淡水下泄對海水脫硫有效離子影響的數(shù)模研究

李金鋒，周正一，羅子湛，徐立偉

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070)

0 引言

越南某濱海燃煤電站項目位于越南南部，其附近于2016年開通運河，入?？谖挥跂|、西防波堤環(huán)抱水域，靠近西防波堤位置，在取水口南側(cè)不足2 km處。該運河另一端連接湄公河下游汊流后江，隨著運河的開通，電廠取水口附近水質(zhì)可能受到淡水影響，海水脫硫有效離子質(zhì)量濃度會有所降低，進(jìn)而影響電廠的海水脫硫效率。因此，需評估運河開通對電廠海水脫硫有效離子質(zhì)量濃度的影響程度，為電廠設(shè)計提供依據(jù)。

純海水法煙氣脫硫工藝是利用天然海水中的堿度脫除煙氣中SO2的一種濕式煙氣脫硫方法。煙氣中的SO2被海水吸收生成亞硫酸氫根離子(HSO3-)和氫離子(H+)，HSO3-與氧(O2)反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫酸氫根離子(HSO4-)，H+與碳酸氫根離子(HCO3-)反應(yīng)生成易于吹脫的CO2和水。最終CO2通過曝氣方式強(qiáng)制吹脫，使海水中的CO2質(zhì)量濃度降低，從而提高脫硫海水的pH值、溶解氧含量(DO)，并達(dá)標(biāo)排海。

1 水質(zhì)測定和分析

影響燃煤電廠海水脫硫效率的主要有效離子是H+和HCO3-[1]，本文主要測定HCO3-質(zhì)量濃度。

表1 HCO3-質(zhì)量濃度測量結(jié)果Tab.1 HCO3-mass concentration measurement results mg/L

在該工程海域布設(shè)3個測點(如圖1所示)，考慮運河水質(zhì)對海水水質(zhì)的影響，3個測點分別位于運河內(nèi)、電廠取水口附近以及外海未受運河影響處。水質(zhì)測定采樣時間為2017年1月13日0時至1月20日0時，該時間段包含大潮至小潮過程，連續(xù)進(jìn)行7 d的采樣和測定，每3 h采樣1次[2-3]。

圖1 采樣點位置Fig.1 Sampling location

測量結(jié)果見表1：#1測點 HCO3-平均質(zhì)量濃度為100.82 mg/L，#2測點HCO3-平均質(zhì)量濃度為103.81 mg/L，#3測點HCO3-平均質(zhì)量濃度為100.47 mg/L。實測期間運河、港內(nèi)和海域各點HCO3-質(zhì)量濃度相差較小，說明實測期間運河對港內(nèi)水體HCO3-質(zhì)量濃度未產(chǎn)生影響。

2 數(shù)學(xué)模型及驗證

2.1 潮流數(shù)學(xué)模型基本方程

連續(xù)方程

(1)

運動方程

(2)

(3)

在控制方程的求解過程中使用有限體積法進(jìn)行離散，采用三角形網(wǎng)格；時間積分采用顯式歐拉格式；計算中采用干濕網(wǎng)格方法對淺灘進(jìn)行計算。

2.2 水質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型基本方程

水體交換采用失蹤劑擴(kuò)散模擬方法進(jìn)行研究，在潮流數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用流擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型(MIKE 21 Transport模塊)進(jìn)行模擬計算[4-5]，其控制方程可表示為

Fhc+S

(4)

式中：c為示蹤劑濃度；u，v為流速在x，y方向上的分量；h為水深；Dx，Dy分別為沿x，y向的擴(kuò)散系數(shù)；F為衰減系數(shù)；S為源項函數(shù)。

2.3 網(wǎng)格劃分及驗證

數(shù)模計算區(qū)域如圖2所示，東西距離約355.4 km，南北距離約369.5 km。模型約23 312個計算節(jié)點、 42 017個網(wǎng)格，網(wǎng)格最大空間步長約1 000 m，最小空間步長約10 m，計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分如圖2所示。

分別選取大、小兩個潮型對模型進(jìn)行驗證，用于潮位驗證的有兩個站點，用于流速和流向驗證的有6個站點，驗證曲線如圖3～圖7所示。從模型驗證結(jié)果來看，除個別點的計算值與實測值偏差較大外，各測站的潮位、流速、流向的計算值與實測值都比較接近，滿足現(xiàn)行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。

圖2 計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Calculation area and mesh map

圖3 全潮潮位驗證(2012年10月)Fig.3 Whole tide tidal level verification(October 2012)

圖4 大潮流速驗證Fig.4 Spring tide speed verification

圖5 大潮流向驗證Fig.5 Spring tide flow direction verification

圖6 小潮流速驗證Fig.6 Neap tide speed verification

3 水質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果分析

3.1 HCO3-擴(kuò)散模型參數(shù)

3.1.1 擴(kuò)散系數(shù)

對流擴(kuò)散模型中的擴(kuò)散系數(shù)Dx，Dy可根據(jù)經(jīng)驗加以確定或根據(jù)經(jīng)驗公式計算而得，比較常用的計算公式是

式中：p，q分別為流體在x，y方向的單寬通量，m3/(s·m)；kl為水深平均縱向離散系數(shù)；kt為水深平均側(cè)向湍動擴(kuò)散系數(shù)。

圖7 小潮流向驗證Fig.7 Neap tide flow direction verification

表2 2015年11月—2016年8月HCO3-質(zhì)量濃度檢測結(jié)果Tab.2 HCO3-mass concentration test results from November 2015 to August 2016 mg/L

假定水平流速沿垂向為對數(shù)分布，則取值為kl=5.93，kt=0.23[6]。在實際研究中，這些值都較小[7]，實測資料顯示，kl，kt的取值范圍分別是8.60～7 500.00和0.42～1.61[8]。

3.1.2 海水HCO3-質(zhì)量濃度

采用本次測量平均值101.70 mg/L作為模型中海域HCO3-質(zhì)量濃度的初始值和外海開邊界的邊界條件。

3.1.3 河水HCO3-質(zhì)量濃度

本次模擬時，河流HCO3-質(zhì)量濃度宜采用各月變化的徑流量對應(yīng)的HCO3-質(zhì)量濃度，其中缺少的9，10月HCO3-質(zhì)量濃度采用相鄰的8，11月數(shù)值插值確定。

3.2 HCO3-質(zhì)量濃度分布特征

圖8～圖11為徑流流量最小的3月和徑流流量最大的8月，大潮、小潮的漲急、落急時刻HCO3-擴(kuò)散情況。當(dāng)上游徑流流量較小時，取水口處受徑流和運河淡水下泄影響較小，HCO3-質(zhì)量濃度逐時變化較??；當(dāng)上游徑流流量較大時，取水口處受徑流和運河淡水下泄影響較大，HCO3-質(zhì)量濃度逐時變化較大。

圖8 3月大潮漲急、落急HCO3-擴(kuò)散圖Fig.8 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of spring tide in March

圖9 3月小潮漲急、落急HCO3-擴(kuò)散圖Fig.9 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of neap tide in March

圖10 8月大潮漲急、落急HCO3-擴(kuò)散圖Fig.10 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of spring tide in August

3.3 運河開通后HCO3-質(zhì)量濃度分布特征

根據(jù)模擬計算結(jié)果可知：8月徑流流量最大，淡水下泄對取水HCO3-質(zhì)量濃度影響最為顯著，取水口HCO3-平均質(zhì)量濃度為78.32 mg/L，最大為82.08 mg/L，最小為60.71 mg/L；3月徑流流量最小，淡水下泄對取水HCO3-質(zhì)量濃度影響較弱，取水口HCO3-平均質(zhì)量濃度為95.73 mg/L，最大為97.09 mg/L，最小為95.08 mg/L；取水口全年HCO3-質(zhì)量濃度大于94.00 mg/L的概率是60.00%，大于91.00m g/L的概率是70.50%，大于88.00 mg/L的概率是80.17%，大于80.00 mg/L的概率是90.50%，大于48.00 mg/L的概率是100.00%。

圖11 8月小潮漲急、落急HCO3-擴(kuò)散圖Fig.11 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of neap tide in August

4 結(jié)論

二維潮流數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，表明水質(zhì)擴(kuò)散數(shù)模結(jié)果數(shù)值可信性強(qiáng)，HCO3-質(zhì)量濃度分布特征分析結(jié)果可為工程脫硫設(shè)計輸入的設(shè)定提供可靠依據(jù)。