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）
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。
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。
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。
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。
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来源：工业界CFD
