范俊俊

(山西威德睦方煤矿设计咨询有限公司，山西 太原 030001)

引 言

随着经济社会的不断发展，人类对石化燃料的消耗不断增加，其在推动人类社会不断进步的同时也造成了严重的环境污染，特别是煤炭燃料在燃烧过程中会产生大量的粉尘、二氧化硫、二氧化碳等污染物质，导致全球气候变暖、酸雨等，给人类社会造成了巨大的经济损失[1]。在全球环保意识不断增强的今天，如何在确保经济社会对煤炭等石化燃料需求的同时，降低其在燃烧过程中对大气的污染，已经成为人类迫切需要研究的课题。本文针对现有的工业锅炉在燃气排放过程中对二氧化硫和粉尘的脱硫除尘效果差、成本高昂的缺点，应用FLUENT仿真分析软件对锅炉脱硫除尘的工作流场特性进行分析，并进行针对性的优化，有效地提升了锅炉脱硫除尘效果。

1 锅炉脱硫除尘系统工艺流程

本文以某型锅炉的脱硫除尘系统为研究对象，其脱硫除尘的工艺流程，如图1所示[2]。

在该锅炉脱硫除尘系统中，其主要将氢氧化钙作为主要脱硫剂，用于对燃烧时产生的硫化物进行处理，该系统主要包括了脱硫剂的供应设备、烟气系统电除尘设备、脱硫灰循环及排放系统等。

当锅炉内的燃料燃烧后的气体排出锅炉后，首先经过预除尘装置的处理，然后由吸收塔的底部逐渐进入到吸收塔内，在吸收塔内与氢氧化钙等脱硫剂发生反应，实现对硫化物的吸收。经脱硫后的烟尘从吸收塔的顶板排出，进入到布袋除尘系统内，通过布袋除尘系统收集的粉尘再进入到脱硫灰循环及排放系统内，经过反复脱硫循环后传输到脱硫灰库，最后，通过加湿设备对其进行加湿后外排，烟气在经过脱硫除尘后通过引风机进入烟道内排放到空气中。

图1 脱硫除尘工艺流程图

2 锅炉脱硫除尘系统的数值模拟

当烟气在吸收塔内流动时，其是由烟尘颗粒、水雾及高温烟气组成的固、液、气相结合的三维流场，因此，为了对烟气在锅炉内的脱硫除尘过程进行分析，可利用Fluent流体仿真分析软件对其工作过程进行仿真分析，在分析时采用k-ε湍流模型作为分析时的基准模型。

以某型锅炉脱硫除尘装置为基准对象，利用三维建模软件建立其三维机构模型，其塔身总高为45.6 m，塔身直径为6.5 m，布袋除尘装置的高度为14.78 m，将三维模型与FLUENT仿真分析软件结合，分别对脱硫剂不同加入位置情况下脱硫效果的影响进行仿真分析，结果如148页图2、图3所示。

图2 脱硫剂从文丘里管下方注入时SO2的质量浓度示意图

图3 脱硫剂从文丘里管上方注入时SO2的质量浓度示意图

由仿真分析结果可知，当将脱硫剂从文丘里管的上方注入时，二氧化硫气体在吸收塔内的分布均匀性更高，能更加充分地与脱硫剂进行反应。这主要是由于，当将脱硫剂从文丘里管[3]上方注入时，对吸收塔内烟尘流场产生偏流作用，其速度场及浓度场的分布均匀性更好，脱硫剂在吸收塔内各处停留时间基本一致，使其能够与吸收塔内的二氧化硫气体进行充分的接触，充分地利用吸收塔内的空间。

烟尘在锅炉内扩散的轨迹，如图4所示。

图4 烟尘在脱硫除尘装置内的扩散流场示意图

由仿真分析结果可知，烟尘在烟道内随着高度的升高其粉尘含量的浓度逐渐降低，这主要是因为，部分烟尘在上升过程中在气流作用下相互碰撞、结合，使其体积增加、质量增大，在重力作用下逐渐下落[4]。在经过布袋除尘装置后其粉尘质量浓度快速地从最初的约600 mg/m3降低为100 mg/m3以下，除尘效果显着。

通过以上分析可知，进行脱硫除尘时采用从文丘里管上方注入脱硫剂，同时配合布袋除尘方案，能够使该锅炉脱硫除尘效果达到最佳。

3 吸收塔系统的优化设计

为了进一步提升锅炉脱硫除尘的效果，在以上分析研究的基础上，结合实际工作经验，本文提出了以下优化方案：

1) 对吸收塔结构进行优化。将脱硫剂的喷管方向设置为和烟气流出方向相同，并且设置到文丘里管的上端，且在四周呈环形分布，使脱硫剂加入时进一步优化吸收塔内的气流流场，加大烟尘和脱硫剂的接触时间和有效接触面积，进一步提升脱硫效率。

2) 脱硫灰循环及排放系统的优化。在现有系统结构中，长期循环脱灰时会导致在循环通道内灰尘的集聚，因此，可在循环系统的入口位置设置一个热风吹入装置，一方面，提升了循环灰尘的温度，避免低温下的黏结，另一方面，可以提高循环灰尘与脱硫剂的反应速度，提升循环脱硫效果。

3) 优化喷枪的喷嘴结构。将目前常用的液体单相喷枪更改为气液双相喷枪结构，在进行喷淋时同步通入高压气体，进一步将液体粉碎化处理，增加雾化效果，提高脱硫效率。

4 结论

本文通过对锅炉脱硫除尘工作原理的分析，利用FLUENT仿真分析软件对脱硫除尘过程进行了仿真分析，并根据分析结果针对性地提出了结构优化方案，结果如下。

1) 将脱硫剂从文丘里管上方注入时的脱硫效果要显着高于将脱硫剂从文丘里管下方注入时的脱硫效果。

2) 布袋除尘装置能够将粉尘质量浓度从600 mg/m3快速降低为100 mg/m3以下，除尘效果显着。

3) 当在进行脱硫除尘时采用从文丘里管上方注入脱硫剂，同时配合布袋除尘方案，能够使该锅炉脱硫除尘效果达到最优。

4) 通过对吸收塔结构、脱硫灰循环及排放系统及喷枪的喷嘴结构的合理优化均能够有效地提升锅炉脱硫除尘系统对二氧化硫和粉尘的过滤效果。