李恒凡，焦世權(quán)，韓中合

(華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引 言

石灰石-石膏濕法脫硫工藝因其脫硫效率高在燃煤電廠中應(yīng)用廣泛[1-3]，但該工藝會(huì)定期產(chǎn)生一定量脫硫廢水，脫硫廢水水質(zhì)特殊且水體污染性大[4-5]，傳統(tǒng)的水質(zhì)處理技術(shù)，如化學(xué)沉淀法和水力除灰等，存在裝置復(fù)雜、氯離子脫除效率低、成本高等缺點(diǎn)。脫硫廢水煙道蒸發(fā)技術(shù)是將脫硫廢水噴入空氣預(yù)熱器與電除塵器之間的尾部煙道內(nèi)，利用高溫?zé)煔鈱?duì)廢水進(jìn)行蒸發(fā)處理，廢水蒸發(fā)為水蒸氣，而廢水中的細(xì)小顆粒隨飛灰被電除塵器捕捉，從而實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放，且該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)成本低，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值[6-10]，在部分電廠推廣應(yīng)用[11]。

脫硫廢水必須在尾部煙道一定距離內(nèi)完全蒸發(fā)，避免對(duì)下游管道和設(shè)備腐蝕，國(guó)內(nèi)外已對(duì)該技術(shù)工藝進(jìn)行了大量數(shù)值研究[12-17]。鄭郝等[13]利用數(shù)值計(jì)算方法研究了煙氣性質(zhì)與操作參數(shù)對(duì)單噴射點(diǎn)液滴在水平直煙道內(nèi)蒸發(fā)過(guò)程的影響；張子敬等[14]分析了液滴由多噴嘴噴入真實(shí)鍋爐煙道中液滴群的蒸發(fā)規(guī)律及運(yùn)動(dòng)特征；陳鴻偉等[15]計(jì)算了液滴由單噴嘴噴入真實(shí)煙道中的蒸發(fā)規(guī)律，分析了運(yùn)行參數(shù)對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響；吳帥帥等[16]模擬了液滴由6個(gè)噴嘴噴入某鍋爐煙道內(nèi)的蒸發(fā)過(guò)程，得到了煙氣和液滴性質(zhì)對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響。

目前，針對(duì)單個(gè)或多個(gè)噴嘴噴射的少量脫硫廢水在煙道內(nèi)的蒸發(fā)特性研究較多，而針對(duì)機(jī)組實(shí)際產(chǎn)生的大量脫硫廢水噴入煙道內(nèi)的蒸發(fā)運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究較少，為指導(dǎo)脫硫廢水煙道蒸發(fā)技術(shù)在工程實(shí)際的應(yīng)用，首先建立了脫硫廢水噴霧蒸發(fā)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，使用數(shù)值模擬軟件Ansys Fluent，確定噴嘴與壁面之間的安全距離，然后模擬計(jì)算了將大量廢水由不同布置方式的噴嘴組噴入某300 MW鍋爐尾部煙道時(shí)脫硫廢水液滴的蒸發(fā)特性，并分析煙氣和液滴性質(zhì)對(duì)脫硫廢水蒸發(fā)過(guò)程的影響，從而為噴嘴組的布置優(yōu)化提供參考。

1 脫硫廢水霧化蒸發(fā)數(shù)值模擬

為了簡(jiǎn)化相關(guān)模型和計(jì)算，對(duì)廢水液滴在煙道中的蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行以下假設(shè)[18]：

1)由于空預(yù)器出口處煙氣速度較低，將進(jìn)入尾部煙道的煙氣視為不可壓縮性流體。

2)經(jīng)噴嘴霧化噴出后的液滴粒徑為等徑球形且內(nèi)部溫度均勻。

3)煙道壁面為絕熱壁面，忽略煙道壁面與液滴的熱輻射作用。

4)由于煙氣中粉塵質(zhì)量占比較小，默認(rèn)粉塵對(duì)廢水液滴蒸發(fā)無(wú)影響。

5)噴嘴所占的空間體積較小，忽略煙道中的噴嘴機(jī)構(gòu)對(duì)尾部煙道煙氣流場(chǎng)的影響。

6)假設(shè)液滴之間的碰撞為彈性碰撞，忽略液滴之間的碰撞影響。

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 煙氣場(chǎng)的基本控制方程

尾部煙道中的煙氣流動(dòng)時(shí)必須遵守質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒，其通用形式[19-20]如下：

(1)

式中，ρg為煙氣密度，kg/m3；φ為通用變量，分別表示相應(yīng)控制方程中的速度分量、溫度、湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率；t為時(shí)間，s；ui為速度矢量，m/s；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為氣液兩相流場(chǎng)中霧化液滴對(duì)煙氣流場(chǎng)的作用力源項(xiàng)。

1.1.2 霧化液滴動(dòng)量方程

脫硫廢水霧化液滴在煙道中主要受重力和曳力的作用，液滴顆粒的動(dòng)量方程為

(2)

式中，up為霧化液滴速度，m/s；FD為曳力系數(shù)；ug為煙氣流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρp為廢水液滴密度，kg/m3。

1.1.3 霧化液滴傳熱傳質(zhì)方程

霧化液滴與煙氣傳熱傳質(zhì)分為以下3個(gè)階段：

1)噴嘴霧化后的初始廢水液滴溫度較低，小于煙氣溫度，此時(shí)液滴與煙氣發(fā)生對(duì)流傳熱，當(dāng)忽略液滴與煙氣及煙道內(nèi)壁之間的輻射換熱時(shí)，霧化液滴的熱平衡方程為

(3)

式中，mp為霧化廢水液滴的質(zhì)量，kg；cp為霧化液滴定壓比熱容，J/(kg·K)；Tp、Tg為霧化液滴和煙氣的溫度，K；h為廢水液滴與煙氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ap為廢水液滴與煙氣的換熱接觸面積，m2。

對(duì)流換熱系數(shù)h為

(4)

式中，Nu、Re和Pr分別為為煙氣的努塞爾數(shù)、雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)；dp為廢水液滴直徑，m；kg為煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2)霧化液滴吸收煙氣熱量用于自身蒸發(fā)段，此時(shí)達(dá)到液滴蒸發(fā)溫度但仍小于液滴沸騰溫度，此過(guò)程方程為

(5)

式中，hfg為霧化液滴汽化潛熱，J/kg。

隨液滴不斷吸熱，在高于蒸發(fā)溫度的蒸發(fā)過(guò)程中，蒸汽的濃度梯度為液滴蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)力，此過(guò)程方程為

Ni=ki(Ci,s-Ci,g)，

(6)

(7)

式中，Ni為蒸汽流率，mol/(m2·s)；ki為傳質(zhì)系數(shù)，m/s；Ci,s為液滴表面的水蒸氣濃度，mol/m3；Ci,g為煙氣中水蒸氣濃度，mol/m3；Psat(Tp)為飽和蒸汽壓，Pa；R為普適氣體常數(shù),取8.31 J/(mol·K)。

3)當(dāng)液滴溫度達(dá)到沸騰溫度時(shí)，此溫度下的傳熱傳質(zhì)方程為

(8)

式中，cp,g為煙氣定壓比熱容，J/(kg·K),Red為液滴雷諾數(shù)。

1.2 物理模型和邊界條件

選取某300 MW鍋爐空預(yù)器至除塵器之間的尾部煙道為研究對(duì)象，其計(jì)算區(qū)域如圖1所示。煙道長(zhǎng)度為15.0 m，煙道橫截面為6.6 m×6.6 m的正方形，脫硫廢水霧化液滴通過(guò)多個(gè)噴嘴噴入煙道，噴嘴布置在水平煙道入口0.5 m截面處，霧化噴射方向水平向前。煙氣入口采用速度入口，出口為壓力出口，其他壁面采用無(wú)速度滑移的絕熱壁面，脫硫廢水液滴采用離散型(DPM)模型進(jìn)行計(jì)算，廢水蒸發(fā)簡(jiǎn)化為水滴蒸發(fā)，即離散相選擇水分液滴[14,16]。采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為98.5萬(wàn)個(gè)。除特殊聲明以研究相應(yīng)影響因素的作用外，各參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 操作參數(shù)設(shè)定Table 1 Operational parameter settings

圖1 脫硫廢水尾部煙道噴霧模型Fig.1 Desulphurization waste water spraying model of tail flue

對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，選取3種網(wǎng)格密度，當(dāng)單個(gè)噴嘴流量為0.005 kg/s，采用設(shè)定操作參數(shù)計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Grid independence verification results

由表2可知，網(wǎng)格數(shù)量98.5 萬(wàn)個(gè)與121.6萬(wàn)個(gè)相比，煙道出口煙氣速度、溫度、蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離之間差值很小，而網(wǎng)格數(shù)量為78.8萬(wàn)個(gè)時(shí)，與98.5萬(wàn)個(gè)相差較多，計(jì)算精度較差，考慮相關(guān)的計(jì)算資源和時(shí)間，故計(jì)算時(shí)采用網(wǎng)格數(shù)量為98.5萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

2 噴嘴與壁面的安全距離

為避免脫硫廢水液滴在噴射和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與壁面發(fā)生碰撞，引起煙道壁面腐蝕結(jié)垢，因此在鍋爐尾部煙道中安裝的噴嘴與壁面之間必須預(yù)留一定間距，即安全距離。噴嘴與鍋爐尾部煙道壁面之間的安裝間距如圖2所示，其中A、B、C分別表示噴嘴與下、上壁面和右壁面之間的距離，m。從小到大設(shè)置噴嘴到壁面的距離，計(jì)算不同煙氣溫度、速度和液滴粒徑下，所有液滴顆粒不碰壁的最小距離，即為相應(yīng)的安全距離A、B、C。

圖2 噴嘴與煙道壁面的安裝間距示意Fig.2 Diagram of distance between nozzle and flue wall

2.1 煙氣溫度的影響

計(jì)算煙氣溫度在120～160 ℃、不同脫硫廢水噴射流量時(shí)，安全距離A、B、C，其中安全距離A和C隨煙氣溫度的變化分別如圖3和表3所示。

圖3 不同溫度下的安全距離AFig.3 Safe distance A at different temperatures

表3 不同溫度下的安全距離CTable 3 Safe distance C at different temperatures

噴嘴質(zhì)量流量相同時(shí)，隨煙氣溫度上升，安全距離呈下降趨勢(shì)；且噴嘴質(zhì)量流量越小，安全距離越小。在重力作用下，液滴在煙道中的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)向下稍微偏移，使安全距離A大于安全距離B，溫度和流量對(duì)A的影響較為明顯，在設(shè)置的流量和溫度范圍內(nèi)，A在0.20～0.50 m變化，當(dāng)B≥0.15 m后，能防止液滴貼壁；C受液滴流量和煙氣溫度的共同影響，當(dāng)流量小于0.01 kg/s時(shí)，安全距離C>0.15 m可滿足要求，當(dāng)流量為0.015 0 kg/s，煙氣溫度為120 ℃時(shí)，C達(dá)到最大值0.20 m。

2.2 煙氣流速的影響

計(jì)算煙氣流速在6～14 m/s、不同脫硫廢水噴射流量情況下，安全距離A、B、C，其中安全距離A和C隨煙氣流速的變化情況分別如圖4和表4所示。

圖4 不同流速下的安全距離AFig.4 Safe distance A at different flow rates

表4 不同流速下的安全距離CTable 4 Safe distance C at different flow rates

隨煙氣速度的升高，安全距離逐漸下降；且噴射流量越小，安全距離越低。煙氣流速對(duì)安全距離A的影響較為明顯，在計(jì)算流速范圍內(nèi)，A在0.20～0.50 m 變化，當(dāng)B≥0.15 m后，能防止液滴貼壁；安全距離C受液滴流量和煙氣流速的共同影響，當(dāng)流量小于0.007 5 kg/s時(shí)，C>0.15 m可滿足要求，當(dāng)流量為0.015 0 kg/s，煙氣速度為6 m/s時(shí)，C達(dá)最大值0.25 m。

2.3 液滴粒徑的影響

計(jì)算當(dāng)液滴粒徑為20～140 μm時(shí)，不同脫硫廢水噴射流量情況下，安全距離A、B、C，其中安全距離A、B、C隨液滴粒徑的變化分別如圖5、表5和表6所示。

表5 不同粒徑下的安全距離BTable 5 Safe distance B at different droplet diameters

表6 不同粒徑下的安全距離CTable 6 Safe distance C at different droplet diameters

圖5 不同粒徑下的安全距離AFig.5 Safe distance A at different droplet diameters

隨液滴粒徑的增加，安全距離逐漸增大；且噴射流量越大，安全距離越大。液滴粒徑對(duì)安全距離A

的影響較明顯，在設(shè)置粒徑范圍內(nèi)，A在0.1～0.6 m變化，液滴粒徑為140 μm時(shí)，不同流量下的A均為0.6 m；液滴粒徑對(duì)安全距離B和C的影響相對(duì)較小，隨液滴粒徑增加，B和C均從0.1 m增至0.3 m，流量為0.015 0 kg/s，液滴粒徑為140 μm時(shí)，B和C均達(dá)最大值0.30 m。

2.4 安全距離的確定

由上述計(jì)算可知，當(dāng)煙氣溫度120 ℃、速度6 m/s且液滴粒徑140 μm時(shí)，需設(shè)置最大安全距離。計(jì)算此工況時(shí)，不同流量情況下各個(gè)安全距離A、B和C，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 最不利工況的各安全距離Table 7 Each safety distance at the most adverse operating conditions

3 脫硫廢水煙道蒸發(fā)工藝設(shè)計(jì)

3.1 噴嘴組布置形式

某300 MW機(jī)組待處理的脫硫廢水量為4 m3/h，溫度為323.15 K，根據(jù)表7中各安全距離，確定安全區(qū)域，在安全區(qū)域內(nèi)均勻布置多個(gè)噴嘴，噴嘴數(shù)量、布置方式和單噴嘴質(zhì)量流量見(jiàn)表8。

表8 噴嘴布置方式及單噴嘴質(zhì)量流量Table 8 Nozzle layout and flow rate of single nozzle

3.2 影響因素分析

計(jì)算不同煙氣流速、煙氣溫度和液滴粒徑時(shí)，不同噴嘴數(shù)量情況下，液滴的蒸發(fā)距離和時(shí)間。煙氣溫度對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響如圖6所示，可知同一噴嘴數(shù)量時(shí)，液滴的蒸發(fā)距離和蒸發(fā)時(shí)間正相關(guān)，隨煙氣溫度增加，氣液之間溫差增大，二者間換熱熱流密度增加，使蒸發(fā)時(shí)間降低、蒸發(fā)距離縮短且時(shí)間和距離降幅逐漸變小。對(duì)于156個(gè)噴嘴工況，煙氣溫度由120 ℃提高到140 ℃時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間由1.248 s縮至0.823 s，縮短了0.425 s，蒸發(fā)距離由12.65 m縮至8.39 m，減少了4.26 m；當(dāng)煙氣溫度由140 ℃提高到160 ℃時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間由0.823 s縮至0.623 s，僅縮短了0.2 s，蒸發(fā)距離由8.39 m縮至6.36 m，僅減少了2.03 m。

煙氣流速對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響如圖7所示，可知噴嘴數(shù)量相同時(shí)，煙氣流速的增加加劇了液滴表面的對(duì)流傳熱傳質(zhì)程度，使液滴蒸發(fā)速率加快，液滴蒸發(fā)時(shí)間下降，且降幅逐漸變小。121個(gè)噴嘴時(shí)，煙氣流速?gòu)? m/s增至10 m/s時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間由1.276 s降至0.914 s，下降了0.362 s；當(dāng)煙氣流速?gòu)?0 m/s增至14 m/s時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間由0.914 s降至0.741 s，下降了0.173 s。盡管液滴蒸發(fā)時(shí)間降低，但由于煙氣流速增加，液滴隨煙氣運(yùn)動(dòng)，在液滴蒸發(fā)時(shí)間和煙氣速度的共同作用下，隨煙氣流速增加，蒸發(fā)距離逐漸增大，僅當(dāng)噴嘴流量最小為0.005 kg/s時(shí)，蒸發(fā)距離隨煙氣流速的增加先減少后增大，當(dāng)煙氣流速為10 m/s時(shí)，達(dá)到最短蒸發(fā)距離6.42 m。對(duì)于121個(gè)噴嘴時(shí)，煙氣流速?gòu)? m/s增至14 m/s時(shí)，液滴蒸發(fā)距離由8.12 m增至10.39 m，增加了2.27 m。可見(jiàn)煙氣流速對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間有較大影響。

圖7 煙氣流速對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響Fig.7 Effect of flue gas flow rates on evaporation time and distance

液滴初始粒徑對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響如圖8所示，可知不同噴嘴狀況下，隨液滴粒徑增大，蒸發(fā)距離增大。這是因?yàn)橐旱瘟皆酱?，霧化液滴比表面積越小，使液滴與煙氣之間的換熱面積減小，單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量減少，從而降低了液滴的蒸發(fā)速度，延長(zhǎng)了蒸發(fā)時(shí)間，增加了蒸發(fā)距離，液滴粒徑較噴嘴數(shù)對(duì)蒸發(fā)時(shí)間和距離的影響較大。噴嘴數(shù)量相同時(shí)，液滴粒徑增加會(huì)增大液滴完全蒸發(fā)時(shí)間，且增幅越大，完全蒸發(fā)距離加速增加。噴嘴數(shù)量在156個(gè)時(shí)，當(dāng)液滴粒徑由20 μm增至80 μm時(shí)，完全蒸發(fā)時(shí)間增加了0.326 s，蒸發(fā)距離增加了3.31 m；當(dāng)液滴粒徑由80 μm增至140 μm時(shí)，完全蒸發(fā)時(shí)間增加了0.636 s，蒸發(fā)距離增大了6.40 m。

圖8 液滴初始粒徑對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響Fig.8 Effect of initial droplet sizes on evaporation time and distance

3.3 最大處理能力

鍋爐在變工況運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的脫硫廢水量發(fā)生變化，當(dāng)脫硫廢水流量增加后，計(jì)算不同噴嘴數(shù)量時(shí)液滴的蒸發(fā)時(shí)間和距離。當(dāng)煙氣溫度為140 ℃、煙氣流速為10 m/s、液滴粒徑為80 μm、總脫硫廢水量分別增加5%、10%、15%、20%和25%時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 流量增加對(duì)蒸發(fā)距離的影響Fig.9 Effect of increased flow on evaporation distance

當(dāng)脫硫廢水增加后，在計(jì)算過(guò)程中所有液滴均完全蒸發(fā)，未出現(xiàn)逃逸或貼壁的現(xiàn)象，且液滴的蒸發(fā)時(shí)間和距離逐漸增加?？偯摿驈U水量增加時(shí)，對(duì)于較多的噴嘴數(shù)量，單個(gè)噴嘴的流量及增值較小，蒸發(fā)距離始終較短，使得可處理的廢水量增幅更大，最大處理能力較強(qiáng)；而對(duì)于噴嘴數(shù)量較少的情況，因單個(gè)噴嘴流量及增值較大，蒸發(fā)距離較長(zhǎng)，相應(yīng)流量增加，可能導(dǎo)致蒸發(fā)距離增加過(guò)大，出現(xiàn)沾壁危險(xiǎn)工況，故相應(yīng)的流量增幅不能過(guò)大。

3.4 噴嘴布置建議

通過(guò)分析噴嘴布置形式、噴水量、煙氣溫度、煙氣速度和液滴粒徑對(duì)脫硫廢水液滴蒸發(fā)性能影響可知，這5種因素對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間和距離均有不同程度影響，進(jìn)而影響廢水煙道蒸發(fā)系統(tǒng)在實(shí)際機(jī)組中的應(yīng)用。針對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，隨噴嘴數(shù)量增加，降低單個(gè)噴嘴的噴水量可使蒸發(fā)時(shí)間和距離降低，提高脫硫廢水煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的最大可處理脫硫廢水流量，增強(qiáng)該系統(tǒng)的適應(yīng)性；但增加噴嘴數(shù)量會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性，使系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率增加，同時(shí)增加控制難度。因此針對(duì)某一具體機(jī)組，在充分考慮機(jī)組運(yùn)行情況的前提下，應(yīng)結(jié)合機(jī)組煙道實(shí)際情況，可能出現(xiàn)的脫硫廢水增加量，合理選擇噴嘴的布置形式。

4 結(jié) 論

1)噴嘴與壁面之間的安全距離隨噴射流量的增加而增大。噴射流量一定時(shí)，隨煙氣溫度升高、煙氣流速增加和液滴粒徑縮小，安全距離均有不同程度下降；考慮重力的影響，液滴在煙道中運(yùn)動(dòng)軌跡稍向下偏移，使安全距離A大于安全距離B，安全距離A受煙氣溫度、速度和液滴粒徑的影響較大，安全距離C次之，安全距離B受到的影響最小。

2)根據(jù)最不利工況，計(jì)算噴嘴與各壁面的安全距離，結(jié)合實(shí)際脫硫廢水的流量，確定了噴嘴組在煙道內(nèi)的布置區(qū)域、布置形式和單噴嘴噴射流量。

3)同一噴嘴數(shù)量時(shí)，隨煙氣溫度升高、流速增大、液滴粒徑縮小，液滴蒸發(fā)時(shí)間下降，蒸發(fā)距離縮短；隨噴嘴數(shù)量增加，單個(gè)噴嘴噴射流量降低，蒸發(fā)時(shí)間和距離均下降。

4)噴嘴數(shù)量越多，整個(gè)脫硫廢水處理系統(tǒng)可處理的脫硫廢水量提升幅度較大，但隨噴嘴數(shù)量的增加，安裝控制難度加大，需根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的噴嘴布置形式，合理設(shè)計(jì)廢水煙道蒸發(fā)系統(tǒng)。