脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)蒸發(fā)段翅片結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

許 蕾 虞 斌 凌衛(wèi)平 王風(fēng)錄 田一皓

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

“碳達(dá)峰、碳中和”是我國(guó)當(dāng)前的重要目標(biāo)之一［1］。 對(duì)于電力行業(yè)，“雙碳”目標(biāo)要求著力提高能源利用效能，控制化石能源消費(fèi)總量，實(shí)施可再生能源替代，建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，將我國(guó)發(fā)展建立在高效資源利用、嚴(yán)格保護(hù)生態(tài)環(huán)境、有效控制溫室氣體排放的基礎(chǔ)上， 推動(dòng)我國(guó)綠色發(fā)展邁上新臺(tái)階［2］。

我國(guó)是一個(gè)“富煤、貧油、缺氣”的發(fā)展中國(guó)家，現(xiàn)階段，煤炭是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源，在一次能源消耗中占比超過(guò)50%，而其中用于發(fā)電的煤炭就約占煤炭總消費(fèi)的70%［3，4］。 因此，提高燃煤電廠(chǎng)能效可以有效減少總能耗。 此外，先進(jìn)的燃煤發(fā)電技術(shù)還有助于解決我國(guó)當(dāng)前的環(huán)境污染問(wèn)題，如二氧化硫、氮氧化物的過(guò)量排放及酸雨等［5，6］。

近年來(lái)，我國(guó)火電廠(chǎng)新建的脫硫系統(tǒng)中，大多采用的是石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)［7，8］。 然而， 濕法煙氣脫硫技術(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)形成脫硫廢水， 因其組分的特殊性、 復(fù)雜性和強(qiáng)腐蝕性， 脫硫廢水的處理成為制約火電廠(chǎng)廢水零排放的關(guān)鍵［9］。 針對(duì)燃煤電廠(chǎng)中脫硫廢水的處理問(wèn)題，響應(yīng)國(guó)家對(duì)脫硫廢水處理零排放的要求， 筆者開(kāi)發(fā)了一種新型燃煤電廠(chǎng)脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變翅片高度和間距， 研究和分析各因素對(duì)殼程煙氣流動(dòng)和傳熱性能的影響。

1 新型脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)

新型燃煤電廠(chǎng)脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)流程如圖1所示［10］。 該系統(tǒng)包括分離式相變換熱技術(shù)、多效蒸發(fā)濃縮技術(shù)和濃液噴霧干燥固化技術(shù)。 其具體工作流程為： 通過(guò)分離式相變換熱技術(shù)從鍋爐煙氣中獲取煙道中的熱煙氣余熱； 然后利用所獲得的熱量為多效蒸發(fā)濃縮技術(shù)提供熱蒸汽，從而使脫硫廢水中90%的潔凈水被回用； 最后通過(guò)熱煙氣對(duì)多效蒸發(fā)后所產(chǎn)生的濃液進(jìn)行噴霧干燥固化處理［11］。

圖1 新型燃煤電廠(chǎng)脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)流程

2 幾何模型建立

針對(duì)系統(tǒng)中相變換熱技術(shù)和多效蒸發(fā)技術(shù)的耦合點(diǎn)，對(duì)復(fù)合相變換熱器蒸發(fā)段煙氣側(cè)進(jìn)行研究模擬分析。 由于蒸發(fā)段的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所包含的換熱管數(shù)量多，且翅片管翅片密集，故建立整體結(jié)構(gòu)模型難度較大， 需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。圖2為模型計(jì)算區(qū)域示意圖。在模擬計(jì)算過(guò)程中，入口處和出口處極易產(chǎn)生回流，故通過(guò)延長(zhǎng)模型中煙氣進(jìn)出口長(zhǎng)度的方法來(lái)有效避免此現(xiàn)象的發(fā)生， 進(jìn)口延長(zhǎng)長(zhǎng)度為翅片管外徑的1.2倍，出口延長(zhǎng)長(zhǎng)度為翅片管外徑的3.6倍，得到翅片管的簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖2 模型計(jì)算區(qū)域示意圖

圖3 翅片管的簡(jiǎn)化模型

對(duì)所建模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)涉及煙氣的流動(dòng)與翅片管的傳熱，故假設(shè)：煙氣不可壓縮，物性參數(shù)不受其他因素影響，且在翅片管壁面無(wú)滑移；翅片管導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。

2.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理，得到局部網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 局部網(wǎng)格模型

2.2 控制方程

質(zhì)量守恒方程：

其中，u、v、w分別表示x、y、z方向的速度分量。

動(dòng)量守恒方程：

其中，p為流體壓力，μ為流體動(dòng)力黏度，ρ為流體密度，g為重力加速度。

能量守恒方程：

式中 cp——定壓比熱容；

T——流體溫度；

λ——流體傳熱系數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程：

式中 c1、c2、cε、cμ——實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)系數(shù)， 工程實(shí)踐中c1=1.44，c2=1.92，cε=1.3，cμ=0.09；

k——湍動(dòng)能；

xk——空間坐標(biāo)；

ε——湍動(dòng)耗散率；

μk——速度分量；

μt——湍動(dòng)黏度；

σk——湍動(dòng)能普朗特?cái)?shù)，σk=1；

σε——耗散率普朗特?cái)?shù)，σε=1.3。

2.3 邊界條件及物性參數(shù)

基于蒸發(fā)段煙氣側(cè)翅片管仿真模型的相應(yīng)參數(shù)和運(yùn)作工況，初始條件設(shè)置如下：

a.入口邊界條件。 選取速度入口邊界，入口處煙氣溫度設(shè)定為553.15 K， 速度設(shè)定為5 m/s，湍流強(qiáng)度為5%，入口水的溫度為333.15 K，速度為0.5 m/s。

b.出口邊界條件。 選擇壓力出口邊界條件。

3 翅片管結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能的影響

通過(guò)設(shè)定翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 改變翅片的高度和間距， 研究和分析各因素對(duì)殼程煙氣流動(dòng)和傳熱性能的影響。 適當(dāng)調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)尺寸，煙氣入口速度取5 m/s， 分析翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱和阻力的綜合影響。 具體的翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)

傳熱因子j的計(jì)算式為：

式中 h——煙氣與管間的對(duì)流換熱系數(shù)，

W/（m·℃）；

pr——普朗特?cái)?shù)；

u′——最小流通截面的平均流速，m/s；

ρ′——煙氣密度，kg/m3。

摩擦因子f的計(jì)算式為：

式中 A——翅片管的總傳熱面積，m2；

Amin——最小流通截面積，m2；

Δp——流動(dòng)阻力，Pa。

3.1 翅片間距對(duì)傳熱阻力性能的影響

圖5為不同翅片間距sf下煙氣入口速度與煙氣出口溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。 可以看出，當(dāng)煙氣入口速度不變時(shí)，隨著翅片間距的增大，煙氣出口溫度不斷上升；當(dāng)翅片間距為6、10 mm時(shí)，不同煙氣入口速度下的煙氣出口溫度增長(zhǎng)范圍在6.4%～7.7%；當(dāng)翅片間距固定時(shí)，煙氣出口溫度隨煙氣入口速度的增大而增大，當(dāng)煙氣入口速度為3、9 m/s時(shí)，各翅片間距下煙氣出口溫度的增長(zhǎng)范圍在5.6%～6.4%；當(dāng)翅片間距為8、10 mm時(shí)，兩條曲線(xiàn)較為接近，兩者傳熱性能相近，此時(shí)翅片間距的改變對(duì)傳熱性能的影響較小。

圖5 不同翅片間距下煙氣入口速度與煙氣出口溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖6為不同翅片間距下煙氣入口速度與煙氣壓降的關(guān)系曲線(xiàn)。 可以看出，當(dāng)煙氣入口速度一定時(shí)，隨著翅片間距的增加，煙氣壓降減小。 煙氣入口速度在3～9 m/s范圍內(nèi)時(shí)， 翅片間距6 mm的煙氣壓降增幅最大，由65 Pa增大到501 Pa；翅片間距12 mm的煙氣壓降增幅最小，由38 Pa增大到279 Pa。當(dāng)煙氣入口速度一定時(shí)，增加翅片間距會(huì)使蒸發(fā)段管束煙氣的流通截面積增加，但煙氣所經(jīng)過(guò)的表面摩擦減小，翅片對(duì)煙氣流動(dòng)的阻力降低，同時(shí)煙氣的湍流強(qiáng)度有所減弱，因此在分離式熱管換熱器蒸發(fā)段管束的進(jìn)出口壓降減小。 當(dāng)翅片間距一定時(shí)，增大煙氣入口速度，煙氣的湍流強(qiáng)度增加，導(dǎo)致煙氣壓降增大，流體阻力增加?？紤]到風(fēng)機(jī)能源能耗的問(wèn)題，應(yīng)將翅片間距控制在合理范圍內(nèi)。

圖6 不同翅片間距下煙氣入口速度與煙氣壓降的關(guān)系曲線(xiàn)

圖7為不同煙氣入口速度下翅片間距與綜合傳熱性能指標(biāo) （傳熱因子j與摩擦因子f的比值）的關(guān)系曲線(xiàn)。 可以看出，當(dāng)翅片間距為6～8 mm時(shí)， 綜合傳熱性能指標(biāo)隨翅片間距的增大而增大， 即翅片管的傳熱性能增幅大于阻力增幅， 各煙氣入口速度下綜合傳熱性能指標(biāo)增長(zhǎng)范圍在24.2%～53.5%； 當(dāng)翅片間距為8～12 mm時(shí)， 綜合傳熱性能指標(biāo)隨翅片間距的增大而減小，即翅片管的傳熱性能增幅小于阻力增幅，各煙氣入口速度下綜合傳熱性能指標(biāo)下降范圍在8.7%～74.3%；當(dāng)煙氣入口速度為7 m/s時(shí)，曲線(xiàn)的上升和下降幅度最小，在此工況下，翅片間距對(duì)傳熱性能的影響最小。綜上所述，翅片間距選擇8 mm時(shí)，傳熱性能最好。

圖7 不同煙氣入口速度下翅片間距與綜合傳熱性能指標(biāo)的關(guān)系曲線(xiàn)

3.2 翅片高度對(duì)傳熱阻力性能的影響

圖8為不同翅片高度H下煙氣入口速度與煙氣出口溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。 可以看出，當(dāng)煙氣入口速度為3、9 m/s時(shí)，各翅片高度下煙氣出口溫度的增長(zhǎng)范圍在1.9%～3.5%；當(dāng)煙氣入口速度一定時(shí)，煙氣出口溫度隨翅片高度的增加而減小，不同入口速度下煙氣出口溫度的增長(zhǎng)范圍在1.6%～3.2%；當(dāng)煙氣入口速度在5～7 m/s范圍內(nèi)，翅片高度為8、10 mm時(shí)，兩條曲線(xiàn)增幅平緩，同一煙氣入口速度范圍下當(dāng)翅片高度為12、15 mm時(shí)，曲線(xiàn)增幅明顯變大。 綜上，當(dāng)翅片高度在一定范圍內(nèi)時(shí)，隨著翅片高度的增加，傳熱性能逐漸增加。

圖8 不同翅片高度下煙氣入口速度與煙氣出口溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖9為不同翅片高度下煙氣入口速度與煙氣壓降的關(guān)系曲線(xiàn)。 可以看出，隨著煙氣入口速度的增加煙氣壓降平穩(wěn)增加；當(dāng)煙氣入口速度一定時(shí)，煙氣壓降隨著翅片高度的增加而減??；當(dāng)煙氣入口速度在5～7 m/s 范圍內(nèi)，翅片高度在8～12 mm之間時(shí)，3條曲線(xiàn)較為接近， 說(shuō)明在此范圍內(nèi)煙氣壓降受翅片高度因素的影響較小。 為降低成本和風(fēng)機(jī)功耗，翅片高度不宜選擇過(guò)小，且煙氣入口速度應(yīng)在5～7 m/s范圍內(nèi)較為適宜。

圖9 不同翅片高度下煙氣入口速度與煙氣壓降的關(guān)系曲線(xiàn)

圖10為不同煙氣入口速度下翅片高度與綜合傳熱性能指標(biāo)的關(guān)系曲線(xiàn)。 可以看出，當(dāng)煙氣入口速度一定時(shí)，隨著翅片高度的增加，綜合傳熱性能指標(biāo)先上升后下降。 翅片高度在8～10 mm范圍內(nèi)，綜合傳熱性能指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，在煙氣入口速度7 m/s時(shí)其平均增長(zhǎng)率最大， 增長(zhǎng)了298.34，在煙氣入口速度9 m/s時(shí)其平均增長(zhǎng)率最低，增長(zhǎng)了165.28。 翅片高度在10～12 mm范圍內(nèi)，綜合傳熱性能指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，在煙氣入口速度為7 m/s時(shí)其平均降低率最大， 減少了251.82，在煙氣入口速度為9 m/s時(shí)其平均降低率最小，減少了93.71。 翅片高度在12～15 mm范圍內(nèi)，綜合傳熱性能指標(biāo)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 由此得出，適當(dāng)增加翅片高度可以強(qiáng)化換熱管內(nèi)流體的綜合傳熱性能，當(dāng)翅片高度為10 mm、煙氣入口速度為3 m/s時(shí)達(dá)到最佳綜合傳熱性能。

圖10 不同煙氣入口速度下翅片高度與綜合傳熱性能指標(biāo)的關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)論

4.1 不同的翅片間距在一定范圍內(nèi)對(duì)蒸發(fā)段殼程的煙氣流動(dòng)與傳熱有影響， 翅片間距過(guò)小時(shí)，會(huì)增大煙氣的壓降，使風(fēng)機(jī)功耗過(guò)大，成本增高；翅片間距過(guò)大時(shí)，傳熱阻力過(guò)小，使傳熱性能降低；當(dāng)翅片間距為8 mm時(shí)，翅片管的傳熱性能最佳。

4.2 不同的翅片高度在一定范圍內(nèi)對(duì)蒸發(fā)段殼程的傳熱性能也有較大影響， 當(dāng)翅片高度過(guò)大時(shí)，傳熱阻力過(guò)大，當(dāng)翅片高度過(guò)小時(shí)，會(huì)增大煙氣壓降，使風(fēng)機(jī)功耗過(guò)大，成本過(guò)高；當(dāng)翅片高度為10 mm時(shí)，翅片管的傳熱性能最佳。

4.3 不同的煙氣入口速度也會(huì)對(duì)煙氣流動(dòng)與傳熱產(chǎn)生影響，速度越大，翅片管的傳熱性能越差，但是速度過(guò)小會(huì)使煙氣壓降升高，從而增加風(fēng)機(jī)功耗，增大成本，所以煙氣入口速度應(yīng)結(jié)合實(shí)際耗能情況取最小值。