鄭 郝,鄭成航,楊正大,李 響,翁衛(wèi)國,周 燦,高 翔

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基于煙道噴射蒸發(fā)的脫硫廢水處理數(shù)值模擬研究

鄭 郝,鄭成航,楊正大,李 響,翁衛(wèi)國,周 燦,高 翔*

(能源清潔利用國家重點實驗室,國家環(huán)境保護燃煤大氣污染控制工程技術中心,浙江大學,浙江 杭州 310027)

針對脫硫廢水在煙道內的噴射過程,通過計算流體動力學(CFD)進行數(shù)值模擬,研究了煙氣性質與操作參數(shù)對廢水蒸發(fā)過程的影響.結果表明:隨著煙氣溫度的升高,液滴蒸發(fā)時間逐漸降低,完全蒸干距離縮短;當煙氣流速增加,蒸發(fā)時間逐漸減小,但完全蒸干距離先減少后增加,流速為5m/s時,廢水液滴的完全蒸干距離最近;隨著液滴粒徑的增加,液滴的完全蒸發(fā)時間明顯變長,流場內相對低溫區(qū)域范圍擴大;當噴射速度由20m/s升高至60m/s過程中蒸發(fā)時間由約0.21s下降至0.16s,但隨煙氣流速增加,其減少蒸發(fā)時間的作用減弱.該模擬結果可以為廢水煙道噴射技術的相關工程應用提供優(yōu)化設計方案和運行指導.

脫硫廢水；煙道噴射；數(shù)值模擬；蒸發(fā)特性

石灰石-石膏濕法脫硫技術由于成熟度高、運行穩(wěn)定,是目前我國應用最廣的煙氣脫硫技術[1-2].為防止設備腐蝕和磨損,脫硫塔中需要定期補充工藝水同時排放脫硫廢水以控制脫硫漿液中氯離子濃度.脫硫廢水因懸浮物含量高、水質復雜[3-4]、含有重金屬[5]等導致其處理難度很大,傳統(tǒng)用于處理脫硫廢水的化學沉淀法難以脫硫廢水直接排放.濕法脫硫廢水減量化實現(xiàn)“零排放”是當下我國燃煤電站的重要工作之一,對實現(xiàn)水資源治理和生態(tài)環(huán)境的保護具有重要意義;開發(fā)高效的濕法脫硫廢水減量處理方法是實現(xiàn)燃煤電廠廢水零排放的關鍵.目前脫硫廢水實現(xiàn)零排放技術有電滲析濃縮技術[6-7]、膜過濾濃縮技術[8-11]、電解制氯氣技術[12-13]、蒸發(fā)塘技術[14-15]以及熱法蒸發(fā)濃縮結晶技術[16-19]等.其中脫硫廢水煙道噴射蒸發(fā)雖然相關研究尚處于起步階段,理論研究較少,但卻因其無液體排放,不會造成二次污染,建設與運行費用低,占用空間小,可以適應老舊電廠的改造,動力消耗低,不需額外的能量輸入等優(yōu)勢[20],被認為是一種極具潛力的脫硫廢水零排放技術.除此之外,脫硫廢水煙道噴射蒸發(fā)技術還有促進顆粒團聚,提高除塵效率等優(yōu)點.脫硫廢水中的氯,在煙道噴射后,部分氯以HCl的形式逃逸到氣相中剩下的部分會與煙道中顆粒結合或者形成可溶鹽,以固相形式在靜電除塵器中與顆粒一起被捕集下來,所以最終廢水中的氯會逐漸減少.例如,胡斌等[21-22]開展的廢水噴射后混合有團聚劑的脫硫廢水噴射蒸發(fā)對飛灰粒徑分布的試驗研究,結果表明廢水中加入團聚劑后,可使得顆粒在靜電除塵器中的脫除效率提高5%至15%.馬雙忱等[23]的研究表明脫硫廢水噴射會造成粉塵比電阻增大,但增長幅度在一個數(shù)量級以內,整體不會影響粉塵荷電和脫除性質.

目前噴射蒸發(fā)干燥技術在制藥、食品、金屬顆粒制備等多個領域有較為廣泛的應用[24]. Liang等[25]借助于熱重分析儀(TGA)等方式研究了某燃煤電廠石灰石石膏濕法脫硫廢水液滴的蒸發(fā)和結晶特性并研究了升溫速率、最終溫度對蒸發(fā)結晶特性的影響,結果表明當最終溫度為150℃時,升溫速率增加可以使蒸發(fā)時間縮短,峰值傳熱功率更大,但升溫速率在15~45℃范圍內時,最終的失重比例幾乎相等.張志榮等[20,26]針對火電廠濕法煙氣脫硫廢水噴霧蒸發(fā)技術,進行了液滴在低溫低速煙氣環(huán)境中的運動及受熱蒸發(fā)過程中的對流傳熱傳質理論分析,采用VOF兩相流模型對噴霧蒸發(fā)技術中液滴群蒸發(fā)特性及其影響因素等進行了詳細地分析研究.

目前,盡管脫硫廢水煙道噴射蒸發(fā)技術在工業(yè)、電廠中有一些應用,但對于其工程設計的關鍵參數(shù)仍需要進一步優(yōu)化,設計不好可能造成除塵效果降低,煙道結垢等一系列問題.因此本文利用氣液耦合對顆粒在煙氣中的蒸發(fā)和擴散現(xiàn)象建立模型,對廢水在煙氣中的蒸發(fā)和擴散現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬,以電廠煙道選取三維矩形煙道作為研究對象,模擬研究實際煙道情況下,煙氣溫度、流速、水汽含量等對于蒸發(fā)時間和完全蒸發(fā)距離的影響規(guī)律,分析霧化粒徑,廢水流量等對于溫度場分布的影響.為廢水煙道噴射技術的工程應用提供了優(yōu)化設計方案和運行指導.

1 脫硫廢水煙道噴射蒸發(fā)模型

1.1 模型描述

以簡化的燃煤電廠靜電除塵器入口前直煙道結構作為基礎;對氣液兩相流動進行模擬,氣相采用常物性.在CFD模擬煙道噴射蒸發(fā)模型中,煙氣流場視為連續(xù)相,由于顆粒相所占的體積濃度非常小,因此顆粒相的模擬采用DPM模型對液滴進行跟蹤.在脫硫廢水煙道數(shù)值模擬中做如下假設:

(1)煙道壁面假設為“絕熱壁面”,對流換熱僅僅發(fā)生在廢水液滴與煙氣之間;

(2)由于流道內氣流速度遠遠小于聲速,壓降較小,故將氣相視為不可壓縮流體;

(3)不考慮熱輻射效應;

(4)忽略煙氣中飛灰的影響;

(5)霧化廢水液滴視為球形;

(6)忽略液滴內的傳熱熱阻以及液滴之間的碰撞和分裂;

(7)忽略噴嘴的體積,假設為點源.

控制方程包括:

氣相連續(xù)性方程:

氣相動量方程:

氣相能量守恒方程:

物質輸運方程(包括氧氣、水蒸氣等):

式中:是時間;S是由于蒸發(fā)引起的質量源項.是氣體的質量密度,kg/m3;U是氣體的速度分量,m/s;是平均靜壓,Pa;是氣體的動力粘度,N·s/m2;f是氣動曳力,N;q為顆粒與連續(xù)相之間換熱;C為組分的濃度,D為水汽間擴散系數(shù).

湍流方程:

湍動能μ通過標準?模型計算得出,計算公式如下:

單個顆粒的運動方程通過牛頓運動定律獲得:顆粒軌跡通過拉格朗日體系下的顆粒軌跡運動,考慮了溫度、流體作用、能量等的相互作用.其運動方程為:分別代表液滴受到氣流曳力、重力、布朗力等力的作用.

顆粒的蒸發(fā)通過如下方式計算:

式中:ρ為液滴密度;為時間;N為水蒸汽的摩爾擴散速度,kmol/m2s;A為液滴的表面積;M為水的摩爾質量,kg/kmol;h為對流傳質系數(shù),m/s;C為液滴表面的水蒸氣摩爾濃度,kmol/m3;C為煙氣中水蒸氣摩爾濃度,kmol/m3.

顆粒的動量方程:

顆粒能量方程:

1.2 邊界條件與數(shù)值方法

依據(jù)電廠煙道選取三維矩形煙道,選取單一噴嘴,考慮到單一噴嘴的噴射覆蓋范圍選取的計算區(qū)域為模擬研究對象,模型尺寸如圖1所示,煙道截面寬1m,高度1m,長度為10m.連續(xù)相采用速度入口,出口為壓力回流出口,壁面為速度無滑移壁面.液滴通過噴射的形式注入煙道內,噴射位置在入口處煙道中心位置,噴射方向與煙氣流速方向相同.總網(wǎng)格數(shù)為640000,采用六面體結構性網(wǎng)格以保證模擬精度,網(wǎng)格質量大于0.9.除特殊聲明以研究相應影響因素的作用,各參數(shù)選取如表1所示.

圖1 模型幾何尺寸示意

表1 操作參數(shù)設定

表2 邊界條件

運用有限體積法對連續(xù)相控制方程進行離散,采用Runge-Kutta法對顆粒相進行計算.壓力與速度耦合采用SIMPLE算法,對流相采用二階迎風格式進行離散.液滴噴射通過injection方式模擬.

模擬過程中,首先不添加噴射源進行連續(xù)相的模擬,待殘差降低至10-6以下且穩(wěn)定;然后噴射液滴進入流場中進行氣體和液體之間的迭代,典型溫度場見圖2,典型速度場見圖3.蒸發(fā)時間通過最長停留時間表示.蒸發(fā)距離指液滴束完全蒸發(fā)時液滴束消失時最大的X值.

圖2 典型溫度場

圖3 典型速度場

2 結果與討論

液滴的蒸發(fā)是一種氣液相變過程,蒸發(fā)時間受到液滴粒徑、環(huán)境溫度、氣流速度、環(huán)境濕度以及溶液性質等條件的影響,因此本文研究了不同煙氣性質變量和操作因素導致的廢水液滴在煙道里的蒸發(fā)時間和距離.

2.1 煙氣性質對廢水蒸發(fā)過程影響

2.1.1 煙氣溫度的影響 設定噴射的廢水溫度為300K,噴射速度為20m/s,研究425~625K溫度范圍內,50μm噴射的液滴蒸發(fā)時間及完全蒸發(fā)距離的變化特性,模擬結果如圖4所示.

圖4 煙氣溫度對蒸發(fā)時間及距離的影響

噴霧粒徑:50μm,液滴溫度:300K,煙氣流速:10m/s,噴霧流量:10L/h,噴射角:30°,液滴速度:20m/s

由圖4可見,隨煙氣溫度升高,液滴完全蒸發(fā)時間逐漸降低,煙氣的溫度由150℃上升至350℃, 50μm的液滴的完全蒸發(fā)時間由0.2s下降至0.07s,液滴完全蒸發(fā)距離逐漸縮短.隨煙氣溫度升高,液滴與煙氣間溫差增大,使得換熱熱流密度變大,同時可以縮短液滴溫度由初始溫度升高至沸騰溫度的時間,即升溫時間和恒溫蒸發(fā)時間均有所縮短,完全蒸干時所需的距離與完全蒸發(fā)時間正相關,溫度為150℃及350℃時,對50μm的液滴的完全蒸干的距離分別為2.1m及0.9m.

2.1.2 煙氣流速的影響 將煙氣溫度設為423K,將廢水噴射速度設為20m/s時,研究煙氣流速對蒸發(fā)時間及距離的影響,模擬結果如圖5.

圖5 煙氣流速對蒸發(fā)時間及距離的影響

噴霧粒徑:50μm,煙氣溫度:423K,液滴溫度:300K,噴霧流量:10L/h,噴射角:30°,液滴速度:20m/s

如圖5,隨著煙氣流速的增加,蒸發(fā)時間逐漸縮短,隨著煙氣流速由3m/s上升至12m/s,蒸發(fā)時間由0.56s下降至0.18s,縮短了68%,這是由于較快的流速會使得液滴表面的對流傳質傳熱過程變得更加劇烈,加快了液滴的傳質速率.隨著流速增加,蒸發(fā)時間縮短的幅度逐漸變小,但隨著氣流速度增加,完全蒸發(fā)距離先逐漸減少達到最短后隨后逐漸上升,流速為5m/s時,液滴的完全蒸干距離噴射點的位置最近,這是由于隨著流速增加,雖然蒸發(fā)時間逐漸縮短,但液滴受到的氣流的曳力增大,液滴速度更高,其在一定時間內的運動的距離變大,綜上,綜合兩種因素,如圖6,液滴的蒸發(fā)距離在流速為5m/s時最短,實際煙氣中,煙氣的完全蒸發(fā)時間隨流速增加逐漸減少,但完全蒸發(fā)所需的距離不是隨煙氣流速增加而單調變化.

圖6 不同氣流速度條件下液滴軌跡

噴霧粒徑:50μm,煙氣溫度:423K,液滴溫度:300K,噴霧流量:10L/h,噴射角:30°,液滴速度:20m/s

2.1.3 煙氣中水蒸氣含量的影響 實際煙氣中,水氣占有相當一部分比例.煙氣中水的存在對蒸發(fā)過程的影響不可忽視,本文研究了在423K溫度下,不同水蒸氣含量對蒸發(fā)時間及距離的影響,模擬結果如圖7.

圖7 水蒸氣含量對蒸發(fā)時間的影響

噴霧粒徑:50μm,煙氣溫度:423K,液滴溫度:300K,噴霧流量:10L/h,噴射角:30°,液滴速度:20m/s

由圖7可見,隨煙氣中水蒸氣的比例逐漸上升,蒸發(fā)時間逐漸增長,當水蒸氣含量由5%上升至25%,液滴完全蒸發(fā)時間由約0.21s上升至0.25s,其完全蒸發(fā)距離上升比例與蒸發(fā)時間增加比例接近.這是由于煙氣中水蒸氣比例升高,液滴與煙氣之間的水蒸氣分壓差逐漸減少,導致擴散速率下降,蒸發(fā)時間延長,從而完全蒸發(fā)的距離增長.

2.2 操作參數(shù)對廢水蒸發(fā)的影響

廢水溶液通過噴嘴霧化為小液滴以一定速度噴射進入煙氣之中,通過選擇不同的噴嘴類型、調節(jié)氣液質量比、液體流量、設置廢水加熱裝置等手段可以實現(xiàn)對液滴粒徑、液滴初始速度、廢水流量、溫度以及噴射角的調節(jié),達到對蒸發(fā)時間和距離的調整,該部分研究了這些因素對蒸發(fā)時間和蒸干距離的影響規(guī)律.

2.2.1 霧化液滴粒徑的影響 如圖8,隨著液滴粒徑的增加,液滴的完全蒸發(fā)時間明顯變長,且隨著粒徑的增大,粒徑增大對蒸發(fā)時間增長的作用變得更加顯著,液滴粒徑為15μm時,蒸發(fā)時間約為0.06s,完全蒸發(fā)距離為0.8m,當液滴粒徑為100μm時,完全蒸發(fā)時間增長至0.55s,完全蒸發(fā)距離為5.7m.粒徑越大,液滴完全蒸發(fā)完成的所需要的距離越長,且變化趨勢與蒸發(fā)時間的變化基本相同.

圖8 粒徑對蒸發(fā)時間及距離的影響

煙氣溫度:423K,液滴溫度:300K,煙氣流速:10m/s,噴霧流量:10L/h,噴射角:30°,液滴速度:20m/s

如圖9所示,粒徑的增長也會導致煙道內溫度場分布的逐漸變化,液滴平均粒徑越小噴霧附近區(qū)域所達到的最低溫度越低,低溫區(qū)范圍有所擴大,但由于蒸發(fā)時間較短,煙氣再次摻混均勻所需的時間越短.

2.2.2 廢水流量的影響 如圖10,廢水噴射量的增加會導致蒸發(fā)時間的增長,這是由于隨著蒸發(fā)量的增加,局部溫度降低較多,煙氣與液滴間的溫差縮小,同時水蒸氣分壓的增加會成為廢水進一步蒸發(fā)的阻礙.蒸發(fā)距離的變化趨勢與蒸發(fā)時間相同.

如圖11所示,隨著噴射量的增加,模擬煙道的出口煙氣溫度和流場內達到的最低溫度均有所降低,但溫度最低點的溫差值遠遠大于各組工況出口溫度間的差異;與圖10不同,雖然完全蒸發(fā)時間的位置具有一定的差異,但各組工況時的最低溫度點均在距離噴射點約1m的位置上.綜上,噴射量的增加會導致更長的蒸發(fā)時間和蒸干距離,噴射點附近區(qū)域溫降更大.

圖10 溶液噴射量對蒸發(fā)時間及距離的影響

噴霧粒徑:50μm,液滴溫度:300K,煙氣流速:10m/s,噴射角:30°,液滴速度:20m/s

圖11 噴霧流量對中軸線溫度分布的影響

2.2.3 廢水溫度的影響 如圖12,隨著廢水溫度由5℃上升至50℃,蒸發(fā)時間下降約5%,廢水的初始溫度越高,液滴的升溫蒸發(fā)階段所需要的時間越短,完全蒸發(fā)距離也相應的減少.同上述幾種因素相比,廢水溫度的影響相對較小,該因素主要影響噴射之后液滴升溫階段的速度,而由于液滴粒徑比較小在煙氣中升溫速度較小,該時間在總蒸發(fā)時間總所占的比例比較小,因而對總蒸發(fā)時間的影響比較小.但在實際工業(yè)應用過程中,由于溶液溫度可以影響液滴的表面張力,從而對噴嘴的霧化效果具有一定影響,有助于得到更小的霧滴粒徑,從而影響總蒸發(fā)時間.

2.2.4 噴射速度的影響 如圖13,隨著噴射速度增加,蒸發(fā)時間和蒸發(fā)距離均明顯下降,當噴射速度由20m/s升高至60m/s過程中蒸發(fā)時間由約0.21s下降至0.16s.廢水的噴射速度主要受到氣液質量比和霧化氣及液體壓力的影響,通常較高氣液質量比和較大的工作壓力也對應著更小的液滴粒徑.噴射速度增加導致氣液界面的湍動更加劇烈,從而促進液滴的對流傳質速度,較大的初始速度也有可能會產生更遠的完全蒸發(fā)距離.

圖12 廢水溫度對蒸發(fā)時間及距離的影響

噴霧粒徑:50μm,煙氣流速:10m/s,噴霧流量:10L/h,噴射角:30°,液滴速度:20m/s

圖13 噴射速度對蒸發(fā)時間及距離的影響

噴霧粒徑:50μm,液滴溫度:300K,煙氣流速:10m/s,噴霧流量:10L/h,噴射角:30°

2.2.5 噴射角度的影響 如圖14所示,15~60°范圍內,隨著噴射角的逐漸增大,蒸發(fā)時間和蒸發(fā)距離縮短,當霧化角由15°變化至60°時,完全蒸發(fā)時間縮短約10%.噴射角繼續(xù)增大至75°時,蒸發(fā)時間和完全蒸發(fā)距離均略有上升,實際應用時,建議選取噴射角在30~60℃之間.噴霧的噴射角與噴嘴的結構參數(shù)有關,當廢水流量一定時,噴射角越大,相對應的初始霧滴密度越低,液滴無粘附在側壁危險時,選取噴嘴的噴射角為60°可以使得蒸發(fā)時間最短.

圖14 噴射角對蒸發(fā)時間及距離的影響

噴霧粒徑:50μm,液滴溫度:300K,煙氣流速:10m/s,噴霧流量:10L/h,液滴速度:20m/s

3 結論

運用氣液耦合連續(xù)相與離散相的方法對脫硫廢水霧化液滴在煙氣中的蒸發(fā)和擴散現(xiàn)象進行了模擬,研究了煙氣溫度、流速、水汽含量等對于蒸發(fā)時間和蒸發(fā)距離的作用規(guī)律,分析了粒徑、廢水流量等對于溫度場分布的影響.通過數(shù)值模擬計算得到了以下結論:

3.1 隨著煙氣溫度的升高,液滴與煙氣間溫差增大,升溫時間和恒溫蒸發(fā)時間均有所縮短,液滴完全蒸發(fā)時間逐漸降低,完全蒸干距離縮短;隨著煙氣流速的增加,液滴與煙氣界面湍動加劇,對流換熱增強,蒸發(fā)時間逐漸縮短,完全蒸發(fā)距離先逐漸減少達到最短后隨后逐漸上升,由蒸發(fā)時間縮短和液滴運動速度增快的共同作用,流速為5m/s時,液滴的完全蒸干距離最近;隨煙氣中水蒸氣的比例逐漸上升,蒸發(fā)時間及蒸干距離逐漸增長.

3.2 隨著液滴粒徑的增加,液滴的完全蒸發(fā)時間明顯變長,且隨著粒徑的增大,流場內相對低溫區(qū)域范圍擴大;廢水噴射量的增加會導致蒸發(fā)時間的增長,隨著蒸發(fā)量的增加,局部溫度降低更多,煙氣與液滴間的溫差縮小;隨著廢水溫度由5℃上升至50℃,縮短了液滴升溫所需要的時間,總蒸發(fā)時間下降約5%,對蒸干時間及距離影響較小;隨著噴射速度增加,蒸發(fā)時間和蒸發(fā)距離均明顯下降,當噴射速度由20m/s升高至60m/s過程中蒸發(fā)時間由約0.21s下降至0.16s,但隨流速增加,其減少蒸發(fā)時間的作用減弱.

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ZHENG Hao, ZHENG Cheng-hang, YANG Zheng-da, LI Xiang, WENG Wei-guo, ZHOU Can, GAO Xiang*

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, National Environmental Protection Coal-fired Air Pollution Control Engineering Technology Center, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)., 2018,38(12)：4476~4483

In this paper, the effect of flue gas properties and operating parameters on the evaporation process of wastewater was studied by using Computational Fluid Dynamics (CFD). The results showed that with the increase of the temperature of the flue gas, the evaporation time of the droplets gradually decreased, and the complete evaporation distance decreased.When the flow rate of flue gas increased, the evaporation time gradually decreased, but the total evaporation distance decreased first and then increased. At the flow rate of 5m/s, wastewater droplets got to the shortest evaporation distance. With the increase of the droplet size, the complete evaporation time of the droplet became significantly longer, and the range of the relatively low temperature region within the flow field was enlarged; When the evaporation time increased from about 0.21s to 0.16s when the injection speed increased from 20m/s to 60m/s, but with the increase of flow rate, the effect of reducing evaporation time was weakened;. The simulation results can provide optimized design solutions and operational guidance for the related engineering applications of spray evaporation of desulfurization wastewater in flue duct.

desulphurization wastewater；spray in flue；numerical simulation；evaporation characteristics

X51

A

1000-6923(2018)12-4476-08

鄭 郝(1994-),男,遼寧大連人,浙江大學能源工程學院碩士研究生,研究方向為燃煤電廠污染物控制.

2018-05-04

國家重點研發(fā)計劃項目課題(2017YFB0603201),國家自然科學基金(U1609212,51621005)

* 責任作者, 教授, xgao1@zju.edu.cn