數(shù)值模擬在燃煤電廠廢水零排放中的應(yīng)用

毛 霖，張金成，秦福初，馬孝棟

（1.國家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122；2.通遼第二發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

為滿足居民對電力逐年增加的需求，國家大力提升電力建設(shè)速度。截至2021年5月底，全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到22.4 億kW，我國發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量已連續(xù)多年位居世界第一，其中，火力發(fā)電廠的裝機(jī)容量仍占50%左右。目前，火力發(fā)電廠幾乎都采用濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫技術(shù)（FGD）減少二氧化硫的排放。在應(yīng)用過程中，為了降低吸收塔被腐蝕的速度，該技術(shù)需要控制塔內(nèi)脫硫漿液的氯離子濃度小于20 000 mg/L，因此必須外排一部分廢水，即脫硫廢水。隨著環(huán)保政策的收緊，國家要求新建火力發(fā)電廠必須實(shí)現(xiàn)廢水零排放。目前，我國電力行業(yè)脫硫廢水零排放思路較為一致，技術(shù)路線大體可分為預(yù)處理+濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶三部分。很多火力發(fā)電廠新建、在建的脫硫廢水零排放項(xiàng)目廢水預(yù)處理和濃縮方式各有不同，但是最終的濃縮廢水都需要進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理，實(shí)現(xiàn)水和鹽的分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廢水零排放。

針對蒸發(fā)結(jié)晶工藝，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了大量的數(shù)值模擬研究，解決了部分理論問題。翟明等[1]利用標(biāo)準(zhǔn)k（湍動能）-ε（湍流耗散率）模型，結(jié)合脈動燃燒器尾管的試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行湍流脈動與換熱的數(shù)值模擬。冉景煜等[2]建立了液滴在低溫?zé)煔庵羞\(yùn)動和蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型，獲得了液滴溫度、直徑隨時間的變化規(guī)律，分析了液滴直徑、速度和煙氣速度對蒸發(fā)的影響；吳帥帥等[3]建立了煙道內(nèi)氣液兩相流動、傳熱傳質(zhì)和霧化液滴蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對不同機(jī)組鍋爐空氣預(yù)熱器后主煙道內(nèi)霧化液滴的蒸發(fā)過程進(jìn)行模擬研究。本文對內(nèi)蒙古東部地區(qū)某660 MW機(jī)組旁路煙道廢水蒸發(fā)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)蒸發(fā)性能的影響，用以指導(dǎo)廢水蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)。

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1 建立物理模型

該600 MW 機(jī)組的脫硫廢水零排放工程設(shè)計(jì)處理能力為8 m3/h，不包括電廠生活污水等其他廢水。按1 ∶1的比例對旁路蒸發(fā)器進(jìn)行建模，在煙道和蒸發(fā)器直接的變徑處設(shè)置2 層多孔板導(dǎo)流，在蒸發(fā)器變徑結(jié)束后 200 mm 處布置廢水噴射點(diǎn)，每支噴槍設(shè)2 個噴嘴，每個噴嘴流量為500 kg/h，共需要4 支噴槍、8 個噴嘴，同層環(huán)形布置。噴嘴噴口與煙氣方向相同，液滴順流噴射。

1.2 數(shù)值方法

首先，采用混合網(wǎng)格劃分上述物理模型。由于四面體網(wǎng)格在節(jié)點(diǎn)排列方式上沒有特定的規(guī)則，比較適用于流場變化較大的工況，多數(shù)結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格劃分，部分結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格劃分。其次，設(shè)定相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的間距（50 mm），得到網(wǎng)格單元355 324個。再次，根據(jù)液滴在氣流中破碎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受液滴變形破碎過程影響較大的區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，加密后，網(wǎng)格單元增加到860 035 個。然后，針對純氣相的流場跡線圖采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，模擬液滴蒸發(fā)時采用可形變部件模型（DPM），分別建立連續(xù)性方程、能量方程、動量方程等。最后，利用FLUENT 軟件求解。當(dāng)計(jì)算氣體流動方程時，若相關(guān)控制方程殘差值小于10-4，則認(rèn)為結(jié)果收斂；當(dāng)計(jì)算液滴蒸發(fā)時，若相關(guān)控制方程殘值差小于10-3，則認(rèn)為結(jié)果收斂。

2 結(jié)果分析與討論

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在蒸發(fā)器入口加裝兩層多孔板可以有效均勻蒸發(fā)器內(nèi)部流場，減少偏流帶來的影響。通過分析多孔板后200 mm 處（噴嘴安裝位置）的速度云圖可知，安裝多孔板后整流效果明顯。加裝多孔板前后檢測平面的速度云圖對比如圖1所示。

圖1 加裝多孔板前后的速度云圖對比

經(jīng)過多孔板整流后，蒸發(fā)器內(nèi)的流場較為均勻，沒有偏流現(xiàn)象，液滴沒有碰壁現(xiàn)象。為保證液滴在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)完畢，不會穿過蒸發(fā)器進(jìn)入下游主煙道中，本研究通過數(shù)值模擬分析了不同粒徑液滴的蒸發(fā)距離。結(jié)果顯示，當(dāng)液滴粒徑小于120 μm 時，液滴皆能在8 m 以內(nèi)蒸發(fā)完畢，不會有液滴進(jìn)入主煙道中。

3 工程驗(yàn)證情況

數(shù)值模擬結(jié)果對工程設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用，也需要實(shí)際工程運(yùn)行來進(jìn)行驗(yàn)證。該600 MW 機(jī)組脫硫廢水零排放項(xiàng)目已于2019年3月完成168 h 試運(yùn)行，交付業(yè)主單位。經(jīng)過1年多的運(yùn)行，系統(tǒng)裝置于2020年5月機(jī)組停運(yùn)期間進(jìn)行了檢修，蒸發(fā)器內(nèi)壁如圖2 和圖3 所示。經(jīng)過長時間運(yùn)行，蒸發(fā)器內(nèi)壁上部和下部都沒有明顯的積灰和堵塞現(xiàn)象，說明液滴在觸碰內(nèi)壁之前已經(jīng)完全蒸干，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。如果數(shù)值模擬結(jié)果有偏差，沒有完全蒸發(fā)的液滴會裹挾飛灰粘在蒸發(fā)器內(nèi)壁，形成大面積的污垢，污垢在長時間累積下會板結(jié)，最終造成蒸發(fā)器的堵塞。

圖2 蒸發(fā)器內(nèi)壁上部（含噴槍與多孔板）

圖3 蒸發(fā)器內(nèi)壁下部（含溫度計(jì)）

4 結(jié)論

數(shù)值模擬技術(shù)在燃煤電廠廢水零排放領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在成本低、速度快、周期短、信息完整、具有模擬真實(shí)條件的能力等方面。本文以燃煤發(fā)電機(jī)組旁路煙道脫硫廢水零排放項(xiàng)目為例，闡述了數(shù)值模擬工作流程，分析了蒸發(fā)過程中煙道和蒸發(fā)器內(nèi)的氣液分布情況。經(jīng)過導(dǎo)流裝置和煙道的調(diào)整，液滴顆粒在蒸發(fā)器內(nèi)完全蒸發(fā)且不碰壁。經(jīng)過長時間的運(yùn)行，蒸發(fā)器內(nèi)壁光滑，沒有積灰和堵塞現(xiàn)象，證明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工程相一致，也證明數(shù)值模擬技術(shù)在燃煤電廠廢水零排放工程中的可靠性。