350 MW機(jī)組脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)改造數(shù)值模擬分析*

葉興聯(lián) 蘇寅彪 安希忠 王 帥 張楚城

(1.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

石灰石-石膏濕法脫硫是目前燃煤電廠脫除煙氣SO2的主要方法，具有脫硫效率高、可靠性好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了我國燃煤電廠煙氣脫硫90%以上市場份額[1-2]。在濕法脫硫過程中，需要從脫硫系統(tǒng)中排放一定量的廢水來維持脫硫系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)平衡并保證石膏質(zhì)量。由于廢水中含有懸浮物、過飽和亞硫酸鹽、硫酸鹽以及重金屬等多種雜質(zhì)，為了避免對環(huán)境造成破壞，排放前需要對廢水進(jìn)行處理[3-4]。傳統(tǒng)的脫硫廢水處理方法，如三聯(lián)箱技術(shù)，存在設(shè)備故障率高、運(yùn)行穩(wěn)定性差、運(yùn)行成本高的問題。新型的處理方法有膜滲透法[5-6]、吸附處理法[7]、煙道蒸發(fā)技術(shù)[8-9]等。其中煙道蒸發(fā)技術(shù)是指將脫硫廢水噴入煙道內(nèi)，使用噴嘴將脫硫廢水霧化，通過高溫?zé)煔獾臒崃空舭l(fā)廢水霧滴，蒸發(fā)后殘留的固體物質(zhì)隨飛灰一起被電除塵器收集，可實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放。由于工藝簡單、無二次污染、建設(shè)和運(yùn)行成本低、占地面積小、動力消耗少等特點(diǎn)，脫硫廢水煙道蒸發(fā)技術(shù)具有重大的研究價值和應(yīng)用前景。

煙道蒸發(fā)技術(shù)一般有主路煙道蒸發(fā)和旁路煙道蒸發(fā)兩種工藝路線。其中，主路煙道指空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)與電除塵器之間的煙道，旁路煙道指從空預(yù)器上游段引出的一段煙道。對于主路煙道，空預(yù)器出口煙氣溫度較低(120～150 ℃)，在低負(fù)荷時煙氣溫度進(jìn)一步降低，影響了霧滴的蒸發(fā)效果及蒸發(fā)量；另一方面，電除塵器前加裝低溫?fù)Q熱器的普及使得主路煙道蒸發(fā)可利用的有效煙道長度減小，有限的空間限制了蒸發(fā)水量，并且直接將脫硫廢水噴入主路煙道時，由于煙道本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且內(nèi)部具有支撐桿結(jié)構(gòu)，會出現(xiàn)掛灰、結(jié)垢、腐蝕等問題。而旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)具有煙氣溫度高(300～400 ℃)、煙氣量調(diào)節(jié)靈活、維修方便、對系統(tǒng)運(yùn)行影響小等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放、滿足不同負(fù)荷下廢水高效蒸發(fā)要求的同時，提高了電廠運(yùn)維的穩(wěn)定性，具有極大的研究和應(yīng)用價值[10]。

由于旁路煙道蒸發(fā)在高溫環(huán)境下進(jìn)行，霧滴蒸發(fā)時間極短，采用實(shí)驗(yàn)方法不僅成本高，而且短時間內(nèi)獲得煙道內(nèi)有關(guān)霧滴蒸發(fā)特性關(guān)鍵信息的難度大，對測量方法的要求也極高。相比而言，數(shù)值模擬方法成本低、提取信息方便，在脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)的研究中完全可采用。冉景煜等[11]通過建立液滴運(yùn)動和蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型，研究了低溫?zé)煔庵胁煌镄詤?shù)液滴在相對速度和相對溫度下的蒸發(fā)特性，結(jié)果表明，在相同工況條件下，雙組分液滴和單組分液滴具有不同的溫度變化過程。DENG等[12]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，較長的煙道、較小的霧滴粒徑和較高的煙氣溫度有助于提高蒸發(fā)速率，并證明脫硫廢水蒸發(fā)處理系統(tǒng)對下游的電除塵器、煙氣換熱器等設(shè)備影響不大。FENG等[13]通過建立歐拉-拉格朗日組合模型來揭示煙氣中脫硫廢水噴霧蒸發(fā)的熱流體行為，分析了液滴粒徑分布、煙氣流速和流量、噴嘴全錐角和噴霧方向?qū)φ舭l(fā)速率的影響。已有文獻(xiàn)中有關(guān)脫硫廢水蒸發(fā)的數(shù)值仿真研究大多采用純水液滴蒸發(fā)模型。然而，脫硫廢水屬于含鹽廢水，有研究證明高鹽廢水和純水在擴(kuò)散速度與飽和蒸氣壓方面存在較大差異，現(xiàn)有的一些關(guān)于脫硫廢水蒸發(fā)速率和蒸發(fā)過程的數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際不符，難以在工程應(yīng)用中發(fā)揮有效的補(bǔ)充和指導(dǎo)作用[14-16]。

因此，本研究以某350 MW機(jī)組脫硫廢水旁路煙道改造為研究對象，利用含鹽液滴蒸發(fā)模型，考慮含鹽量的影響，研究旁路煙道中不同噴嘴布置方式和操作參數(shù)對脫硫廢水蒸發(fā)過程的影響，以期為旁路煙道蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)、診斷和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 研究對象

某350 MW機(jī)組脫硫廢水旁路煙道改造項(xiàng)目旁路煙道結(jié)構(gòu)見圖1。煙道入口與空預(yù)器前煙道相接，高溫?zé)煔鈴拇颂幰肱月窡煹乐?，煙道出口與空預(yù)器后煙道相接。煙道入口和出口半徑分別為0.76、0.66 m，煙道主體段半徑為1.41 m。煙道內(nèi)布有導(dǎo)流板和整流管。

圖1 旁路煙道結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structral model of the bypass flue

2 數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型及邊界條件

基于CFX軟件，采用歐拉法和剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)湍流模型求解針對氣流的穩(wěn)態(tài)雷諾平均方程(RANS)；采用拉格朗日顆粒跟蹤法求解霧滴流動；霧滴與氣流相互作用力采用Ishii-Zuber曳力模型[17]計(jì)算；霧滴傳熱與蒸發(fā)過程基于Abramzon-Sirignano蒸發(fā)模型分析，并考慮了含鹽量的影響[18]；采用Gamma分布函數(shù)[19]來表征霧滴粒徑。

邊界條件設(shè)置見表1，下文如無特別說明均采用表2中的基準(zhǔn)參數(shù)。

表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

表2 煙氣、脫硫廢水及噴嘴基準(zhǔn)參數(shù)Table 2 Reference parameters of flue gas,desulfurization wastewater and nozzles

3 結(jié)果與討論

3.1 煙氣濕度的影響

模擬了5種不同煙氣濕度(6%、9%、12%、15%和18%)條件下的霧滴蒸發(fā)過程，結(jié)果見圖2。高溫環(huán)境下霧滴的蒸發(fā)過程大致可分為兩個階段：快速蒸發(fā)階段和緩慢蒸發(fā)階段。霧滴開始蒸發(fā)時，由于霧滴中水分高，與煙氣相對速度和相對溫差均較大，蒸發(fā)迅速，霧滴蒸發(fā)率隨蒸發(fā)距離基本呈線性增長，此時為快速蒸發(fā)階段；隨著蒸發(fā)過程的進(jìn)行，霧滴中的水分在高溫環(huán)境大量蒸發(fā)后，霧滴與煙氣間的相對速度和相對溫差減小，蒸發(fā)速率放緩，此時為緩慢蒸發(fā)階段。5種煙氣濕度條件下，隨著平均蒸發(fā)距離的延長，霧滴的蒸發(fā)率均不斷上升，且霧滴蒸發(fā)率曲線基本重合。由于煙氣溫度較高時，煙氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)時所需的水含量較大，正常燃煤煙氣濕度范圍并不足以對霧滴蒸發(fā)產(chǎn)生明顯的抑制作用，因此工程實(shí)際應(yīng)用可以忽略煙氣濕度對霧滴蒸發(fā)的影響。

圖2 不同煙氣濕度下霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化Fig.2 Evaporation rate variation at different flue gas humidity with average evaporation distance

3.2 導(dǎo)流措施的影響

在脫硫廢水蒸發(fā)過程中，由于氣液相互作用，流場的分布情況勢必對霧滴的蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響。圖3對比有無導(dǎo)流措施(有導(dǎo)流措施即為增加導(dǎo)流板和整流管)時煙道內(nèi)部的煙氣流線。無導(dǎo)流措施時，煙道內(nèi)部流線混亂，部分區(qū)域產(chǎn)生回流，且不同截面處速度的分布極不均勻，氣流穩(wěn)定性差，容易發(fā)生霧滴的碰壁現(xiàn)象。采取導(dǎo)流措施后，流線基本與煙道走向近乎平行，流場的均勻性得到極大改善，氣流穩(wěn)定性好。

圖3 旁路煙道煙氣流線Fig.3 Streamlines of flue gas in the bypass flue

圖4對比有無導(dǎo)流措施時霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化規(guī)律。相比有導(dǎo)流措施，無導(dǎo)流措施時霧滴的蒸發(fā)速率偏快，霧滴蒸發(fā)完全所需的路程更短，這是因?yàn)闊o導(dǎo)流措施條件下，煙道內(nèi)部煙氣存在渦流，湍流強(qiáng)度大，增大了氣液間的換熱效率，進(jìn)而提高了霧滴的蒸發(fā)速率。

圖4 有無導(dǎo)流措施時霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化Fig.4 Variation of droplet evaporation rate with average evaporation distance with or without diversion measure

用煙道壁面處的霧滴質(zhì)量流量密度表示霧滴與壁面間碰撞的強(qiáng)弱程度，有無導(dǎo)流措施時旁路煙道壁面的霧滴質(zhì)量流量密度分布見圖5。無導(dǎo)流措施時霧滴與煙道壁面發(fā)生了明顯的碰撞。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，有導(dǎo)流措施和無導(dǎo)流措施時霧滴的碰壁概率分別為5.85%和0.10%，這是因?yàn)闊o導(dǎo)流措施時，煙道內(nèi)部的流速分布不均，流線雜亂，部分流線指向壁面甚至與壁面垂直，在氣流拖曳力的作用下霧滴向壁面運(yùn)動直至碰壁。可見，無導(dǎo)流措施條件下雖然有利于廢水蒸發(fā)，但霧滴也更容易與壁面碰撞，從而導(dǎo)致壁面結(jié)垢，因此工程設(shè)計(jì)時應(yīng)該避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 旁路煙道壁面的霧滴質(zhì)量流量密度分布Fig.5 Droplet mass flux distribution on the wall of the bypass flue

3.3 噴嘴布置方式的影響

噴嘴均沿壁面同一圓周等間距排列，方案1(對稱布置)中煙道對稱面左右各有兩個噴嘴，等間距分布；方案2(非對稱布置)由方案1的噴嘴繞煙道圓管部分中軸線旋轉(zhuǎn)45°得到。對應(yīng)的霧滴運(yùn)動軌跡見圖6，其中流線匯聚點(diǎn)為噴嘴位置。兩種方案霧滴均蒸發(fā)完全，但方案2的霧滴偏向左下方運(yùn)動，這是由于彎頭結(jié)構(gòu)使得氣流在下游煙道造成偏流，靠近右側(cè)壁面的氣體運(yùn)動速度更大，在速度梯度的作用下氣體帶動霧滴一起向左運(yùn)動導(dǎo)致的。方案2的兩個噴嘴位置正好位于煙道對稱面上，在這一平面上，彎頭的影響最大，而方案1噴嘴位于該對稱面兩側(cè)，彎頭的影響被削弱了，因此霧滴基本沿圓管中心軸線運(yùn)動。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，方案1霧滴的碰壁概率為0.10%，低于方案2的0.48%。

圖6 不同的噴嘴布置方式下的霧滴運(yùn)動軌跡Fig.6 Droplet trajectories under different nozzle arrangements

兩種方案條件下，霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化規(guī)律見圖7。相比于方案2，方案1霧滴蒸發(fā)完全所需的平均蒸發(fā)距離更短。這主要是由于霧滴蒸發(fā)時從氣體中吸收熱量，會在霧滴附近區(qū)域造成局部低溫，方案1低溫區(qū)基本位于中軸線處，而方案2低溫區(qū)偏左并靠近壁面；方案1低溫區(qū)更容易從周圍的氣體區(qū)域補(bǔ)充熱量，霧滴的蒸發(fā)速率要略高。由此可見，噴嘴的合理布置對于減少壁面結(jié)垢、保證霧滴有效蒸發(fā)和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

圖7 兩種噴嘴布置方式下霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化Fig.7 Variation of droplet evaporation rate with average evaporation distance under two nozzle arrangements

3.4 噴嘴布置層數(shù)的影響

圖8給出了噴嘴布置層數(shù)分別為單層、雙層、三層時的霧滴運(yùn)動軌跡，其中上下相鄰兩層的噴嘴間距2 m，呈錯位排列，3種方案中噴入的脫硫廢水總量相同。雖然不同噴嘴布置層數(shù)下霧滴均蒸發(fā)完全，但隨著噴嘴布置層數(shù)的增加，霧滴在煙道內(nèi)分布更加分散。圖9給出了3種方案下霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化曲線。隨著噴嘴布置層數(shù)的增加，霧滴的蒸發(fā)速率加快，且霧滴完全蒸發(fā)所需的平均蒸發(fā)距離不斷縮短。這是因?yàn)殡S著噴嘴布置層數(shù)的增多，霧滴在煙道空間內(nèi)的分布愈加分散，便于與周圍熱空氣進(jìn)行熱量交換。由此可見，為了保證工程順利穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置足夠的噴嘴層數(shù)是必要的。

圖8 不同的噴嘴布置層數(shù)下霧滴運(yùn)動軌跡Fig.8 Droplet trajectories under different nozzle arrangement layers

圖9 3種噴嘴布置層數(shù)下霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化Fig.9 Variation of droplet evaporation rate with average evaporation distance under three types of nozzle arrangement layers

3.5 霧滴粒徑的影響

圖10展示了5種均一粒徑(50、70、90、110、130 μm)霧滴的蒸發(fā)特性曲線。隨著粒徑增大，霧滴蒸發(fā)率不斷下降，蒸發(fā)完全所需的平均蒸發(fā)距離不斷延長，這是由于霧滴粒徑增大導(dǎo)致比表面積減小，進(jìn)而蒸發(fā)完全所需的平均蒸發(fā)距離延長。隨著粒徑的等幅增大，霧滴蒸發(fā)完全所需的平均蒸發(fā)距離基本呈線性增長。因此，霧滴粒徑是霧滴能否充分有效蒸發(fā)的敏感因素，蒸發(fā)距離是工程設(shè)計(jì)中合理選取粒徑的重要依據(jù)。

圖10 不同粒徑霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化Fig.10 Variation of droplet evaporation rate at different diameters with average evaporation distance

3.6 煙氣溫度的影響

不同煙氣溫度(573、593、613、633、653 K)下霧滴蒸發(fā)軌跡見圖11。隨著煙氣溫度的升高，噴嘴下游的低溫區(qū)面積不斷縮小，霧滴在煙道中行進(jìn)的距離不斷縮短。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得到霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化規(guī)律(見圖12)。隨著煙氣溫度升高，霧滴蒸發(fā)率不斷增加，蒸發(fā)完全所需的平均蒸發(fā)距離不斷縮短，煙氣溫度越高，霧滴與煙氣的溫差越大，氣液之間傳熱更劇烈，霧滴蒸發(fā)更快。當(dāng)升高到653 K時，霧滴基本以恒定速率迅速蒸發(fā)完全。由此可見，較高的煙氣溫度有助于霧滴快速有效蒸發(fā)，減少蒸發(fā)距離，但煙氣溫度到一定程度時，繼續(xù)升溫對霧滴蒸發(fā)的影響有限。

圖11 不同煙氣溫度下霧滴蒸發(fā)軌跡Fig.11 Droplet evaporation trajectories at different flue gas temperatures

圖12 不同煙氣溫度下霧滴蒸發(fā)率隨平均蒸發(fā)距離的變化Fig.12 Variation of droplet evaporation rate at different flue gas temperature with average evaporation distance

4 結(jié) 論

采用了含鹽液滴蒸發(fā)模型，結(jié)合流場分析得到了煙氣濕度、導(dǎo)流措施、噴嘴布置方式、噴嘴布置層數(shù)、煙氣溫度以及霧滴粒徑分布等因素對霧滴蒸發(fā)過程的影響。高溫環(huán)境下，霧滴的蒸發(fā)過程分為快速蒸發(fā)階段和緩慢蒸發(fā)階段；煙氣濕度6%～18%，其對霧滴蒸發(fā)過程的影響基本可以忽略；改善流場的均勻性可以有效防止霧滴碰壁現(xiàn)象的發(fā)生，但會導(dǎo)致霧滴的蒸發(fā)速率出現(xiàn)略微下降；煙道存在彎頭結(jié)構(gòu)時，噴嘴應(yīng)布置在彎頭結(jié)構(gòu)對稱面的兩側(cè)，在提高霧滴蒸發(fā)速率的同時，降低了碰壁概率；隨著噴嘴布置層數(shù)的增加，脫硫廢水在煙道內(nèi)的分布愈加均勻，且霧滴蒸發(fā)速率不斷提高；霧滴粒徑越小、煙氣溫度越高，霧滴的蒸發(fā)速率越快，蒸發(fā)完全時所需的平均蒸發(fā)距離越短。