虑了循环灰的安息角等因素，但运行中还是可 看到，加设导流板后整流区烟气的湍动能明显升高， 能会出现局部粘灰的现象，所以在系统检修时要对 这是由于气流绕过障碍物产生“卡门旋涡”现象所 烟气整流系统检查维护 2 0 864-202421 -10-864-202421 -10-8-6 -4 0 42 B m m 湍动能m2,s 0.551.051552.062.563.063.564.064.575.075.576.076.587.087.58 图5不同截面的湍动能梯度 Fig.5 Turbulent kinetic energy gradients in different sections 2.2链式搅拌器的仿真研究 时，密相干塔内不同截面的湍动能梯度如图6所示： 2.2.1单层链式搅拌器对密相干塔内湍流的影响 链式搅拌器取不同转速时，塔内不同Y平面的平均 安装单层链式搅拌器，转速设为l00r·mim-1 湍流强度如图7所示 满动能m2.s 31 2 2 0 -2 2 6 -10 -10 -12 12 -14 10-8-64-2024682 0 X/m 10-8-64-202468 16 A/m 图6不同截面的湍动能梯度（单层链式搅拌器） Fig.6 Turbulent kinetic energy gradients in different sections (single-deck chain agitator)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 B 中均出现了不同位置的烟气流动死区，而 C 中烟 气分布较为均匀且无明显的流动死区出现． 从图 4 中可以看到，导流板的加入使烟气流速在整流区 ( Y = 6 m 平面) 出现了较大的波动，进入脱硫主反应 区后，A、B 中烟气流动均倾向于左低右高的趋势， 最小 流 速 低 于 1 m·s － 1 ，而最高流速却达到 8. 1 m·s － 1 以上，C 图中塔内烟气流动速度较为均 匀，流速均在 4 ～ 6 m·s － 1 内波动，这些都与图 3 的烟 气流线相吻合． 利用 Fluent 计算 A、B 和 C 三种布 置形式的压力损失分别为 32、36 和 47 Pa，可见布气 的均匀是以增加压力损失为代价的． 从图 5 中可以 看到，加设导流板后整流区烟气的湍动能明显升高， 这是由于气流绕过障碍物产生“卡门旋涡”现象所 致，这点也与图 4 的 Y = 6 m 曲线相吻合; 同时也可 以看到，经过导流板的整流作用脱硫主反应区湍动 能都出现了降低，烟气分布越均匀湍动能越低，单靠 导流板不能同时实现烟气整流和提高湍动能的目 的． 考虑到烟气分布的均匀性对于脱硫反应意义重 大，烟气整流系统的压力损失并不大，烟气的湍动能 可以通过其他方式提高，本文选取 C 为烟气整流系 统较优导流板布置形式． 在实际工程中，随着烟气 参数和烟道形状的改变，烟气整流系统导流板的布 置方式也要做相应的调整． 此外虽然导流板在设计 时考虑了循环灰的安息角等因素，但运行中还是可 能会出现局部粘灰的现象，所以在系统检修时要对 烟气整流系统检查维护． 图 5 不同截面的湍动能梯度 Fig． 5 Turbulent kinetic energy gradients in different sections 图 6 不同截面的湍动能梯度( 单层链式搅拌器) Fig． 6 Turbulent kinetic energy gradients in different sections ( single-deck chain agitator) 2. 2 链式搅拌器的仿真研究 2. 2. 1 单层链式搅拌器对密相干塔内湍流的影响 安装单层链式搅拌器，转速设为 100 r·min － 1 时，密相干塔内不同截面的湍动能梯度如图 6 所示; 链式搅拌器取不同转速时，塔内不同 Y 平面的平均 湍流强度如图 7 所示． ·1328·

第11期 张东辉等：密相干塔烧结烟气脱硫系统仿真研究 ·1329· 45r 链式搅拌器的安装位置处，变化更加明显.这是因 为链式搅拌器能够增强密相干塔内的湍流，其主要 40 +转速100rmin ·转述200r-min 原因是其旋转的动能和动量向烟气和循环灰的传 35 女转速300rmin 递.链式搅拌器转动速度越快其叶片具有的动能 30 -转速400rmin 和动量就越大，对烟气的扰动和搅拌作用就越强， 25 烟气的湍流强度就越大.从图7中还可以看到，链 20 式搅拌器的转速从100r·min-提高到400r·min-1 15 的过程中，其湍流强度并没有呈倍数增长，每次增 长幅度不超过10%.这是由于烟气动力黏度较 23456789 平面到塔顶距离m 低，其切向传递动量的能力较弱。考虑到转速的提 图7不同转速下Y平面上的平均湍流强度 高对塔内整体湍流强度提升能力有限，综合考虑 Fig.7 Average turbulence intensities in different Y planes at differ- 节能和链式搅拌器使用寿命，本文选取 ent revolving speeds 100r"min-1为较优转速.在实际工程中，可以根据 从图6中可以看到，安装第一层链式搅拌器后 烧结烟气的不同工况调整链式搅拌器转速，优化 密相干塔内的湍流 密相塔内湍动能发生了明显的变化，特别是链式搅 拌器所在的区域，湍动能比图5中C布置方式且未 2.2.2双层链式搅拌器对密相干塔内湍流的影响 安装链式搅拌器相比增大了4~5倍，这个区域与导 安装双层链式搅拌器，转速设为l00r·min-1 流板所形成的高湍动能区域相连接，近叶片处出现 时，密相干塔内不同截面的湍动能梯度如图8所示： 了极高的湍动能边界层.从图7中可以看到链式搅 比较未装链式搅拌器和安装单层、双层链式搅拌器 拌器转速越快，密相干塔内湍流强度就越大，特别是 塔内不同Y平面的平均湍流强度如图9所示 湍动能m2.s 9 0 -2 2 4 -6 6 -8 -8 -10 -10 -12 -12 -14 -14 -1086420246820 -16 -108-642024682 16 X/m m 图8不同截面的湍动能梯度（双层链式搅拌器） Fig.8 Turbulent kinetic energy gradients in different sections (double-deck chain agitator) 从图8中可以看到，安装双层链式搅拌器后，增 从图中曲线可以看到，设置一层链式搅拌器后密相 大了密相干塔内高湍动能区体积.根据半干法脱硫 塔内部产生了一个明显的高湍流强度的峰值，但是 理论，恒速干燥阶段是提高脱硫反应效率的关键，根 这个高湍流强度峰值迅速衰减，对烟气流动下游的 据Ranz和Marshall的经验公式结合密相干塔工况， 影响有限.当设置了第二层链式搅拌器后，不仅扩 该阶段时间为1~3s回.安装双层链式搅拌器后， 大了第一个高湍流强度区域的分布范围，而且在其 塔内的高湍动能区覆盖了该工况下密相干塔内的全 下游4m处形成了第二个高湍流强度区域，其湍流 部恒速干燥区，极大地优化了脱硫反应过程.从图9 强度比无链式搅拌器时提高了4~5倍，比安装单层 中可以看到，安装双层链式搅拌器后密相干塔横切 链式搅拌器时提高了3~4倍.综合考虑半干法脱 面平均湍流强度峰值出现在A、B位置(A、B两点所 硫工艺的特点和密相干塔的结构，本文选取双层链 对应的横坐标值分别为两层链式搅拌器的位置). 式搅拌器为较优条件.在实际工程中，可以根据不

第 11 期 张东辉等: 密相干塔烧结烟气脱硫系统仿真研究 图 7 不同转速下 Y 平面上的平均湍流强度 Fig． 7 Average turbulence intensities in different Y planes at differ￾ent revolving speeds 从图 6 中可以看到，安装第一层链式搅拌器后 密相塔内湍动能发生了明显的变化，特别是链式搅 拌器所在的区域，湍动能比图 5 中 C 布置方式且未 安装链式搅拌器相比增大了 4 ～ 5 倍，这个区域与导 流板所形成的高湍动能区域相连接，近叶片处出现 了极高的湍动能边界层． 从图 7 中可以看到链式搅 拌器转速越快，密相干塔内湍流强度就越大，特别是 链式搅拌器的安装位置处，变化更加明显． 这是因 为链式搅拌器能够增强密相干塔内的湍流，其主要 原因是其旋转的动能和动量向烟气和循环灰的传 递． 链式搅拌器转动速度越快其叶片具有的动能 和动量就越大，对烟气的扰动和搅拌作用就越强， 烟气的湍流强度就越大． 从图 7 中还可以看到，链 式搅拌器的转速从 100 r·min － 1 提高到 400 r·min － 1 的过程中，其湍流强度并没有呈倍数增长，每次增 长幅度 不 超 过 10% ． 这是由于烟气动力黏度较 低，其切向传递动量的能力较弱． 考虑到转速的提 高对塔内整体湍流强度提升能力有限，综合考虑 节能 和 链 式 搅 拌 器 使 用 寿 命，本 文 选 取 100 r·min － 1 为较优转速． 在实际工程中，可以根据 烧结烟气的不同工况调整链式搅拌器转速，优化 密相干塔内的湍流． 2. 2. 2 双层链式搅拌器对密相干塔内湍流的影响 安装双层链式搅拌器，转速设为 100 r·min － 1 时，密相干塔内不同截面的湍动能梯度如图 8 所示; 比较未装链式搅拌器和安装单层、双层链式搅拌器 塔内不同 Y 平面的平均湍流强度如图 9 所示． 图 8 不同截面的湍动能梯度( 双层链式搅拌器) Fig． 8 Turbulent kinetic energy gradients in different sections ( double-deck chain agitator) 从图 8 中可以看到，安装双层链式搅拌器后，增 大了密相干塔内高湍动能区体积． 根据半干法脱硫 理论，恒速干燥阶段是提高脱硫反应效率的关键，根 据 Ranz 和 Marshall 的经验公式结合密相干塔工况， 该阶段时间为 1 ～ 3 s ［9］． 安装双层链式搅拌器后， 塔内的高湍动能区覆盖了该工况下密相干塔内的全 部恒速干燥区，极大地优化了脱硫反应过程． 从图 9 中可以看到，安装双层链式搅拌器后密相干塔横切 面平均湍流强度峰值出现在 A、B 位置( A、B 两点所 对应的横坐标值分别为两层链式搅拌器的位置) ． 从图中曲线可以看到，设置一层链式搅拌器后密相 塔内部产生了一个明显的高湍流强度的峰值，但是 这个高湍流强度峰值迅速衰减，对烟气流动下游的 影响有限． 当设置了第二层链式搅拌器后，不仅扩 大了第一个高湍流强度区域的分布范围，而且在其 下游 4 m 处形成了第二个高湍流强度区域，其湍流 强度比无链式搅拌器时提高了 4 ～ 5 倍，比安装单层 链式搅拌器时提高了 3 ～ 4 倍． 综合考虑半干法脱 硫工艺的特点和密相干塔的结构，本文选取双层链 式搅拌器为较优条件． 在实际工程中，可以根据不 ·1329·

·1330· 北京科技大学学报 第34卷 40 同的烟气参数和预期脱硫效果来设计链式搅拌器安 装数量，同时也可以根据工况调整链式搅拌器启动 35 一双层链式搅拌器 ◇~单层链式搅拌器 的数量，这些都体现了密相干塔对工况较强的适应 ·一无链式搅拌器 30 性和可操作性 2.3优化后密相干塔的仿真研究 20 优化后的密相干塔塔内烟气流线、循环灰迹线 如图10所示. 15 从图10中可以看到，优化后的密相干塔烟气流 10 线和循环灰都能均匀分布并能充分接触，链式搅拌 5023456789101112131415 器在增加烟气湍动能的同时，没有影响主流烟气的 平面到塔顶距离m 均匀分布，也没有产生烟气返混现象，这些对脱硫反 图9不同搅拌方式下Y平面的平均湍流强度 应都是有利的.链式搅拌器可以一定程度上改变循 Fig.9 Average turbulence intensities in different Y planes with dif- 环灰颗粒的运动轨迹，粒径越大影响越明显.半干 ferent stirring method 法脱硫工艺普遍存在的一个较大的问题就是循环灰 b 1.92×10 001-3 1.7300 L.63×10 54×0 1,44×10 1.34×10 1,25×10 1.15×10 1.06x10 9.60x10Y 8.64×10° 7.68x10㎡ 6.72×1㎡ 5.76x10P 4.80x10P 5×10 3.84×10 2.88×10㎡ 1.92x10㎡ 9.60x101 气流速度m· 粒子直径m 图10密相干塔烟气流线(a)和循环灰迹线(b) Fig.10 Flue gas streamlines in DFA (a)and trajectory of circulating ash (b) 加湿不均时，会出现局部团聚，进而导致粘壁甚至板 板布置形式为C,此时烟气能够实现均匀分布，流速 结，严重危害系统的稳定运行.链式搅拌器的另一 在4~6m·s1内波动，压力损失为47Pa;链式搅拌 个重要作用就是将可能团聚的循环灰打碎，防止粘 器能够增大密相干塔内的湍动能，对其附近区域效 壁板结等问题的发生，从图中还可以看到，大部 果尤为明显，转速为l00r·min条件下，湍动能增 分的循环灰会沉积到灰斗，少部分的小粒径循环灰 大了4~5倍；提高链式搅拌器转速可以一定程度上 会被烟气携带出去进入布袋除尘器，一方面强化了 提升局部烟气的湍流强度，但对整体湍流强度提升 内循环，另一方面有效地降低了布袋除尘器的负 效果不明显：安装双层链式搅拌器可以增大高湍流 荷.经Fluent计算，整个密相干塔的压力损失约 强度覆盖区，且与单层相比湍流强度不易衰减.在 为200Pa,其中烟气整流系统和两层链式搅拌器分 该工况下，安装双层链式搅拌器，转速为l00r·minl 别产生约50Pa和100Pa的压力损失.可见即使加 较为理想 了内构件后，密相干塔由于是顺重力流，压力损失依 在最优条件下模拟结果显示：密相干塔可以实 然不大.在该钢厂烧结烟气脱硫项目的实际运行 现烟气的均匀分布和气固充分接触，链式搅拌器对 中，密相干塔的脱硫率能够达到90%以上，并表现 大颗粒循环灰的运动能产生明显的影响，大部分循 出良好的适应性，脱硫自控系统(programmable logic 环灰颗粒能够沉降参与内循环，只有少部分的小颗 controller,PLC)会在烟气参数波动的情况下，调整 粒被烟气携带进入除尘器，密相干塔的压力损失约 相关运行参数使系统稳定高效的运行 为200Pa. 3结论 参考文献 密相干塔烟气整流系统在表1工况下较优导流 [1]Dang Y H.Technology of flue gas desulfurization.Iron Steel

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 9 不同搅拌方式下 Y 平面的平均湍流强度 Fig． 9 Average turbulence intensities in different Y planes with dif￾ferent stirring method 同的烟气参数和预期脱硫效果来设计链式搅拌器安 装数量，同时也可以根据工况调整链式搅拌器启动 的数量，这些都体现了密相干塔对工况较强的适应 性和可操作性． 2. 3 优化后密相干塔的仿真研究 优化后的密相干塔塔内烟气流线、循环灰迹线 如图 10 所示． 从图 10 中可以看到，优化后的密相干塔烟气流 线和循环灰都能均匀分布并能充分接触，链式搅拌 器在增加烟气湍动能的同时，没有影响主流烟气的 均匀分布，也没有产生烟气返混现象，这些对脱硫反 应都是有利的． 链式搅拌器可以一定程度上改变循 环灰颗粒的运动轨迹，粒径越大影响越明显． 半干 法脱硫工艺普遍存在的一个较大的问题就是循环灰 图 10 密相干塔烟气流线( a) 和循环灰迹线( b) Fig． 10 Flue gas streamlines in DFA ( a) and trajectory of circulating ash ( b) 加湿不均时，会出现局部团聚，进而导致粘壁甚至板 结，严重危害系统的稳定运行． 链式搅拌器的另一 个重要作用就是将可能团聚的循环灰打碎，防止粘 壁板结等问题的发生［10］． 从图中还可以看到，大部 分的循环灰会沉积到灰斗，少部分的小粒径循环灰 会被烟气携带出去进入布袋除尘器，一方面强化了 内循环，另一方面有效地降低了布袋除尘器的负 荷［11］． 经 Fluent 计算，整个密相干塔的压力损失约 为 200 Pa，其中烟气整流系统和两层链式搅拌器分 别产生约 50 Pa 和 100 Pa 的压力损失． 可见即使加 了内构件后，密相干塔由于是顺重力流，压力损失依 然不大． 在该钢厂烧结烟气脱硫项目的实际运行 中，密相干塔的脱硫率能够达到 90% 以上，并表现 出良好的适应性，脱硫自控系统( programmable logic controller，PLC) 会在烟气参数波动的情况下，调整 相关运行参数使系统稳定高效的运行． 3 结论 密相干塔烟气整流系统在表 1 工况下较优导流 板布置形式为 C，此时烟气能够实现均匀分布，流速 在 4 ～ 6 m·s － 1 内波动，压力损失为 47 Pa; 链式搅拌 器能够增大密相干塔内的湍动能，对其附近区域效 果尤为明显，转速为 100 r·min － 1 条件下，湍动能增 大了 4 ～ 5 倍; 提高链式搅拌器转速可以一定程度上 提升局部烟气的湍流强度，但对整体湍流强度提升 效果不明显; 安装双层链式搅拌器可以增大高湍流 强度覆盖区，且与单层相比湍流强度不易衰减． 在 该工况下，安装双层链式搅拌器，转速为100 r·min － 1 较为理想． 在最优条件下模拟结果显示: 密相干塔可以实 现烟气的均匀分布和气固充分接触，链式搅拌器对 大颗粒循环灰的运动能产生明显的影响，大部分循 环灰颗粒能够沉降参与内循环，只有少部分的小颗 粒被烟气携带进入除尘器，密相干塔的压力损失约 为 200 Pa． 参 考 文 献 ［1］ Dang Y H． Technology of flue gas desulfurization． J Iron Steel ·1330·

第11期 张东辉等：密相干塔烧结烟气脱硫系统仿真研究 ·1331· Res,2010,22(5):1 Qinghai Norm Univ Nat Sei,2005(3):23 (党玉华.烧结烟气脱硫技术.钢铁研究学报，2010,22(5)： (侯海存.卡门旋涡的理论分析及应用.青海师范大学学报： ) 自然科学版，2005(3)：23) Feng L.Analysis of wet type desulphurization method of sintering [8]Wang J C,Wang X Y,Wang S D,et al.The research on gas-sol- exhaust fume.Min Eng,2011,9(3)66 id flow in high particle flux CFB's riser.Boiler Technol,2010,41 (冯雷.烧结烟气湿法脱硫方案浅析.矿业工程，2011,9(3)： (1):36 66) (王嘉昌，王雪瑶，王圣典，等.高通量循环流化床提升管中 3]Zhao YZ,Cheng Y,Jin Y.CFD-DEM simulation of clustering 气固两相流动的研究.锅炉技术，2010,41(1)：36) phenomena in riser and downer.J Chem Ind Eng China,2007, 9] Zbicinski I,Grabowski S,Strumillo C,et al.Mathematical mod- 58(1):44 elling of spray drying.Comput Chem Eng,1988,12(2/3):209 (赵永志，程易，金涌.提升管与下行床颗粒团聚行为的离散 [10] Zheng X Y,Liu B Q.Mechanism research on particle clustering 颗粒模拟.化工学报，2007,58(1)：44) and crushing in dense flue gas.Electr Power Enriron Prot,2006, 4]Zhou YC,Peng J.Zhu X,et al.Hydrodynamics of gas-solid flow 22(1):55 in the circulating fluidized bed reactor for dry flue gas desulfuriza- (郑辛阳，刘柏谦.密相烟气颗粒团聚及破碎方法的研究 tion.Pouder Technol,2011,205(1-3)208 电力环境保护，2006,22(1)：55) [5]Wang F.Lu M.The study on spray dryer absorber flue gas desul- [11]Zhu JL,Chen X J,Zhang T,et al.Computational fluid dynam- furization for industrial boiler.Fuel Energy Abstr,2002,43 (4): ics simulation of hydrodynamics in an internal-oop fluidized bed 274 reactor with a funnel-shaped intemal.Acta Sci Circumstantiae, [6]Chang G Q,Song C Y,Wang L.A modeling and experimental 2011,31(6):1212 study of flue gas desulfurization in a dense phase tower.Hazard- (朱家亮，陈祥佳，张涛，等.基于CFD的内构件强化内循 ous Mater,2011,189(1/2):134 环流化床流场结构分析.环境科学学报，2011,31(6)： Hou HC.Preliminary analysis and application on Karman swirl.J 1212)

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