高炉煤气脱硫设备CFD流场优化第5篇•末端脱硫之——活性炭吸附设备流场优化
——活性炭吸附脱硫脱硝工艺原理——
咱一个搞工业设备流场优化的也不懂什么工艺原理,只是前段时间稀里糊涂的优化了两套此类设备的流场,借这次整理文章的机会,在网上搜罗了这一技术的相关研究,在此介绍一下。如果有工程应用采用此类技术,可作为参考。中冶长天于2006年开展活性炭法烟气净化技术的研究,2012年联合清华大学、宝钢开展活性炭法半工业化应用研究,至今(2021年)已累计为20多台烧结(球团)设备配套建设活性炭法烟气净化装置。系统组成主要包括烟道系统、吸附系统、解析系统、活性炭储运系统等。(参考中冶长天国际工程有限责任公司 宝钢烧结烟气活性炭净化工艺和装备)SO2脱除反应一般优先于NOx的脱除反应,当烟气中的SO2浓度较高时优先进行 SO2 的脱除反应,当烟气经过脱硫过程后 SO2 浓度降低,此时NOx 脱除反应占据主导地位。脱硫后的烟气进入脱硝流程,在活性炭的吸附、催化作用下,喷入氨气还原剂将烟气中的NOx 转化为N2和H2O。4NH3 + 4NO + O2→4N2 + 6H2O4NH3 + 2NO + O2→3N2 + 6H2O同时,烟气在脱硫流程中残留的SO2 也可以与 NH3 继续反应,生成 NH4HSO4 和( NH4 ) 2 SO4,进一步提高烟气脱硫效率,反应如下式:2NH3 + SO3 + H2O→( NH4 )2SO4工艺流程为:原烟气由烧结主排风机送入烟道,通过增压风机增压进入吸附系统脱硫床层脱硫,然后在脱硫床层后的中间气室与经汽化的氨空气充分混合,再穿过脱硝床层进行脱硝,烟气中的污染物被活性炭层吸附或催化反应生成无害物质,净化后的烟气达到排放标准后通过主烟囱排入大气。吸附系统的活性炭在吸附饱和后进入解析系统,解析出富硫气体,恢复活性后再次进入吸附系统循环利用。——活性炭吸附脱硫脱硝工程应用——
国内钢铁行业主要关注的多污染物控制技术为半干法脱硫+SCR脱硝(长流程)和活性炭法(短流程)。半干法脱硫+SCR脱硝由于工艺流程较长,占地面积较大,副产物难以处理,二噁英未实现真正治理,对烟气加热所需热能较大。活性炭法作为一种先进的烟气净化方法,污染物综合治理能力无与伦比,副产物可实现很好的资源化再利用(副产高浓度SO2可生产硫酸,炭粉可用作烧结或高炉燃料),而且再生时只需对少量的活性炭加热,能耗低。
该技术主要工程应用案例如下
(引自文章:中冶长天领跑活性炭法烟气净化技术助力钢铁企业绿色发展):
宝钢股份宝山基地3#烧结机活性炭烟气净化系统(2016年投产)山西晋南2×220m2烧结烟气活性炭脱硫脱硝工程(2019年投产)![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1722445501400_s555zq.jpg?imageView2/0)
此外能查到的项目还有:
(参考宁波钢铁有限公司 张正,等.活性炭脱硫脱硝技术在烧结中的应用[J].冶金设备.2023)——CFD在优化提升活性炭吸附设备中的作用——
由于处理烟气量较大,为了控制烟气穿床速度在一个较低的水平,以保证烟气与活性炭接触发生吸附反应所需要的时间,往往要设置多个活性炭吸附仓室(2-3-4-5-6仓室均有可能)。首先,在设计上要保证各仓室进风量尽可能均匀,偏差要控制在5%以内。其次,各仓室烟气在进入活性炭层之前要尽可能均匀,否则无法保证活性炭的利用率和脱硫脱硝效率(除非加大投资,提高设计余量)。采用CFD技术进行流场模拟是比较经济实用且高效的优化设备性能的方法。但是,CFD流场模拟绝对不是算一算、看一看、彰显一下自己设计的牛逼程度就行了。CFD仿真的精髓或者说是价值在于优化。咱搜到了一篇《活性炭吸附塔流场数值模拟研究》文章,作者温荣耀,刘克俭,魏进超,文章很详细的介绍了活性炭吸附塔流场数值模拟的方法和设置,采用Ansys模拟了活性炭吸附塔内流动和反应效果。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1722445501867_24cul7.jpg?imageView2/0)
但是,文章并没有详细给出设备的优化过程,只是给了一个未经优化的原始设备流场分析结果,从上面的模拟结果可以看出来,活性炭吸附设备内部气室涡流较大,烟气在进入吸附层时分布并不均匀,局部烟气流速高,烟气量大,部分区域烟气量小,活性炭利用率较低,在这种流场分布下运行的设备,运营费用可能要比预期的高出不少。下面的这组技术图也是如此,只是对设备进行了流场模拟,而没有进一步优化设计。这实际上没有达到CFD计算的目的,失去了仿真模拟工业界应用的初衷,这也不是高端设备寻求精益求精的精神。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1722445505002_v25ybd.jpg?imageView2/0)
咱在之前的视频号中介绍过此类设备流场优化中需要注意的点。第一:主烟气管道设计上要保证各分仓烟气量尽可能均匀一致,每个入口分配的烟气量偏差不要大于±5%,如果大于这个数值,需要优化进出风管道形式,采用等压烟道设计或其他入口形式。第二,一般,烟气在进入各仓室时,烟气偏流较为严重,可能左右偏流,也可能上下偏流,因此需要在入口设置孔板或导流板、或者两者兼用。第三,烟气在垂直方向上的穿床速度要尽可能一致,不能上高下底或者下高上低,烟气量也不能前多后少,这些都需要计算进行详细比对,需要添加内部支撑板,防止脱硫剂轴向压实导致穿床阻力不一致,进而造成烟气分配不合理。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1722445513747_s5e78w.jpg?imageView2/0)
![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1722445514949_ero3wi.jpg?imageView2/0)
![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1722445516443_4w34rw.jpg?imageView2/0)
本文内容只是根据以往项目积累的一些经验,存在认知局限性,如有不当之处,还请大佬私信指正。
——END——
本号专注于工业设备的仿真方法和技术交流,经验分享及案例展示具有片面性,内容仅供参考。版权归原作者所有,来源:工业界CFD