方立軍，　尹榮榮，　高建強(qiáng)，　程少偉

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003)

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CFB鍋爐尾部噴氨水深度煙氣脫硫試驗流場優(yōu)化研究

方立軍，尹榮榮，高建強(qiáng)，程少偉

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003)

針對某電廠設(shè)計的循環(huán)流化床(CFB)鍋爐尾部煙道噴氨水深度煙氣脫硫系統(tǒng)，通過現(xiàn)場試驗得到噴入氨水后灰中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和煙氣中SO2的質(zhì)量濃度，采用Fluent軟件對其尾部噴氨水深度煙氣脫硫流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同噴嘴位置和角度時氨水在煙道中的運動軌跡、質(zhì)量濃度分布和煙氣進(jìn)出口壓降，確定了氣液混合效果較好時的最佳噴嘴位置和角度.結(jié)果表明：當(dāng)噴嘴進(jìn)口氨水質(zhì)量流量為0.056 kg/s，上層噴嘴在y=2.4 m處、角度為水平方向，下層噴嘴在y=1.6 m處、與水平方向成45°斜向下時，氨水在煙道中的充滿度以及與煙氣的混合效果最好，脫硫效率最高可達(dá)60.13%，煙氣進(jìn)出口壓降為42.3 Pa；煙氣進(jìn)出口壓降的數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)較吻合.

CFB鍋爐； 深度煙氣脫硫； 氨法； 流場； 數(shù)值模擬

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)保性能好和灰渣可綜合利用等優(yōu)點，是潔凈煤技術(shù)中的一個重要組成部分[1].2011年國家頒布的《火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：2014年7月1日起現(xiàn)有火電廠SO2排放量必須達(dá)到200 mg/m3，少部分地區(qū)達(dá)到400 mg/m3.要達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求，如果僅依靠CFB鍋爐爐內(nèi)投入石灰石進(jìn)行脫硫，就需要燃用低硫煤或者加大石灰石的投入量.大量試驗表明，當(dāng)Ca與S物質(zhì)的量之比大于2時，脫硫效率可以達(dá)到80%以上，但脫硫劑利用率僅為50%，爐內(nèi)的灰渣量和飛灰量均會增加，增大了灰渣的物理熱損失，而且石灰石投入量的增加會造成燃料不能充分燃盡，從而降低了鍋爐的燃燒效率，經(jīng)濟(jì)效益差[2-4].因此，目前各地采用CFB鍋爐的電廠都開始尋求深度脫硫方式[5]，使SO2的排放量達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn).如淄礦集團(tuán)埠村煤礦矸石熱電廠采用爐內(nèi)投入石灰石和簡易石膏法相結(jié)合的兩級組合脫硫方式[6]，靈石中煤化工有限責(zé)任公司的3臺75 t/h CFB鍋爐采用濕式氨法脫硫[7]，廣東粵電云浮發(fā)電廠有限公司建造了CFB鍋爐石灰石-石膏濕式深度脫硫裝置[8-9].濕法煙氣脫硫雖然脫硫效率高，但初投資大、運行費用較高，并且脫硫后煙氣降溫較大，即使通過煙氣換熱器(GGH)加熱，煙氣的腐蝕性仍較強(qiáng).

山西某電廠結(jié)合自身實際，設(shè)計出CFB鍋爐爐內(nèi)投入石灰石和尾部噴氨水深度煙氣脫硫相結(jié)合的脫硫方式.這種脫硫方式為半干法脫硫，起到輔助脫硫作用，脫硫效率不是太高.它不僅采用了目前國內(nèi)環(huán)保提倡的氨法脫硫，具有脫硫劑來源廣、脫硫產(chǎn)物可以回收用于化肥和投資成本低等優(yōu)點，而且氨水中的水還能活化灰中的CaO，提高了石灰石的利用率，非常適合我國國情.筆者針對該電廠深度脫硫調(diào)試試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對脫硫劑進(jìn)入煙道后的氣液兩相流場進(jìn)行模擬，確定氣液混合效果較好時的最佳噴嘴位置和角度組合，為同類型裝置的設(shè)計和運行提供科學(xué)數(shù)據(jù).

1　試驗?zāi)Ｐ?/h2>

1.1研究對象

山西某電廠2×300 MW機(jī)組采用型號為SG-1060/17.5-M的CFB鍋爐，燃用煤矸石與風(fēng)氧化煤的混合煤(以下簡稱混矸煤)，其煤質(zhì)分析見表1.其中煤矸石作為廢棄燃料，具有低揮發(fā)分、低固定碳、高灰分和低熱值等特點[10-11].混矸煤的含硫量雖然不大，但其熱值較低，所以單位熱量所對應(yīng)的含硫量較大，SO2的排放量較高，要滿足國家SO2排放的新標(biāo)準(zhǔn)，必須采取爐內(nèi)脫硫和二級脫硫相結(jié)合的深度煙氣脫硫方式.

表1　混矸煤的煤質(zhì)分析

該電廠每臺CFB鍋爐配備2臺給煤機(jī)和2臺石灰石給料機(jī)，通過調(diào)節(jié)石灰石給料機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制投入的石灰石量，尾部深度煙氣脫硫裝置布置在空氣預(yù)熱器之后、袋式除塵器之前的水平煙道中，氨水通過2種不同長度的噴槍進(jìn)入煙道，噴嘴為單相壓力噴嘴.該脫硫方式的基本原理是爐內(nèi)石灰石煅燒生成CaO來固硫，尾部深度煙氣脫硫裝置噴出的氨水中的水與灰中未反應(yīng)的CaO進(jìn)行反應(yīng)，生成活性更強(qiáng)的氫氧化鈣吸收煙氣中的SO2，同時氨水與煙氣中的SO2反應(yīng)，生成硫酸銨或亞硫酸銨來進(jìn)行脫硫.CFB鍋爐深度煙氣脫硫系統(tǒng)示意圖見圖1.

1.2脫硫試驗

試驗主要分成2組：一組保持爐內(nèi)投入的石灰石量不變，分析尾部噴入脫硫劑量的變化對脫硫效率的影響；另一組保持尾部噴入的脫硫劑量不變，改變投入爐內(nèi)的石灰石量，當(dāng)脫硫效率最高時，分析爐內(nèi)石灰石和尾部噴入的脫硫劑量的比例.每次試驗前、中、后抽取深度煙氣脫硫裝置后水平煙道中的灰，通過化學(xué)實驗法測量灰中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分析脫硫劑中的水與灰中CaO的反應(yīng)情況.SO2的質(zhì)量濃度取除塵器后的水平煙道分散控制系統(tǒng)(DCS)測點測得的SO2質(zhì)量濃度值，繪制出噴入脫硫劑前、中、后煙氣中SO2質(zhì)量濃度的變化曲線.記錄每次試驗的機(jī)組負(fù)荷、脫硫劑量和質(zhì)量濃度等，以便于分析其影響因素.

圖1　CFB鍋爐深度煙氣脫硫系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場進(jìn)行了多次試驗，表2給出了高低2個機(jī)組負(fù)荷工況下不同氨水總質(zhì)量流量、氨水體積分?jǐn)?shù)以及開啟噴嘴個數(shù)時試驗前、中、后多個平均CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值.由表2可以看出，試驗中平均CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較試驗前、后明顯減小，灰中的CaO與氨水中的水發(fā)生了反應(yīng)，灰中CaO的利用率最高可以提高18.87%，平均可以提高12%左右.

表2　試驗前、中、后灰中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由于篇幅關(guān)系，只給出了試驗IV的DCS數(shù)據(jù)中SO2質(zhì)量濃度的變化曲線(見圖2).由圖2可以看出，當(dāng)氨水噴入煙道后，煙氣中SO2的質(zhì)量濃度明顯降低，停止噴氨水后SO2的質(zhì)量濃度迅速回升，說明尾部深度煙氣脫硫裝置的脫硫效果明顯且具有可行性.但該裝置仍有不完善之處，尾部噴入氨水后灰中CaO的減少量較小，氨水中的水沒有很好地與煙氣中的灰接觸反應(yīng)，達(dá)到的脫硫效率也較低，甚至有相當(dāng)一部分氨逃逸等一系列問題，所以在前期試驗基礎(chǔ)上必須對該裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.噴嘴霧化后的氨水與煙氣的混合情況以及脫硫劑氨水所能覆蓋的面積是影響脫硫效果的2個重要因素，采用數(shù)值模擬方法[12-14]計算氨水進(jìn)入煙道后的運動軌跡、質(zhì)量濃度分布和煙氣進(jìn)出口壓降，觀測氨水在流場中的覆蓋范圍和氨水與煙氣的混合情況.

圖2　煙氣中SO2質(zhì)量濃度的變化曲線

2　數(shù)值模型

2.1物理模型

選取二級脫硫反應(yīng)區(qū)域的煙道作為計算對象，水平煙道進(jìn)口高3.24 m、寬13.05 m、長3.742 m，豎直煙道高15.078 m、寬4 m，取上部水平煙道1 m處為煙氣出口，如圖3所示.對煙道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，煙道結(jié)構(gòu)規(guī)整且對稱，將其全部劃分成六面體網(wǎng)格，之后對網(wǎng)格進(jìn)行了無關(guān)性檢驗，直至網(wǎng)格疏密對計算結(jié)果影響不大，最終網(wǎng)格總數(shù)為582 120.

圖3　煙道結(jié)構(gòu)

2.2數(shù)學(xué)模型

對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行如下假設(shè)：(1)認(rèn)為煙氣為單相流體，不考慮灰分對流場的影響；(2)不考慮氨水噴入后的化學(xué)反應(yīng)，僅分析流場變化；(3)煙氣為定常、不可壓縮的湍流流動.相較于850 000 m3/h的煙氣體積流量來說，試驗中噴入的氨水體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，所以采用Eular-Lagrange方法[15-17]計算氨水液滴的運動軌跡和質(zhì)量濃度分布.煙氣為連續(xù)相，噴入的脫硫劑氨水為離散相.采用k-ε湍流模型模擬煙氣流動，煙氣進(jìn)口為速度進(jìn)口，出口為自由流出口，煙氣進(jìn)口流速為6.35 m/s.試驗中共有32個噴嘴，單個噴嘴進(jìn)口氨水的質(zhì)量流量為0.056 kg/s，液滴粒徑為200～600 μm，噴嘴選用Fluent軟件中自帶的壓力-旋轉(zhuǎn)霧化噴嘴，當(dāng)液滴到達(dá)壁面時被壁面捕捉，計算結(jié)束.求解器采用Simple算法，計算精度為二階精度.

2.2.1氣相控制方程

在連續(xù)方程、動量方程和能量守恒方程的基礎(chǔ)上加上紊動能方程(即k方程)和紊流耗散方程(即ε方程)，使方程組封閉，得到湍流標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程[18-19]：

(1)

式中：Φ為通用變量；ΓΦ為輸運系數(shù)；SΦ為氣相自身及相間作用源項；u為流體速度；ρ為連續(xù)相密度.

2.2.2離散相運動方程

在尾部噴氨水深度煙氣脫硫過程中，氨水進(jìn)入煙道后會與煙氣發(fā)生傳熱和傳質(zhì)，假設(shè)液滴為球形，不考慮液滴間的相互作用力和重力.離散相顆粒在流場中會受到質(zhì)量力、熱泳力和布朗力等，其中質(zhì)量力作用最大.顆粒的運動方程為

(2)

式中：t為時間，s;FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力，N/kg；up為顆粒速度，m/s；gx為重力加速度，m/s2;ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑，m；Fx為其他作用力，N.

3　模擬結(jié)果及分析

3.1氣相流場

圖4給出了僅連續(xù)相煙氣在煙道內(nèi)的三維速度場.由圖4可知，在煙道拐角處的速度會有變化，水平煙道的拐角處由于速度減小會積灰，現(xiàn)場從煙道觀測孔也可以看到，在此處由于煙氣速度減小會有較厚的積灰.豎直煙道右側(cè)較左側(cè)的煙氣速度大，在靠近左側(cè)壁面處會有一個速度回升區(qū).豎直煙道到水平煙道拐角處的煙氣速度會增大.

圖4　煙道的三維速度場

3.2離散相流場

在距離煙道進(jìn)口0.5 m處布置2層噴嘴，y=1.05 m處布置一層噴嘴中心與x軸正方向成90°豎直向下的噴嘴層，y=1.9 m處布置第二層噴嘴中心與x軸正方向成60°斜向下的噴嘴層，每層有16個噴嘴.模擬得到每個噴嘴進(jìn)口的氨水質(zhì)量流量為0.056 kg/s時，Lagrange坐標(biāo)中離散相軌跡圖和x=3.7 m處離散相的質(zhì)量濃度分布如圖5和圖6所示.由圖6可知，在水平煙道拐角前后x=3.7 m處測量得到的SO2質(zhì)量濃度變化較大，因此計算中取x=3.7 m處為主要反應(yīng)區(qū)域，觀測在x=3.7 m處氨水的質(zhì)量濃度分布是否均勻.

圖5　離散相軌跡圖

圖6　x=3.7 m處離散相的質(zhì)量濃度分布

由圖5和圖6可以看出，氨水噴入后與煙氣的混合效果不好，水平煙道部分煙氣軌跡靠近下部，上部基本沒有氨水，同樣豎直煙道也是左側(cè)基本沒有氨水，煙道下部雖然脫硫劑氨水分布較均勻，但是在靠近下壁面處氨水質(zhì)量濃度較高，很容易造成濕壁，如果煙道下部有較多灰聚集就可能結(jié)塊，增大了流動阻力.所以針對這些情況進(jìn)行了改造，模擬改變噴嘴位置和角度后氨水在煙道中的充滿度以及與煙氣的混合情況.

根據(jù)分析設(shè)計了以下6種方案.方案I：噴嘴位置不變，即y=1.9 m和y=1.05 m，上下2層噴嘴角度均為與x軸正方向成60°斜向下；方案II：上下2層噴嘴分別在y=2.4 m和y=1.6 m處，上下2層噴嘴角度同方案I；方案III：上下2層噴嘴分別在y=2.4 m和y=1.6 m處，上層噴嘴角度為水平方向(即x軸正方向)，下層噴嘴角度與x軸正方向成90°豎直向下；方案IV：上下2層噴嘴分別在y=2.4 m和y=1.6 m處，上層噴嘴角度為水平方向，下層噴嘴角度與x軸正方向成60°斜向下;方案V：上下2層噴嘴分別在y=2.4 m和y=1.6 m處，上層噴嘴角度為水平方向，下層噴嘴角度與x軸正方向成45°斜向下；方案VI：上下2層噴嘴分別在y=2.4 m和y=1.6 m處，上層噴嘴角度為水平方向，下層噴嘴角度與x軸正方向成30°斜向下.不同噴嘴位置和角度時的模擬結(jié)果見圖7.

由圖7可知，當(dāng)噴嘴進(jìn)口氨水的質(zhì)量流量為0.056 kg/s、上層噴嘴角度為水平方向時，前2種方案中氨水在煙道上部的充滿度較好，前4種方案的下層噴嘴角度都太大，大量的氨水黏附在壁面容易結(jié)垢和積灰，方案VI的下層噴嘴角度太小，煙道下部緊貼壁面且基本沒有氨水，而煙氣速度減小，此處有很多飛灰沉積，飛灰中有很多未反應(yīng)的CaO，如果氨水沒有到達(dá)此處，CaO不能被利用，會造成投入石灰石的浪費.方案V中氨水在煙道中的充滿度較好且煙道下壁面處氨水的質(zhì)量濃度較前面4種方案小，濕壁的可能性下降.

離散相軌跡圖

x=3.7 m處離散相質(zhì)量濃度圖

x=3.7 m處離散相質(zhì)量濃度圖

離散相軌跡圖

x=3.7 m處離散相質(zhì)量濃度圖

離散相軌跡圖

x=3.7 m處離散相質(zhì)量濃度圖

離散相軌跡圖

x=3.7 m處離散相質(zhì)量濃度圖

離散相軌跡圖

x=3.7 m處離散相質(zhì)量濃度圖

不同方案下煙氣進(jìn)出口壓降的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果見圖8.由圖8可知，煙氣進(jìn)出口壓降的數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)吻合較好；方案V的煙氣進(jìn)出口壓降最小，表明氨水進(jìn)入流場后造成的阻力損失最小，混合效果較好.

綜合比較上述6種方案，方案V中氨水的充滿度以及與煙氣的混合效果最好.依據(jù)方案V調(diào)整噴嘴位置和角度，通過試驗可知該裝置的脫硫效率最高可達(dá)60.13%，比優(yōu)化前的27.54%提高了118.3%，煙氣進(jìn)出口壓降由優(yōu)化前的69.1 Pa降為42.3 Pa，模擬優(yōu)化效果明顯.

圖8　不同方案下煙氣進(jìn)出口壓降

4　結(jié)　論

(1)通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析，深度煙氣脫硫裝置可以有效降低煙氣中SO2的質(zhì)量濃度，具有明顯的深度脫硫效果，而且噴入氨水中的水還會活化灰中未反應(yīng)的CaO，起到脫硫的作用，提高石灰石的利用率.經(jīng)過深度煙氣脫硫后煙氣中SO2的排放量能夠滿足國家新標(biāo)準(zhǔn)的要求.

(2)噴嘴位置和角度對氨水在煙道中的充滿度以及與煙氣的混合效果有較大影響.

(3)當(dāng)噴嘴進(jìn)口氨水質(zhì)量流量為0.056 kg/s，上層噴嘴在y=2.4 m處、角度為水平方向，下層噴嘴在y=1.6 m處、與x軸正方向成45°斜向下時，霧化液滴在煙道中的充滿度以及與煙氣的混合效果最好.試驗中該裝置煙氣進(jìn)出口壓降為42.3 Pa，脫硫效率最高可達(dá)60.13%.煙氣進(jìn)出口壓降的數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)吻合較好.

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Flow Field Optimization for CFB Boiler Rear Duct with Ammonia-sprayed AFGD System

FANGLijun,YINRongrong,GAOJianqiang,CHENGShaowei

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)

Site tests were conducted to an advanced ammonia-sprayed flue gas desulfurization (AFGD) system designed for rear duct of a circulating fluidized bed (CFB) boiler, during which the CaO content in ash and the SO2mass concentration in flue gas were measured after ammonia injection, while the flow field inside the rear duct was simulated, so as to analyze the running track and mass concentration of ammonia droplets in the duct and the pressure drop of outlet flue gas at different positions and angles of the nozzle, and to determine optimum nozzle position and angle, when better mixing effects of gas-liquid two-phase flow can be obtained. Results show that highest ammonia fullness and best mixing effect can be achieved in the duct, if the mass flow of ammonia is 0.056 kg/s, the upper nozzle is horizontally placed aty=2.4 m, and the lower nozzle is placed aty=1.6 m with a downward angle of 45° to the horizontal plane, in which case, the desulfurization efficiency can reach 60.13%, with a flue gas pressure drop of 42.3 Pa. The flue gas pressure drop obtained by numerical simulation agrees well with that of the experimental measurement.

CFB boiler; AFGD; ammonia process; flow field; numerical simulation

A學(xué)科分類號：470.30

2014-04-29

2014-06-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)基金資助項目(2009AA05Z310)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(B2014502056，F(xiàn)2012502068)

方立軍(1971-)，男，四川內(nèi)江人，副教授，博士，研究方向為：潔凈煤技術(shù)與大氣污染控制.電話(Tel.)：13933259068；

E-mail：fanglijun2009@163.com.

1674-7607(2015)03-0237-08

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