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，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、運行穩(wěn)定性差、運行成本高的問題。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)和運行成本低、占地面積小、動力消耗少等特點，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 ℃)，在低負荷時煙氣溫度進一步降低，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換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)運行影響小等優(yōu)點，在實現(xiàn)脫硫廢水零排放、滿足不同負荷下廢水高效蒸發(fā)要求的同時，提高了電廠運維的穩(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)境下進行，霧滴蒸發(fā)時間極短，采用實驗方法不僅成本高，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)果與實際不符，難以在工程應(yīng)用中發(fā)揮有效的補充和指導(dǎo)作用[14-16]。

因此，本研究以某350 MW機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、診斷和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 研究對象

某350 MW機組脫硫廢水旁路煙道改造項目旁路煙道結(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肱月窡煹乐校瑹煹莱隹谂c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(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，這是因為無導(dǎo)流措施條件下，煙道內(nèi)部煙氣存在渦流，湍流強度大，增大了氣液間的換熱效率，進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，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%，這是因為無導(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動直至碰壁?？梢?，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)的霧滴運動軌跡見圖6，其中流線匯聚點為噴嘴位置。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動。經(jīng)統(tǒng)計，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。這是因為隨著噴嘴布置層數(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行熱量交換。由此可見，為了保證工程順利穩(wěn)定運行，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，霧滴在煙道中行進的距離不斷縮短。經(jīng)統(tǒng)計，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。