噴淋法煙氣水回收的試驗及一維數(shù)值模擬

張勁松，金生祥，劉鵬飛＊，岳 海，李 俊

（1.內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013700 2.北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司，北京 100142）

引言

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛、最成熟的火電廠煙氣濕法脫硫技術(shù)，濕法脫硫自身原理決定了其巨大的用水量。煙氣濕法脫硫系統(tǒng)用水量超過了機組總用水量的50%。1 臺600MW 機組一般用水量為120 t/h，年耗水量為80 萬噸，這對缺水地區(qū)的水資源和環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重影響。

1 濕法脫硫后煙氣節(jié)水技術(shù)

鍋爐排放的煙氣中含有大量的水蒸氣，水蒸氣的主要來源是水蒸氣燃料水分、燃料氫氧化和水分是否隨燃燒帶進鍋爐空氣。含水量變化很大，這取決于煤炭類型、空氣中水含量、電廠配置等因素。經(jīng)濕法脫硫，煙氣與脫硫漿液接觸，較高溫度的煙氣與脫硫漿液傳熱傳質(zhì)并完成SO2脫除過程，脫硫漿液與煙氣及環(huán)境等達到動態(tài)平衡，煙氣溫度降低，煙氣中的水含量增加達到飽和或者過飽和，脫硫前后煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)由6%～8%升至11%～13%，水蒸氣潛熱顯著增加[1]。

中國北方地區(qū)水資源不足，但煤炭資源豐富，火力發(fā)電廠燃燒后污染物經(jīng)濕法脫硫系統(tǒng)治理合格后排放，會消耗大量的水并可能有有色煙羽等問題，減少電廠的水消耗實現(xiàn)零補水甚至造水是目前關(guān)注的重點。隨國家對碳中和及碳達峰的要求，將來火力發(fā)電廠必定有碳補集的需求，而煙氣直接冷凝法已經(jīng)規(guī)?；瘧?yīng)用并取得了很好的收水效果，能二次脫除煙氣中的污染物，煙氣的溫度區(qū)間也比較適合有機胺吸收法碳捕集的工藝技術(shù)，必定會在煙氣水回收及碳捕集技術(shù)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

2 直接冷凝法煙氣水回收技術(shù)

煙氣水回收技術(shù)主要有：冷凝法（換熱器間接冷凝法[2]、直接冷凝法）、膜法[3]、吸收法等技術(shù)路線。規(guī)?；瘧?yīng)用的是煙氣直接冷凝法回收水技術(shù)。

北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司公布了一種專利技術(shù)：一種濕法脫硫零耗水系統(tǒng)（專利號：CN201520207265），在原脫硫裝置的基礎(chǔ)上新增加冷卻凝結(jié)塔和換熱器，冷卻凝結(jié)塔安裝有旋流耦合器層，通過旋流耦合技術(shù)將冷卻循環(huán)水與脫硫吸收塔出口凈煙氣直接接觸換熱降溫，并利用噴淋層和除塵器層將冷凝的細小霧滴捕悉，實現(xiàn)水的回收；旋流耦合器層實現(xiàn)冷卻水與煙氣的高效換熱，循環(huán)水再與空氣換熱為冷卻水降溫，實現(xiàn)從凈煙氣中回收水，從而達到脫硫系統(tǒng)的零水耗，甚至還可以回收過量的工藝水為其他系統(tǒng)提供水源。回收的水經(jīng)簡單處理后就可以用作鍋爐供水。

該技術(shù)采用煙氣與噴淋水直接換熱的技術(shù)，循環(huán)水系統(tǒng)的酸性可調(diào)，設(shè)備材質(zhì)不必選用耐腐蝕合金鋼，該技術(shù)在超低排放的基礎(chǔ)上將SO2排放濃度降至10 mg/Nm3；塵排放濃度降至2 mg/Nm3以下，同時實現(xiàn)對未在超低排放控制指標(biāo)下的SO3、NH3等可凝結(jié)性顆粒物的高效脫除，在消白煙和消除藍色煙羽方面也起到了很好的效果。

內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限公司采用了該技術(shù)進行煙氣水回收，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用新型噴嘴，優(yōu)化噴淋效果，避免壁面效應(yīng)，塔底采用了新型的湍流裝置。噴淋直接冷凝技術(shù)的應(yīng)用情況見表1。

表1 噴淋直接冷凝技術(shù)的應(yīng)用情況

3 中試實驗介紹

3.1 中試實驗工藝介紹

如圖1 所示，脫硫吸收塔排出的飽和凈煙氣進入冷凝塔，在冷凝塔內(nèi)飽和凈煙氣與噴淋下來的冷卻循環(huán)水逆流接觸，飽和凈煙氣與冷卻循環(huán)水液滴快速換熱降溫冷凝，液滴增大實現(xiàn)傳質(zhì)傳熱過程，大粒徑的冷凝液滴直接落入冷凝塔底水池，細小的液滴被冷凝塔上部的除霧器裝置捕獲后也最終落入冷凝塔塔底，塔底的冷凝水溢流至緩沖水罐，緩沖水罐設(shè)置冷卻循環(huán)泵，將罐內(nèi)的水輸送至空冷器降溫后，重新循環(huán)到冷凝塔噴淋層。隨著飽和凈煙氣中水冷凝量的增加，冷凝水緩沖箱溢流至溢流水罐，從而實現(xiàn)冷凝水回收。

圖1 中試實驗流程

吸收塔出口的凈煙氣經(jīng)過循環(huán)冷卻水降溫，熱量轉(zhuǎn)移至冷凝塔塔底水池內(nèi)的冷凝循環(huán)水，該循環(huán)水轉(zhuǎn)移至循環(huán)水箱后，由空冷器降溫，最后熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境空氣中，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的熱循環(huán)。

冷凝回收的水可作為脫硫系統(tǒng)的工藝水補水、除霧器沖洗水、制漿用水等，基本實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)零耗水。冷凝塔還具有二次脫除污染物的作用，經(jīng)降溫的循環(huán)冷卻水循環(huán)噴淋的能進一步吸收凈煙氣中少量的SO2、SO3等，進一步的捕獲煙氣中的顆粒物。

因冷凝塔的二次煙氣凈化功能，隨著循環(huán)時間的增加，塔內(nèi)循環(huán)水的pH 會降低，為保護系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)置了循環(huán)水pH 值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由pH 值調(diào)節(jié)罐及pH 值調(diào)節(jié)泵組成。

3.2 實驗主要設(shè)備

中試實驗的主要實驗設(shè)備參見表2，關(guān)鍵設(shè)備冷凝塔直徑：2 m，其中噴淋層區(qū)高度：2.1 m，循環(huán)水流量200 m3/h，設(shè)計煙氣流量20 000 Nm3/h。

表2 煙氣水回收中試實驗設(shè)備

3.3 中試實驗的主要內(nèi)容

脫硫塔排出的飽和煙氣水回收技術(shù)，核心是飽和凈煙氣的冷凝及換熱的過程，其中的液滴的粒徑影響到傳質(zhì)傳熱的面積是核心參數(shù)，在實驗中最初采用的是空心錐噴嘴，循環(huán)水量太大，收水效果差，后期更換為離心式實心錐噴嘴，并選定噴出的液滴粒徑，循環(huán)水量由200 m3/h 降低至30～60 m3/h 即可達到相同的收水效果。另外實際的運行參數(shù)如冷卻循環(huán)水流量、循環(huán)水溫度等是試驗的重點內(nèi)容。

3.3.1 循環(huán)水量對煙氣收水的影響 循環(huán)冷卻水量是影響冷凝塔內(nèi)的氣液傳質(zhì)過程的關(guān)鍵參數(shù)，循環(huán)水量大，噴淋效果佳，能增強飽和煙氣的冷凝過程，強化塔內(nèi)傳質(zhì)傳熱過程，但受限于空冷器的冷凝負荷，較高的循環(huán)水量，會造成循環(huán)回水的溫度較高，造成冷凝塔內(nèi)煙氣與水的傳熱溫差變小，反而不利于水的回收過程。而且流量的增大會造成能耗的增加（循環(huán)水的能耗及冷凝塔內(nèi)的阻力均增加）。試驗過程中選取了不同的流量，盡量保持其它運行條件基本不變，考察了循環(huán)冷卻水流量下的系統(tǒng)回收水速率，實驗數(shù)據(jù)參見表3。

表3 循環(huán)水量對煙氣收水的影響

從表3 中的數(shù)據(jù)可以看出不同循環(huán)流量下的收水量差異較大，并非循環(huán)流量越大收水量越高，在大流量條件下，回收水平衡溫度上升造成煙氣溫度與循環(huán)水溫差的減少，造成傳質(zhì)傳熱的推動力變差，造成回收水量減小，循環(huán)流量可以提高空間傳熱效果，但并非越大越好，實際運行過程中應(yīng)綜合考慮，選擇合適的循環(huán)水流量。

3.3.2 循環(huán)水溫度對收水的影響 控制循環(huán)水流量60 m3/h，凈煙氣流量18 000 Nm3/h，考察不同的環(huán)境溫度下的水回收效果，實驗中的循環(huán)水溫度主要受到大氣溫度的影響，從下表中可以看出隨著環(huán)境溫度越高，回收水的水量減小，實驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 循環(huán)水溫度對收水的影響

從表4 中可以看出環(huán)境溫度越低，空冷器冷卻效果越好，冷卻的水溫也越低，水與凈飽和煙氣的傳熱溫差越大，回收水效果越好。

4 冷凝法的原理及模擬

4.1 冷凝法收水原理

直接冷凝法的原理是采用飽和煙氣與降溫后的水進行直接換熱，降低煙氣中水蒸汽的飽和度，使煙氣中的水分凝結(jié)，達到收水的目的，采用水直接對煙氣進行降溫換熱，同時水可以作為煙氣中水份凝結(jié)過程中的凝結(jié)中心，為了提高傳質(zhì)、傳熱效果，將水噴淋與煙氣進行氣液接觸，氣液逆流接觸。

Dagnijia 等[4]對噴淋塔冷卻煙氣的傳質(zhì)傳熱原理進行了介紹，并進行了相關(guān)的計算，公式如下。

其中逆流洗滌塔液滴流速隨時間的變化的公式如下[5]：

阻力系數(shù)的公式如下：

煙氣溫度隨洗滌塔高度的變化公式如下：

傳熱系數(shù)關(guān)系公式如下：

傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)公式如下：

液滴溫度隨洗滌塔高度變化的公式如下：

液滴直徑隨洗滌塔高度變化的公式如下：

過程推動力公式如下：

4.2 模擬的基本條件

Dagnijia[4]的數(shù)值計算是從煙氣入口側(cè)開始計算，對液滴的流速不能充分描述，本次我們從冷凝水入口側(cè)開始計算，并做如下的假定：

-穩(wěn)態(tài)條件；-忽略熱損失；-忽略液滴之間的碰撞；-每個截面上的所有液滴都使用平均直徑；液滴很小，導(dǎo)致液滴及其表面溫度相等；裝置中液滴的數(shù)量是恒定的，液滴呈球形；-裝置內(nèi)的干煙氣流量恒定；氣體是理想氣體，適用氣體狀態(tài)方程；-不考慮壁面效應(yīng)，不考慮散熱損失。

4.3 模擬數(shù)據(jù)分析

我們采用開源軟件Pyhton 進行數(shù)值模擬[4]，將冷凝塔從上到下分成5 mm 的細小微元，從冷凝塔上部開始計算，通過設(shè)定冷凝水溫度、出口煙氣溫度、液滴直徑等計算收取水量、煙氣入口溫度、循環(huán)水塔底溫度等參數(shù)。

4.3.1 液滴直徑 依據(jù)3.2 中模擬的設(shè)備條件，循環(huán)水流量122.9 m3/h，循環(huán)水溫度29.5 ℃，煙氣流量控制在18 000 m3/h，煙氣溫度45.9 ℃，其中含水量11.2%，改變液滴直徑，模擬收水效果的隨液滴直徑的減小，收水量變大，冷凝塔出口溫度同時升高。數(shù)據(jù)見表5。

表5 回收水量與液滴直徑關(guān)系

4.3.2 循環(huán)水量 選定煙氣流量18 000 m3/h，煙氣溫度45.9 ℃，循環(huán)水溫度29.5 ℃，液滴粒徑2 mm，改變循環(huán)水量，收水量及煙氣出口溫度見表6。

表6 回收水量與循環(huán)水量關(guān)系

隨循環(huán)水量的增大，煙氣水回收量增加趨勢明顯，煙氣出口溫度也隨之降低，但流量加大后水量回收增加趨勢變緩，而且隨著水量增加，單位體積內(nèi)液滴數(shù)量多，液滴碰撞等造成實際情況偏離假設(shè)的模擬工況，從實際的實驗情況來看，循環(huán)水量的加大與模擬情況類似，高流量工況下，并不能大幅增加回收水量，受限于煙氣出入口溫度，循環(huán)水量不宜過大。

4.3.3 循環(huán)水水溫 選定煙氣流量18 000 m3/h，煙氣溫度45.9 ℃，液滴粒徑2 mm，循環(huán)水量122 m3/h，改變循環(huán)水溫度，收水量及煙氣出口溫度見表7。

表7 回收水量與循環(huán)水水溫關(guān)系

隨循環(huán)水溫度的降低，回收水量增加，降低至21.5℃時，收水量增加的趨勢變緩，收水量應(yīng)綜合考慮循環(huán)水冷卻的運行成本，不能過分追求較低的循環(huán)水溫度。隨循環(huán)水溫度的降低，煙氣出口溫度也隨之降低。

4.3.4 空間換熱系數(shù) 設(shè)計節(jié)水裝置時的核心參數(shù)是空間換熱系數(shù)，模擬了不同工況下的空間換熱系數(shù)，液滴直徑2 mm，煙氣流量18 000 m3/h。換熱體積為吸收塔入口至噴嘴的高度與吸收塔截面積的乘積，溫差取煙氣及循環(huán)水的對數(shù)溫差?？臻g換熱系數(shù)見表8。

表8 不同工況下空間換熱系數(shù)

4.4 與實驗數(shù)據(jù)的比較

中試實驗過程中各參數(shù)波動較大，煙氣量及循環(huán)水量可以通過風(fēng)機及泵進行精確控制，但煙氣溫度隨鍋爐負荷、燃料組成等波動，循環(huán)水的溫度隨著環(huán)境溫度變化有波動，我們?nèi)”容^穩(wěn)定的實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行比較，見表9。

表9 模擬數(shù)據(jù)與實際實驗數(shù)據(jù)對照

根據(jù)模擬計算的結(jié)果，我們與實際實驗的情況進行了比較，發(fā)現(xiàn)模擬的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)有差異，原因有以下幾點：（1） 未考慮散熱的影響。（2） 吸收塔直徑較小，壁面效應(yīng)強，導(dǎo)致實際的收水效果差。（3） 噴淋液滴的直徑因液滴的相互干擾等，較理論值偏大。（4） 液滴傳質(zhì)及傳熱系數(shù)的計算過于簡便，仍需要深入研究。

5 結(jié)論

中國富煤缺水的北方地區(qū)的火力發(fā)電廠的污染物經(jīng)濕法脫硫治理，會消耗大量的水并可能有有色煙羽等問題，因此減少電廠的水消耗是目前研究的重點。煙氣直接冷凝法具有工藝簡單，設(shè)備材質(zhì)要求低等特點，并且已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用。

文獻中詳細的描述了液滴的傳質(zhì)、傳熱的微分方程，但關(guān)鍵性的傳質(zhì)、傳熱系數(shù)仍需要深入研究并與實驗驗證。

本研究對噴淋法進行了數(shù)值模擬，并對液滴粒徑，循環(huán)水溫，循環(huán)水量，空間換熱系數(shù)等進行了分析，并與實驗數(shù)據(jù)進行了比較，可以為工藝開發(fā)及確定操作參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

符號說明

α 對流傳熱系數(shù)，W/m2·K；βp傳質(zhì)系數(shù)，kmol/N·s；βc傳質(zhì)系數(shù)t，m/s；λg氣體導(dǎo)熱系數(shù)W/m·K；μg氣體動力粘度，kg/m·s；ρw水密度kg/m3；νg氣體運動粘度，m2/s；ω 絕對濕度，kg/kg d.g；cpg氣體比熱容，J/kg·K；cpw水的比熱容，J/kg·K；cpv水的比熱容，J/kg·K；dd液滴直徑，m；ddo液滴初始直徑，μm；Dv蒸汽傳遞系數(shù)，m2/s；mg氣體質(zhì)量流量，kg/s；Mv蒸汽分子量，kg/kmol；nd液滴粒徑，1/s；pb氣體中的蒸汽分壓，Pa；psat液滴表面的蒸汽分壓，Pa；r 汽化熱，J/kg；Ru通用氣體常數(shù)8.314，J/mol·K；T氣體溫度K；tg氣體溫度，℃；tw水溫，℃；ud液滴速度，m/s；ug氣體速度，m/s；Vw水體積流量，m3/s；Vg氣體體積流量，Nm3/s；CD阻力系數(shù)；H 吸收區(qū)高度，m；Nu 努賽爾數(shù)；Pr 普朗特數(shù)；Re 雷諾數(shù)；Sh 舍伍德數(shù)；Sc 施密特數(shù)