引言随着我国经济的快速发展和生活水平的逐渐提高，人们对环境质量的要求也越来越高；而国内火电、钢铁、化工等行业作为污染物排放大户，面临着越来越大的环保压力［1-3］。这些工厂的主要燃料一般是煤炭，所以排放的烟气中会含有大量SO2等气体污染物。在此类污染控制方法中，湿法烟气脱硫工艺是当前主流控制技术，但是此种处理方法后的烟气含湿量较高（15%～18%）、烟温较低（50 ℃～60 ℃），所以在排放过程中随着温度的进一步降低，烟气中的水蒸气将逐渐冷凝成雾，从而出现烟囱冒“白烟”现象，不但会对环境造成一定的污染，还会产生较强烈的视觉污染，引起周围居民的反感［4-6］。本次烟羽消白治理工程主要是机组石灰石-石膏湿法脱硫尾部饱和湿烟气配套设置空塔喷淋冷凝降温烟羽消白治理装置。通过建造和使用一个基于动态流动模拟计算来优化设计烟气的流动分布及合理的和流速。依照流场的温度场分布和整个系统压降情况来调节和优化系统，确保冷凝塔内和烟道内的最优化布置，以达到预期的烟气降温效果，消除白色烟羽。1数学模型1.1模型说明根据工程现场湿法脱硫冷凝塔的实际运行环境，在满足工程要求的条件下，为了便于模拟计算，对该装置做如下假设和简化：（1）结构方面的简化。①因为导流板的厚度对于流场影响较小，所以在此忽略导流板的厚度；②忽略结构件（如内撑杆、支撑梁等）对流场的影响。（2）物理方面的简化。①将热烟气视为不可压缩理想气体；②实际系统漏风较小，因此不考虑系统的漏风；③流动是定常流动；④除雾器视为多孔介质，阻力特性参数依据实测压降进行校核；当确实实测数据时，则根据除雾器结构参数参考相关文献，确定对应阻力特性参数范围；⑤冷凝塔喷嘴位置为平面均匀布置；⑥忽略过程化学反应。1.2理论模型在模拟过程中需要对系统内烟气的流动状态、化学反应、压力分布以及换热等进行定义、简化以及建立相应模型等，主要包括以下几项［7-8］：（1）湍流模型。根据系统内烟气的流动状态，本模拟采用k-ε湍流模型来模拟系统内烟气的流动状态。（2）多孔介质模型。通过将吸收塔喷淋层、除雾器、烟道除雾器看作多孔介质进行该位置阻力损失的模拟。其压降损失模拟如下：Si=μαvi+C212ρvivi (1)式中：Si——i方向上动量源项，Pa/m；μ——动力黏度，Pa·s；α——介质渗透性；νi——i方向速度分量，m/s；ρ——密度，kg/m3；C2——内部阻力因子，1/m。（3）颗粒相流动模型。冷凝塔循环水喷淋颗粒流动的控制方程式可表示为：dupdt=FDu-up+giρp-ρρp+Fi (2)式中：U——气相速度，m/s；up——液滴速度，m/s；μ——流体动力黏度，Pa·s；ρ——气体密度，kg/m3；ρp——液滴密度，kg/m3；dp——液滴直径，m；FD（u- up）——液滴单位质量曳力；Fi——附加质量力。（4）换热模型。换热方式有热传导、热对流、热辐射共3种。由于循环水与烟气温差一般不大于35 ℃，辐射换热可以忽略，故模型主要考虑热传导与对流传热的传热量。1.3边界条件只有给定的边界条件是合理的，流场的解才能得出。文中建立模型的边界条件是依据现场提供的运行参数设置的。其中入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，出口表压定为0，模型的壁面应用标准壁面函数。液滴触及壁面、喷淋层和浆液池表面定为逃逸。除雾器处理为多孔介质，阻力特性参数依据实测压降进行校核；当确实实测数据时，则根据除雾器结构参数参考相关文献，确定对应阻力特性参数范围；其他通流截面设置为interior。2模拟结果2.1网格划分模型建立后，需要进行网格划分将模型离散化，即通过有限的网格节点来描述实际的空间连续实体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要的影响， 因此在一些对结果影响较大的区域要进行局部加密的方式来提高计算精度。生成网格的过程主要包括建立几何模型、划分网格、指定边界区域。烟道部分网格划分结果如图1所示。由于烟道结构多为长方体及外形规则的弯管，因此采用结构化六面体网格进行填充，以提高网格质量，减少网格数量。冷凝塔及吸收塔内局部网格划分结果如图2所示。由于塔内布置有喷淋层管道，结构尺寸差异较大，因此采用四面体非结构化网格进行填充。喷淋层网格划分结果如图3所示。整个模型最差网格质量Equisize Skew为0.74，网格数量为3 437 236。图3冷凝塔内喷淋层网格划分结果示意图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.F00110.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.F0022.2主要模拟流程（1）根据设计的改进系统（含改进后进口烟道、吸收塔、冷凝塔、烟道除雾器、净烟道）尺寸参数，确定CFD研究的几何模型。（2）初步设计脱硫塔出（入）口烟道内的导流板的选择及其布置方案，并设计冷凝塔内喷淋层布置方案。（3）模型的网格划分、数学模型的选取和边界条件的确定等。（4）设置吸收塔内除雾器及烟道除雾器黏性阻力及惯性阻力参数，并对实测数据进行校正，以便计算不同负荷下除雾器压降。（5）分析流场模拟结果，适当调整系统内烟道导流板位置、烟道尺寸、喷淋层布置位置等，重复步骤（1）～（3）来反复模拟计算，完善除尘器烟道内导流装置的布置。2.3模拟结果冷凝塔内安装喷淋装置后塔内烟气流场分布如图4所示。由流场模拟结果知，气流进入冷凝塔后主要集中于塔中心处，未能均布。随着气流向下运动，受塔壁附近气流扰动影响，气流整体均布效果有明显改善，基本能够达到关键截面气流均布要求。烟气系统关键截面Cv值可计算为：10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.F003图4冷凝塔内烟气速度迹线图冷凝塔入口截面Cv=0.836÷11.19=7.47%；第1层喷淋层入口截面Cv=0.53÷3.55= 14.9%；第2层喷淋层入口截面Cv=0.31÷2.86= 10.84%；第3层喷淋层入口截面Cv=0.06÷2.52= 2.38%；除雾器入口截面Cv=1.34÷8.9=15.0%；冷凝塔出口截面Cv=0.836÷11.024= 7.53%。循环水喷淋效果示意图如图5所示。烟气在流经喷淋塔时与喷淋层喷嘴喷出的液滴进行传热传质反应。最高层喷淋层与烟气的接触时间最长，其反应也最充分。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.F004图5喷淋层喷淋液滴迹线图采暖季与非采暖季100%负荷冷凝塔内烟气温度分布分别如图6及图7所示。由图6及图7可知，烟气受入口气流均匀性影响，温度分布并不均匀，高温区域主要集中于塔内中间区域。这是由于中心区域烟气量较大，但循环水喷淋量在不同位置是均匀的，因此在中心区域换热量较小，烟温较高。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.F005图6采暖季100%负荷冷凝塔内烟气温度分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.F006图7非采暖季100%负荷下冷凝塔内烟气温度分布云图不同喷淋层布置方案下塔内DPM enthalpy Source分布云图分别如图8及图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.F007图8喷淋层间距为2 m时塔内DPM enthalpy Source分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.F008图9喷淋层间距为3 m时塔内DPM enthalpy Source分布云图DPM enthalpy Source分布展现了液滴与烟气的综合换热效果，可以看出，喷淋层层间距为2 m时的enthalpy变化区域略大于喷淋层间距为3 m时的方案（图中浅灰色 区域为换热及温度变化较为明显的区域）。同时可以看出，enthalpy变化主要发生在最下端喷淋层下方区域，同时喷淋层间的间距增大也有利于增大enthalpy变化。2.4指标对比消白指标参数对比如表1所示。由表1可知，改造前采暖季与非采暖季的排烟温度分别为52 ℃与54 ℃；改造优化后，冷凝后的烟温降至44 ℃~46 ℃，大幅降低了烟气温度与外界环境的温差。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.018.T001表1消白指标参数对比季节改造前烟温改造后烟温采暖季5244.1非采暖季5446.0℃3结语优化烟气系统烟道布置、导流板布置，确保冷凝塔内和烟道内的最优化布置，可取得最好可能性的烟气流动分布和维持脱硫系统低的压降；直接喷淋降温塔进一步降低了烟气温度，有效减小了烟气带走水蒸气的量，通过降低烟气温度与外界环境的温差，有效减弱白色烟羽的视觉效果，实现了“消白”的目标。