基于CFD 的脫硫除塵系統煙道阻力控制

任軒，尹成，任凱，王晨，白文文

（西安龍凈環?？萍加邢薰?，西安 710075）

煙道結構設計的優劣直接影響到整個系統能否安全高效運行[1]。煙道阻力是煙道結構設計中需要考慮的重要因素之一，通過計算流體力學（CFD）模擬對管道進行阻力的修正，優化管道結構，添加導流裝置，可實現脫硫除塵系統的最優化配置[1]。作為研究流體流動的常用方法，基于CFD 數值模擬的工程設計在工業領域中得到了越來越廣泛的應用。CFD 是計算機技術的一種數值計算工具，用于求解流體的流動和傳熱問題。CFD 數值模擬相對于實驗研究，具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優點[2]。

1 問題及原因分析

以某鋼廠的高爐煙氣3#脫硫除塵項目的出氣煙道為例，該系統的工藝流程為：高爐煤氣進入燃氣鍋爐燃燒，燃燒后的煙氣進入旋轉噴霧干燥法（SDA）脫硫塔脫硫后，再進入雙室布袋除塵器除塵，最后經出口煙道進入煙囪排出。該脫硫+除塵系統的工藝流程如圖1 所示。

圖1 3#系統工藝布置形式

在引風機全壓運行時，脫硫塔旋轉霧化器上部仍然出現了正壓20Pa，造成動力電纜被燒壞，旋轉噴霧器無法正常運行，最終導致整個運行系統停機。根據現場各點的實際壓力測試結果，脫硫塔與布袋除塵器的阻力分別為200Pa 與1000Pa，運行阻力正常，因此推測出氣煙道的阻力較大。

通過現場查看出氣煙道外部發現：

（1）出氣煙道布置緊湊，引風機出口的彎頭轉彎半徑較??；

（2）在出氣煙道中段存在兩個連續的約90°的轉彎組成的Z 字形彎頭。

進入出氣煙道內部查看后發現：

（1）煙道內部較為干凈，無積灰；

（2）Z 字形彎頭前的煙道內部包裹著一根約高800mm×寬200mm 的橫梁；

（3）Z 字形彎頭的上升段頂部存在煙道擋風板，導致煙道寬度縮小了約300mm；

（4）出口煙囪中心存在一堵5000mm 高的擋風墻。

通過對煙道的結構和煙氣流動的分析，本文對出氣煙道進行CFD 仿真，結合出氣煙道改造的經濟性、改造周期與可操作性，得出了對煙道內部進行改造及添加導流的方式以降低出氣煙道阻力的方法。

2 CFD 模擬

2.1 模型建立

對出氣煙道進行物理建模，其模型及各壓力監測面如圖2 所示。

圖2 出氣煙道三維模型

2.2 模擬結果與實測數據對比

對原始狀態下出氣煙道的CFD 模擬見圖3。

圖3 原始速度流線

從圖3 可以看出，煙氣進入出氣煙道后首先通過了一個90°的彎頭，此處氣流由于離心力作用使氣流流場發生明顯的紊流變化，氣流分子相互碰撞，由此造成壓力值急劇上升[3]，然后經過存在橫梁與變徑的Z 字形彎頭后，煙氣偏向煙道上部流動，出現了明顯的高風速區，并且有渦流產生。

改造前各監測面的壓力數據見表1。

表1 改造前各監測面壓力數據

現場出氣煙道上并無測點，引風機全壓為2000Pa，引風機進口處壓力實測值為-1200Pa，在整個系統中正壓出現在脫硫塔頂部入口處，出氣煙道的實際阻力為800Pa。由表1 可知，計算機模擬值為778Pa，與實測值的偏差僅為2.75%，證明模擬結果具有較高的可信度，可以作為煙道降阻的參考數據。

2.3 阻力優化

根據對出氣煙道原始情況的模擬發現：

（1）阻力的最大點出現在Z 字形彎頭處，煙氣在該處連續經過兩個約90°的轉彎，故局部產生高風速區，最高風速達到34m/s；

（2）Z 字形彎頭后產生了渦旋，加劇了局部阻力損失。

鑒于現場Z 字形彎頭位于水泥立柱框架的包圍之中，現場空間小，施工難度大，故整改方案是在不改變煙道大結構的情況下，通過增加導流板與拆除煙道擋風板來調整流場并降低局部阻力。橫梁則因為結構承力原因不做處理。

改造后的出氣煙道模擬結果見圖4。

圖4 改造后的速度流線

從圖4 可以看出，煙氣再經過導流板時流線變得平順且均勻充滿整個煙道，最高流速從34.57m/s 降低到約15m/s，渦旋區消失，煙道的局部阻力損失大大降低。

改造后的各監測面的壓力數據見表2。

表2 改造后的各監測面壓力數據

由表2 可知，出氣煙道改造后總阻力從原始狀態的778Pa 降低到了321Pa，阻力降低457Pa，降幅約58.7%，這說明在不改變原出氣煙道形式的情況下，通過添加導流板及對煙道進行局部改造就能明顯降低管道阻力。

2020 年8 月用戶停爐檢修，增加多層導流板并對煙道進行局部改造，設備投運后工況有明顯改善，用戶中控顯示脫硫塔頂部壓力為-400Pa，與原始情況相比，此處阻力降低了420Pa，而且與CFD 模擬結果相差無幾。目前項目整改后運行至今，整個系統運行穩定。

3 結語

在脫硫除塵系統項目中，系統阻力的控制是設備穩定運行的考核點之一[4]，而由于現場的空間因素，有的工藝煙道布置結構緊湊，經常需要布置連續的彎頭，這就為項目的安全穩定運行埋下了隱患。根據本項目可以看出，針對緊湊布置的煙道，尤其是有連續轉彎的煙道結構，需要特別注意管道阻力情況。通過現場實測煙道阻力，并將其與CFD 的模擬數據進行對比，發現兩者的誤差在較小的范圍內，故本文將CFD 的模擬數據作為煙道優化的參考數據。經過CFD模擬優化，可以得出煙道內導流板的合理布置方案，在實際施工改造后，煙道阻力大幅降低，符合模擬分析后的數據結果，實際運行證明，系統運行穩定。