330 MW機(jī)組脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥技術(shù)數(shù)值模擬與應(yīng)用示范

王曉焙，耿 宣，羅天翔，白 璐，陳 武，楊林軍

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330 MW機(jī)組脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥技術(shù)數(shù)值模擬與應(yīng)用示范

王曉焙1，耿 宣2，羅天翔3，白 璐1，陳 武1，楊林軍1

（1.東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096； 2.中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.江蘇翔樂環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210012）

以某330 MW燃煤機(jī)組旁路煙道安裝的脫硫廢水噴霧干燥塔為研究對象，使用ANSYS ICEM、Fluent軟件對干燥塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對應(yīng)用示范結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：不同工況下，噴霧干燥塔內(nèi)溫度場、流場分布良好，氣、液傳熱傳質(zhì)主要集中在塔軸心；干燥后，脫硫廢水中的Cl–轉(zhuǎn)移到固體產(chǎn)物中，處理難度降低；脫硫廢水在高溫?zé)煔庵姓舭l(fā)，減弱了高比電阻粉塵反電暈，促進(jìn)了顆粒物聚集長大并被靜電除塵器捕集。采用旁路煙氣干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放，運(yùn)行效果良好。

330 MW機(jī)組；脫硫廢水；零排放；旁路煙道；噴霧干燥；干燥塔；傳熱傳質(zhì)；數(shù)值模擬；應(yīng)用示范

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硫技術(shù)，但該技術(shù)在運(yùn)行過程中，煙氣中的氯化氫、顆粒物、重金屬等污染物會不斷在脫硫漿液中富集，造成設(shè)備腐蝕、脫硫效率下降等問題[1-2]，因此，每隔一段時(shí)間需更換排出一定量的脫硫廢水。但是，由于水質(zhì)的特殊性，脫硫廢水的處理難度較大[3-5]。

目前，脫硫廢水零排放技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，其主要實(shí)現(xiàn)方式有蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)、主煙道蒸發(fā)技術(shù)以及旁路煙道噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)等[6-7]。蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)盡管可以實(shí)現(xiàn)水資源的回收利用和鹽分的結(jié)晶析出，但仍然存在投資運(yùn)行費(fèi)用高、脫硫廢水預(yù)處理要求高等問題。主煙道蒸發(fā)技術(shù)通過雙流體霧化噴嘴直接將脫硫廢水噴入除塵器前的入口煙道進(jìn)行蒸發(fā)處理，該技術(shù)工藝簡單，投資運(yùn)行成本低，但存在煙道腐蝕、污染物沉積等風(fēng)險(xiǎn)。旁路煙道噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)則是將脫硫廢水通過旋轉(zhuǎn)霧化器霧化成粒徑幾十微米的霧滴噴入干燥塔內(nèi)，抽取部分空氣預(yù)熱器前熱煙氣作為熱源，在噴霧干燥塔內(nèi)將廢水蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放。與傳統(tǒng)蒸發(fā)結(jié)晶法相比，噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、運(yùn)行可靠、投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。日本三菱重工通過對比分析蒸發(fā)結(jié)晶、主煙道蒸發(fā)、噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)，認(rèn)為噴霧干燥技術(shù)最具市場競爭力[8]。

諸多國內(nèi)外學(xué)者針對脫硫廢水零排放技術(shù)開展了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究：Liang等人[9]通過試驗(yàn)研究了燃煤電廠脫硫廢水液滴蒸發(fā)結(jié)晶特性與升溫速率、粒徑的關(guān)系，指出升溫速率越高，鹽分蒸發(fā)和結(jié)晶速率越高，水分蒸發(fā)隨著液滴體積的增加而增加，但結(jié)晶速率降低；Deng等人[10]研究了煙道中脫硫廢水蒸發(fā)與管道長度、直徑、煙氣溫度的關(guān)系及對下游設(shè)備的影響，結(jié)果表明，較長的管道、較小的直徑和較高的煙氣溫度有助于提高蒸發(fā)率，而且對除灰效率有積極影響，對靜電除塵器（ESP）、煙氣換熱器和濕法煙氣脫硫（WFGD）系統(tǒng)無任何負(fù)面影響；張子敬等[11]研究了噴霧液滴平均粒徑、傳熱傳質(zhì)過程，獲得了噴霧液滴加熱、完全蒸發(fā)的關(guān)鍵控制步驟取決于液滴表面蒸汽氣相組分濃度與煙氣中蒸汽氣相組分濃度之差的結(jié)論；馬雙忱等[12]研究了不同噴射角度、煙氣溫度、煙氣速度對單一粒徑顆粒蒸發(fā)特性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)噴霧方向與煙氣運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，液滴與煙氣對流傳熱強(qiáng)度最大，因此蒸發(fā)最完全。

然而，脫硫廢水在噴霧干燥塔內(nèi)的噴霧蒸發(fā)與主煙道內(nèi)的噴霧蒸發(fā)過程存在差異，需要對其進(jìn)行研究。對此，本文以某330 MW燃煤機(jī)組新建的脫硫廢水噴霧干燥零排放示范工程為研究對象，采用Fluent軟件模擬噴霧干燥塔內(nèi)的速度場、溫度場分布，并對應(yīng)用示范結(jié)果進(jìn)行分析，考察干燥產(chǎn)物的形貌特征及成分組成，為脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥零排放處理技術(shù)的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)值建模

1.1 物理模型

對某330 MW燃煤機(jī)組脫硫廢水噴霧干燥塔進(jìn)行物理建模并使用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方式，并對噴嘴、煙氣進(jìn)出口、熱風(fēng)分布器等結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分網(wǎng)格加密，劃分的網(wǎng)格數(shù)量為500萬。為了驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性，改變網(wǎng)格數(shù)目為300萬、800萬，計(jì)算發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)目對模擬結(jié)果并無顯著影響。考慮到計(jì)算時(shí)間以及精度，本文選用網(wǎng)格數(shù)量為500萬。

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用Fluent內(nèi)嵌的DPM模型（即歐拉-拉格朗日離散相模型）來模擬脫硫廢水噴入干燥塔的蒸發(fā)過程，由于脫硫廢水中水的占比達(dá)95%以上，而固體顆粒物及鹽分占比不足5%，故可以采用水的比熱容代替脫硫廢水的比熱容進(jìn)行近似計(jì)算[13-14]，并將水分液滴作為離散相，熱煙氣作為連續(xù)相。模擬計(jì)算中霧化噴嘴位于距塔頂1.6 m的位置，由于Fluent沒有旋轉(zhuǎn)霧化器模型，根據(jù)Fluent的內(nèi)嵌模型及本模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對霧化盤重新建模，將霧化盤壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。煙氣入口條件為速度入口，出口條件為壓力出口，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，液滴觸碰壁面為閃蒸模型。液滴顆粒采用雙模型建模，平均粒徑50mm，最小粒徑1 μm，最大粒徑100mm。壁面條件選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，煙氣為O2、H2O、N2、CO2等氣體按實(shí)際煙氣比例混合，使用SIMPLE算法求解。首先使用穩(wěn)態(tài)求解器求解連續(xù)相，然后求解離散相。不同工況下廢水處理量及煙氣耗量見表1。

表1 不同工況下廢水處理量及煙氣耗量

此外，在模擬噴霧干燥塔內(nèi)液滴蒸發(fā)過程中，還進(jìn)行了以下假設(shè)：1）煙氣視為定常、不可壓縮氣體；2）噴霧干燥塔外壁面由于有保溫棉包裹，定義壁面為對流傳熱，傳熱系數(shù)為0.921 3 W/(m2·K)[15]；3）脫硫廢水在蒸發(fā)過程中保持球形，使用球形液滴的曳力模型[16-17]；4）忽略煙氣對液滴的輻射傳熱；5）液滴碰到壁面閃蒸，且忽略顆粒之間的互相碰撞與破碎；6）忽略煙氣中的顆粒及廢水中的鹽分對液滴蒸發(fā)的影響。

脫硫廢水液滴粒徑小，可認(rèn)為液滴的溫度分布均勻，不考慮內(nèi)部熱量傳遞。液滴在高溫?zé)煔庵械恼舭l(fā)分為3個(gè)階段：

1）當(dāng)液滴溫度低于液滴表面蒸發(fā)溫度時(shí)，液滴與煙氣之間只存在傳熱，不存在傳質(zhì)，此傳熱過程方程式為

2）當(dāng)液滴經(jīng)過加熱，溫度達(dá)到蒸發(fā)溫度又低于沸騰溫度時(shí)，其吸收的熱量用于自身溫度升高以及蒸發(fā)，此過程方程式為

式中fg為汽化潛熱，J/kg。

液滴的蒸發(fā)速度由梯度擴(kuò)散決定，具體公式為

式中：N為蒸汽摩爾流率，mol/(m2·s)；k為傳質(zhì)系數(shù)，m/s，由努塞爾數(shù)決定，見式(4)；C,s為液滴表面蒸汽濃度，mol/m3；C,∞為煙氣中蒸汽濃度，mol/m3。

3）當(dāng)液滴的溫度達(dá)到沸騰溫度時(shí)，其傳熱傳質(zhì)公式為

式中：∞為煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；c,∞為煙氣比熱容，J/(kg·K)；p為液滴直徑，m。

2 結(jié)果及討論

2.1 噴霧干燥塔內(nèi)氣相速度場

不同工況下噴霧干燥塔內(nèi)不同位置處的煙氣速度變化如圖2所示。

由圖2a)可以看出，不同工況下，煙氣速度沿噴霧干燥塔軸向距離的變化趨勢相近，即隨軸向距離的增加，煙氣速度迅速增大，至距離塔頂5 m處達(dá)到峰值20 m/s，然后緩慢降低。這主要是由于熱煙氣進(jìn)入塔內(nèi)后逐漸覆蓋到噴嘴下方，使得此處的速度迅速上升，由于阻力的存在，熱煙氣速度在塔內(nèi)逐漸減小，保證熱煙氣與脫硫廢水液滴有足夠的接觸時(shí)間，使其能夠完全蒸發(fā)。

由圖2b)可以看出：在噴霧干燥塔距塔頂2 m的橫截面上，煙氣平均速度在塔中心線左側(cè)1 m外變化不大，均小于2.5 m/s；從1 m到0.4 m處迅速增大，隨后又逐漸減?。浑S著橫截面距塔頂距離的增加，煙氣平均速度的曲線分布由雙峰變成了單峰，這可能是因?yàn)樵跓煔饬坎蛔兊那闆r下，熱煙氣經(jīng)過較狹小的氣體分布器進(jìn)入噴霧干燥塔內(nèi)后速度增大，形成慣性，而2 m處軸心速度比氣體分布器出口處的速度小，由于熱煙氣還未擴(kuò)散開，尚未影響到軸心；隨著距塔頂位置越來越遠(yuǎn)，熱煙氣向中間靠攏，速度峰值由2個(gè)變?yōu)?個(gè)，速度由于阻力而逐漸減小。

2.2 噴霧干燥塔內(nèi)氣相溫度場

不同工況下，噴霧干燥塔內(nèi)不同位置處的煙氣溫度變化情況如圖3所示。

由圖3a)可以看出：不同工況下，噴霧干燥塔內(nèi)煙氣溫度沿軸向變化趨勢相近；熱煙氣進(jìn)入塔內(nèi)與霧化脫硫廢水液滴混合，溫度在距塔頂3.2 m處降到最低值；隨著廢水液滴逐漸蒸發(fā)完成，煙氣溫度逐漸上升，最后逐漸趨于平緩。

由圖3b)可以看出：在噴霧干燥塔距塔頂2 m處的橫截面上，煙氣平均溫度在中心線左側(cè)1.2 m以上變化不大，而在1.2 m到0.8 m處迅速升高，隨后在0.8 m到中心線處又迅速降低，這可能是由于熱煙氣剛進(jìn)入噴霧干燥塔時(shí)的溫度比塔內(nèi)溫度高，流經(jīng)之處溫度增大，與脫硫廢水液滴接觸后，由于液滴蒸發(fā)吸熱使得溫度急劇降低至350 K左右；隨著距塔頂距離的增大，中心線處的溫度逐漸上升且趨于平緩。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，將采集得到的噴霧干燥塔進(jìn)、出口煙氣溫度與數(shù)值模擬得到的溫度進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。由表2可以看出，各工況下模擬所得溫度與干燥塔實(shí)際溫度誤差均小于1%，說明本文模型能較好地反映噴霧干燥塔內(nèi)煙氣的實(shí)際換熱及運(yùn)動(dòng)情況。

表2 不同工況下噴霧干燥塔進(jìn)、出口溫度及誤差

Tab.2 The simulated and actually measured inlet/outlet temperatures and their errors at different loads

3 應(yīng)用示范裝置及分析測試方法

3.1 應(yīng)用示范裝置

圖4為某330 MW燃煤機(jī)組脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥系統(tǒng)示意，該系統(tǒng)的額定廢水處理量為6 t/h。脫硫廢水經(jīng)旋轉(zhuǎn)霧化器霧化，并將SCR脫硝反應(yīng)器與空氣預(yù)熱器間的熱煙氣（573~628 K）作為熱源，在噴霧干燥塔內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)。

圖4 330 MW燃煤機(jī)組脫硫廢水噴霧干燥系統(tǒng)示意

3.2 分析測試方法

依據(jù)《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996）和《固定污染源廢氣低濃度排放監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DB37/T 2706—2015），采用青島嶗山電子儀器總廠有限公司生產(chǎn)的WJ-60B型皮托管平行全自動(dòng)煙塵采樣器檢測粉塵質(zhì)量濃度，采用煙氣水分儀（HMS545P）檢測煙氣水汽含量，采用能譜分析儀（EDS，INCA x-act）和X-射線衍射儀（XRD，D/MAX-rA）檢測固體顆粒物的形貌和元素組成。

4 應(yīng)用示范結(jié)果

脫硫廢水經(jīng)煙氣干燥后的固體顆粒物主要采用靜電除塵器（ESP）收集，而靜電捕集效率受顆粒濃度、煙氣水汽含量影響較大。

對噴霧干燥塔進(jìn)、出口煙氣總塵質(zhì)量濃度及含水率進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

表3 噴霧干燥塔進(jìn)出口固體顆粒物質(zhì)量濃度及含水率

Tab.3 The solid particle concentration and water content of spray drying tower

由表3可見：不同工況下塔出口總塵質(zhì)量濃度下降了20%~40%，這主要是由于煙氣在噴霧干燥塔內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，噴霧干燥塔具有類似旋風(fēng)分離器的作用，大量固體顆粒物由于重力及離心作用被沉降至塔底而排出；經(jīng)噴霧干燥塔干燥后，塔出口煙氣中水汽含量上升了1%~2%，煙氣濕度的增加，在一定程度上可以防止和減弱高比電阻粉塵的反電暈；通過常壓熱干燥法，得到干燥塔下方干燥產(chǎn)物的含水率小于2%，表明干燥效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

此外，為考察脫硫廢水噴霧蒸發(fā)對飛灰形貌的影響，采集干燥塔進(jìn)、出口煙氣中的固體顆粒物并進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，干燥塔進(jìn)口煙氣中的固體飛灰顆粒物主要為表面光滑且相互獨(dú)立的球體，而出口煙氣中干燥產(chǎn)物發(fā)生了較為明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，形成表面粗糙多孔的較大的團(tuán)聚物。

圖5 噴霧干燥塔進(jìn)、出口煙氣固體顆粒物SEM掃描結(jié)果

基于EDS和XRD測試方法，分析采集的固體顆粒物的成分組成，結(jié)果見表4、圖6。

表4 噴霧干燥塔進(jìn)、出口煙氣中固體顆粒物主要元素組成

Tab.4 The analysis of main elements of solid particles w/%

由表4可以看出：相比于噴霧干燥塔進(jìn)口，塔出口煙氣中的固體顆粒物中的S、Cl等元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，Ca、Mg、K、Na等元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有不同程度增加；增加的元素種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)與脫硫廢水中所含離子種類基本一致。由圖6可以看出，塔出口煙氣中的固體顆粒物主要以3Al2O3·2SiO2、Al2O3、SiO2、CaSO4·0.5H2O、KCl等形式存在。

圖 6 噴霧干燥塔出口煙氣中固體顆粒物XRD譜圖

根據(jù)上述結(jié)果，結(jié)合文獻(xiàn)[18]可以得出：脫硫廢水中的Cl–轉(zhuǎn)移到了固體顆粒物中，處理難度降低；脫硫廢水蒸發(fā)后，部分固體顆粒物沉降至塔底被提前收集，減少了除塵器工作量，而且在一定程度上減弱了高比電阻粉塵反電暈，促進(jìn)了固體顆粒物的團(tuán)聚長大，提高了靜電除塵器的除塵效率，所以噴霧干燥技術(shù)不會對除塵器帶來不利影響。

5 結(jié) 論

1）不同工況下，噴霧干燥塔內(nèi)溫度場、流場分布良好，氣液傳熱傳質(zhì)主要集中在塔軸心。

2）經(jīng)干燥后，脫硫廢水中的Cl-轉(zhuǎn)移到了固體顆粒物中，解決了脫硫廢水Cl-難處理的問題；脫硫廢水在高溫?zé)煔庵械恼舭l(fā)減弱了高比電阻粉塵反電暈并促進(jìn)了顆粒物的聚集長大，有利于固體產(chǎn)物被靜電除塵器捕集。

3）采用旁路煙氣干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放，噴霧干燥塔內(nèi)固體產(chǎn)物含水率低，干燥良好，對主機(jī)運(yùn)行無負(fù)面影響。

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Numerical simulation and application demonstration of bypass flue spray drying technology for desulfurization wastewater of a 330 MW unit

WANG Xiaobei1, GENG Xuan2, LUO Tianxiang3, BAI Lu1, CHEN Wu1, YANG Linjun1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion Control of the Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. China Huadian Engineering Co., Ltd., Beijing 100160, China; 3. Jiangsu Xiangle Environmental Technology Co., Ltd., Nanjing 210012, China)

Taking the desulphurization wastewater spray drying tower installed in bypass flue of a 330 MW coal-fired power plant as the research object, the ANSYS ICEM and Fluent software were used to simulate the heat and mass transfer process in the drying tower. Moreover, the application demonstration results were analyzed. The results show that, under different working conditions, the temperature field and flow field in the spray drying tower are well distributed. The gas-liquid heat and mass transfer mainly concentrates in the tower's axial direction. The Cl– in the desulfurization wastewater migrated into the solid products, which decreased the treatment difficulty. The desulfurization wastewater evaporated in the high-temperature flue gas, which reduced the high specific resistance dust anti-corona and promoted the accumulation of particulate matters, thus the large size particles can be captured easily by the electrostatic precipitator. The bypass flue gas drying technology has good operation effect for realizing zero discharge of the desulfurization wastewater.

330 MW unit, desulfurization wastewater, zero discharge, bypass flue, spray drying, drying tower, heat and mass transfer, numerical simulation, application demonstration

Project of China Huadian Engineering Co., Ltd. (CHEC.EP-CP-004-9-SC-S01)

王曉焙(1993—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槊摿驈U水零排放技術(shù)，wangxiaobei0917@163.com。

TK09；X703.1

B

10.19666/j.rlfd.201901013

王曉焙, 耿宣, 羅天翔, 等. 330 MW機(jī)組脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥技術(shù)數(shù)值模擬與應(yīng)用示范[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 96-101. WANG Xiaobei, GENG Xuan, LUO Tianxiang, et al. Numerical simulation and application demonstration of bypass flue spray drying technology for desulfurization wastewater of a 330 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 96-101.

2019-01-11

中國華電科工集團(tuán)有限公司資助項(xiàng)目(CHEC.EP-CP-004-9-SC-S01)

楊林軍(1967—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)镻M2.5排放控制、脫硫廢水零排放及燃煤有機(jī)物污染控制技術(shù)，ylj@seu.edu.cn。

（責(zé)任編輯 李園）