李璐璐，姚 宣，張 縵，金 燕，楊海瑞

(1.太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原 030024；2.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084； 3.北京國電龍源環(huán)保工程有限公司，北京 100039)

0 引 言

我國大部分燃煤發(fā)電機組采用石灰石-石膏濕法脫硫，該工藝可使煙氣溫度降低至45～55 ℃。當低溫飽和濕煙氣直接經煙囪進入大氣環(huán)境，不僅會造成水資源和熱量的浪費，煙氣中水蒸氣還會遇冷凝結成微小液滴，從而造成煙囪腐蝕、“石膏雨”、“白煙”等現象。45～55 ℃時，每100 g煙氣攜帶水蒸氣4.9～8.7 g，脫硫濕煙氣直接排放造成了水資源和熱能的浪費。此外，煙氣中飽和水分會在煙氣中的粉塵或細小顆粒物表面凝結，使其粒度增大，煙氣排入大氣后，煙溫再次降低，進一步發(fā)生凝結現象，細顆粒物粒度進一步增大，在煙氣抬升高度低和擴散距離短情況下，粒度較大的石膏漿液液滴發(fā)生飄落，最終形成“石膏雨”[1-2]。研究表明，脫硫后煙氣中的液滴含量越少，煙囪出口煙塵含量越低[3-5]，因此減少脫硫系統(tǒng)出口含濕量是提高脫硫系統(tǒng)協(xié)同除塵能力的關鍵。濕法脫硫后的濕煙氣產生“白色煙羽”主要是由于脫硫過程中，脫硫漿液與高溫煙氣直接接觸，發(fā)生傳熱傳質。一方面水分蒸發(fā)，增加煙氣含濕量；另一方面，煙氣溫度降低，煙氣攜帶水蒸氣的能力降低。由于環(huán)境溫度比煙氣溫度低，飽和濕煙氣中的水分排出煙囪會凝結成小液滴形成“白色煙羽”[6-8]。有效脫除濕煙氣中的水蒸氣，一方面可以在冷凝過程中回收濕煙氣冷凝的凝結水和熱量，節(jié)水節(jié)能效果明顯；另一方面可以在一定程度上消除“石膏雨”和“白煙”現象，對于環(huán)保工作意義重大。因此，正確理解濕煙氣噴淋冷凝過程的傳熱、傳質及相變規(guī)律，對于提高噴淋冷凝效果，降低水資源浪費具有重要意義。

除試驗方法外，CFD數值模擬是研究氣液兩相冷凝的重要方法，對于實際工程應用有重要的指導作用[9-15]。江億等[16]討論了濕空氣處理過程中的傳熱、傳質和相變過程，基于一種新的熱學分析方法，分析了空氣等焓噴水加濕過程與沿飽和線加熱加濕或冷卻除濕過程的巨大差異。林瑜等[17]采用計算流體力學方法對大型脫硫塔內的噴淋層(共4層)組合方案進行數值模擬。趙喆等[18]對比了有噴淋和無噴淋2種情況下氣相湍流流場分布，發(fā)現引入噴淋后出口截面氣速明顯均勻化。鮑玲玲等[19]為了提高噴淋室的傳熱傳質效率，采用數值模擬方法對比研究了上噴式、下噴式2種立式噴淋室內水滴運動規(guī)律及氣液熱濕傳遞效果。前人研究大多為噴淋方向及噴淋層組合方式，但噴淋冷卻系統(tǒng)設計優(yōu)化還不完善，如因噴淋層布置高度、噴嘴角度設置不合理而達不到理想的冷卻效果；或因噴淋水流量和溫度不合適導致水資源和能量的浪費；或因霧化程度過低，導致液滴粒徑過大，造成氣液接觸面積小。

本文對濕法脫硫后煙氣的冷凝過程進行數值模擬研究，采用雙層噴淋布置，為增加氣液接觸時間在煙氣入口上方布置填料，從冷凝室裝置結構以及氣液兩相參數等方面進行了數值模擬和性能分析。研究噴淋層不同間距、噴嘴角度、液滴直徑、液氣比、液滴溫度、煙氣流速對于冷凝效果的影響，從而確定脫硫濕煙氣冷凝優(yōu)化條件，以期為工程實踐提供參考，進而達到節(jié)水節(jié)能、消白、除塵一體化的目的。

1 冷凝室物理模型建立及網格劃分

與本模擬研究對應的中試試驗臺參數及運行工況見表1。采用2層噴淋設計，煙氣由冷凝室底部進入，噴淋水經噴嘴自上而下與煙氣逆流接觸對其進行冷卻。在冷凝室中間部分布置有填料，延長煙氣與水接觸時間，增強換熱效果。

表1 試驗參數Table 1 Experimental Parameters

根據煙氣在冷凝室內的流動情況，將冷凝室內有關部件及氣液兩相作如下簡化：① 只研究煙氣與噴淋水接觸部分的傳熱傳質，故在3.2 m高度范圍內建模；② 忽略噴嘴小阻件對流場的影響；③ 忽略漿池部分以及煙氣流經漿池液面時產生的擴容流動，漿液池視為靜止液面，此部分空間不納入計算區(qū)域；④ 將填料部分簡化為多孔介質模型。

簡化后的模型如圖1所示，采用雙層噴淋布置，頂層噴淋距煙氣入口截面3.2 m，底層噴淋距煙氣入口截面2.2 m。填料層高度為0.6 m，布置在煙氣入口截面上方0.4 m處。采用ICEM軟件對模型進行網格劃分。因本次模擬的是流經冷凝室內部的煙氣與噴淋液滴的氣液兩相流動，計算域選定為漿池上方煙氣所流經的通道。整個模型均采用了六面體網格，各模型網格數約70萬。

圖1 冷凝室簡化模型Fig.1 Simplified model of condensation chamber

2 數學模型的建立及模型驗證

根據本文的研究內容和著重點，對煙氣和液滴的兩相流進行如下簡化：① 進入冷凝室的氣體是飽和濕煙氣；② 假設液滴為球形，不考慮液滴的碰撞、破碎及融合，不考慮液滴夾帶；③ 將煙氣視為不可壓縮黏性流體，忽略其溫度變化對密度的影響；④ 假定冷凝室絕熱，煙氣與噴淋液滴進行對流換熱。

2.1 數學模型的建立

采用三維穩(wěn)態(tài)的SIMPLE算法進行計算，應用k-ε雙方程模型描述氣相湍流模型，氣液兩相流模擬采用歐拉-拉格朗日方法，即在歐拉系下處理連續(xù)相(氣相)，在拉格朗日系下處理離散相(液滴)。兩相間的耦合作用，通過在歐拉氣相場中的源項加以考慮。

煙氣連續(xù)相湍流模型。本文將煙氣視為連續(xù)、定常、不可壓縮流體，使用標準k-ε模型，湍流黏性系數為

μt=ρCμk2/ε

(1)

式中，μt為湍流黏度系數，kg/(m·s)；ρ為氣體密度，kg/m3；Cμ為常數；k為湍流脈動動能；ε為耗散率，其方程分別為

(2)

(3)

其中，ui為速度矢量u在直角坐標系i方向上的分量；xi、xj為位移坐標；μ為湍流黏度系數，kg/(m·s)；Gk為由層流速度梯度而引起的湍流動能，kJ；Gb為浮力產生的湍流動能，kJ；YM為可壓縮湍流中擴散產生的波動，kJ；C1ε、C2ε、C3ε均為常量；σk、σε為方程中的湍流Prandtl數；Sk、Sε由用戶自定義。方程中經驗系數取值為：C1ε= 1.44，C2ε= 1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε= 1.3。

液滴離散相模型。對拉氏坐標系下的顆粒作用力微分方程進行積分即可獲得離散相顆粒的軌道。本文的模擬忽略次要作用力，故顆粒的作用力平衡方程在笛卡兒坐標系下的形式為

(4)

其中，up為顆粒速度，m/s；u為連續(xù)相速度，m/s；gx為外力對液滴顆粒的加速度，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；fx為附加加速度項(單位顆粒質量的力)，m/s2；fD(u-up)為單位顆粒質量受到的阻力。等號右邊第2項為單位顆粒質量的重力與浮力的合力。

氣液傳熱傳質模型。由熱量傳遞方程可見氣液間傳熱量由煙氣與液滴表面的對流傳熱和煙氣中水蒸氣冷凝潛熱共同決定。

(5)

式中，mp為液滴質量，kg；Cp為離散相比熱，J/(kg·K)；Tp為離散相溫度，K；h為對流換熱系數，W/(m2·K)；Ap為液滴表面積，m2；T∞為遠離液滴的煙氣溫度，K；hfg為汽化潛熱，J/kg。

質量傳遞方程表示梯度擴散決定連續(xù)相中水蒸汽的冷凝量，即從氣相向離散相液滴的擴散率與氣流與液滴之間的蒸汽濃度梯度相關聯。

(6)

式中，D為水蒸氣擴散系數，m2/s；dp為液滴直徑，m；M為水蒸氣摩爾質量，kg/mol；R為通用氣體常數，kJ/(kmol·K)；P∞為遠離液滴的水蒸氣分壓，Pa；T∞為遠離液滴的混合氣體溫度，K；Ps(Tp)為液滴表面水蒸氣分壓，Pa；Re為雷諾數；Sc為施密特數。

氣相與顆粒之間的耦合模型，本文采用的是雙向耦合模型。離散相與連續(xù)相的雙向耦合是通過求解連續(xù)相控制方程和離散相運動方程來實現，直到兩相不再隨著迭代的進行而變化為止。

2.2 初始條件及邊界條件

冷凝室底部為速度入口，頂部為壓力出口，壁面采用標準無滑移壁面，液滴在壁面處設置為Reflect。濕煙氣由底部進入，入口濕煙氣溫度為323 K，入口速度為3 m/s。本模擬共設有2層噴淋，每層布置19個噴嘴，噴淋水由噴嘴進入冷凝室，噴淋水速度為21 m/s，溫度為303 K，每個噴嘴質量流量為0.11 kg/s，噴霧粒徑分布采用Rosin-Rammler方式，文中粒徑均用平均粒徑表示，此時液氣比為2 L/Nm3。為延長氣液接觸時間，達到更好換熱效果，在距離煙氣入口0.4 m處布置填料層進行換熱，填料采用多孔介質進行建模。

2.3 模型驗證

為不浪費計算資源又滿足計算結果的準確性，先后進行了30萬、50萬、70萬、90萬網格數的網格無關性驗證。多次模擬結果顯示，70萬網格符合計算精度。改變液氣比對模擬和試驗結果的影響如圖2所示。

圖2 模型驗證Fig.2 Model validation

在5次改變液氣比中，試驗均重復3次，并采用多個測點，故試驗值為多次試驗的平均值。模擬值與試驗值最大絕對誤差為4.29 K，最大相對誤差為9%；模擬值與試驗值最小絕對誤差為2.73 K，最大相對誤差為3.61 %。兩者總體相差不大，故認為建模合理。

3 模擬結果與分析

經濕法脫硫后，大量水蒸氣蒸發(fā)，故煙氣中水蒸氣含量迅速增加。本文研究對象是脫硫飽和濕煙氣，對不同噴淋層間距、噴嘴角度、液滴直徑、液氣比、液滴溫度、煙氣流速條件下出口煙氣溫度進行研究。

3.1 冷凝室結構對出口煙氣溫度的影響

3.1.1噴淋層間距

不同噴淋層間距下出口煙氣溫度如圖3所示，不同噴淋層間距下煙氣流線如圖4所示?？芍谄渌\行參數不變的情況下，底層噴淋的布置存在最佳高度。當底層噴淋布置在距離煙氣入口2.2 m、噴淋層間距為1 m時，出口煙氣溫度最低，冷凝效果最好。噴淋間距較大時，煙氣與下部噴淋水接觸時間過短，氣液兩相換熱難度增加；噴淋間距較小時，噴淋液滴過早聚集，對煙氣造成強烈撞擊，形成渦流和回流區(qū)，造成煙氣流場不均和部分能量損失。由此可見，噴淋層間距對于流場均勻性和換熱有重要影響。尋找合適的間距，不需額外過多耗費資金，可達到相對較好的冷凝效果，是一種切實可行的提高氣液之間傳熱傳質的方法，以600 MW機組為例，出口煙氣溫度降低1 ℃，每小時可回收至少0.34 t水資源。

圖3 不同噴淋層間距下出口煙氣溫度Fig.3 Outlet flue gas temperature under different spray layer spacing

圖4 不同噴淋層間距下煙氣流線Fig.4 Flue gas streamline under different spacing of spray layers

圖5 不同噴嘴角度下出口煙氣溫度Fig.5 Outlet flue gas temperature under different nozzle angles

圖6 不同噴嘴角度下兩噴淋層溫度Fig.6 Temperature of two spray layers under different nozzle angles

3.1.2噴嘴角度

不同噴嘴角度下出口煙氣溫度如圖5所示，不同噴嘴角度下兩噴淋層溫度如圖6所示。

由圖5、圖6可知在其他運行參數不變的情況下，隨著噴嘴角度增大，出口煙氣溫度降低，說明冷凝程度增強。60°前增大噴嘴角度的傳熱傳質效果強于60°后噴嘴角度增大。這是由于噴嘴角度的增加對于增大液滴覆蓋換熱面積的能力有限。覆蓋面積越大，液滴越分散，氣液接觸越均勻。離散相(液滴)的運動軌跡有重要影響，離散相(液滴)的運動又會影響連續(xù)相(煙氣)的運動。因此找到合適的噴嘴角度，可使液滴盡可能多地覆蓋在整個煙氣流動截面上，保證流場的均勻性，增大氣液接觸面積，以低成本來得到較大的經濟效益。

3.2 液相參數對出口煙氣溫度的影響

3.2.1液滴直徑

不同液滴直徑下出口煙氣溫度如圖7所示。由圖7可知，在其他運行參數不變的情況下，不考慮液滴夾帶，液滴粒徑越小，氣液接觸面積越大，傳熱傳質越強烈，煙氣的冷卻速度越快，冷卻后的煙氣溫度分布越均勻。而液滴直徑對于冷凝室出口溫度的影響并不呈現為一次函數。液滴平均粒徑為210 μm時，出口煙氣溫度為311.75 K，此時每100 g煙氣中攜帶水蒸氣4.56 g；液滴平均粒徑為90 μm時，出口煙氣溫度為304 K，此時每100 g煙氣中攜帶水蒸氣2.90 g；液滴平均粒徑為330 μm時，出口煙氣溫度為315.26 K，此時每100 g煙氣中攜帶水蒸氣5.27 g。說明210 μm以上，增大液滴直徑，煙氣中含濕量下降不明顯。210 μm以下，減小液滴直徑，換熱效果明顯增強，煙氣含濕量快速下降。因此，霧化條件較好時，不考慮液滴夾帶條件下，將液滴直徑減小到210 μm以下，可將濕煙氣從323 K至少冷凝至311.75 K，600 MW機組每小時可回收至少80 t水資源及6.59 MW能量，環(huán)保、經濟效益顯著。

圖7 不同液滴直徑下出口煙氣溫度Fig.7 Outlet flue gas temperature under different droplet diameters

3.2.2液氣比

不同液氣比下出口煙氣溫度如圖8所示，不同液氣比下煙氣流場分布如圖9所示。其他運行參數不變的情況下，分別在液氣比0.5、1、2、3、4 L/Nm3工況下進行模擬。

圖8 不同液氣比下出口煙氣溫度Fig.8 Outlet flue gas temperature under different liquid-gas ratios

圖9 不同液氣比下煙氣流場分布Fig.9 Distribution of smoke flow field under different liquid-gas ratios

由圖8可知，液氣比越大，氣液接觸面積越大，出口煙氣溫度越低，冷凝效果越好。當液氣比大于3 L/Nm3時，繼續(xù)增大液氣比，冷凝效果增強程度不明顯。增大液氣比，氣液兩相之間發(fā)生強烈的相互作用，使得氣相迅速過渡至強烈的湍流流動狀態(tài)。強烈湍動有助于氣體動量的輸運，形成了局部渦流，小范圍的摻混與強烈的湍流脈動有助于增大氣液接觸面積和煙氣在冷凝室內的停留時間，在整體上增強了氣液兩相之間的傳質。液氣比的增加意味著需要耗費大量的冷凝水以及更多的電能，所以實際應用中應該結合經濟性綜合考慮。

3.2.3液滴溫度

不同液滴溫度下出口煙氣溫度如圖10所示，不同噴淋水溫度下出口煙氣含濕量如圖11所示。可知其他運行參數不變的情況下，溫差與水蒸氣分壓差是驅動氣液熱質交換的動力，故而加大溫差有利于氣液傳熱傳質的進行。煙氣放出顯熱的同時，還釋放了大量潛熱。因此，液滴溫度越低，氣液之間的熱濕交換效率越高。因為水溫低會加大空氣與水滴邊界層之間水蒸汽分壓力的差值，有利于濕交換。另外，由于低溫水的溫升大，在熱濕交換過程中，液滴終溫進一步提高，因而熱交換效率較高。對空氣而言，得到顯熱，則溫度升高。對煙氣而言，失去顯熱，則溫度降低；其中的水蒸氣凝結，則含濕量減少。對噴淋水而言，吸收煙氣的顯熱以及煙氣中水蒸氣釋放的潛熱，溫度升高。

圖10 不同液滴溫度下出口煙氣溫度Fig.10 Outlet flue gas temperature under different droplet temperatures

圖11 不同噴淋水溫度下出口煙氣含濕量Fig.11 Moisture content of outlet flue gas at different spray water temperatures

3.3 氣相速度影響

不同煙氣流速下出口煙氣溫度如圖12所示，不同煙氣流速下煙氣流場分布如圖13所示?？芍渌\行參數不變的情況下，煙氣流速為3.5 m/s時，出口溫度最低。煙氣流速低時，煙氣在冷凝室的停留時間增多，但由于煙氣流速過低，單位時間、單位面積上對流質量減小，使煙氣處理量減小，煙氣湍流流動較弱，導致氣液兩相接觸不均勻，造成換熱不均勻。煙氣流速增加時，煙氣雷諾數增加，強烈的湍流帶來了較高傳熱傳質效率，但煙氣在冷凝室中停留時間過短。改變煙氣流速，使煙氣停留時間與湍流強度處在合適的條件下，帶來較好的換熱效果。

圖12 不同煙氣流速下出口煙氣溫度Fig.12 Outlet flue gas temperature under different flue gas flow rates

圖13 不同煙氣流速下煙氣流場分布Fig.13 distribution of smoke flow field under different smoke flow rates

4 結 論

1)本文針對600 MW鍋爐(試驗裝置)尾部濕法脫硫系統(tǒng)出口煙氣溫度高、含濕量大造成的水資源與熱能浪費等問題。對脫硫煙氣的冷凝過程進行數值模擬研究，討論了冷凝室本身結構和氣液兩相參數對傳熱傳質的影響。隨噴淋層間距的增大，出口煙氣溫度先降低后增加，最佳間距為1 m。兩噴淋層間距對于煙氣流場和液滴在冷凝室停留時間有重要影響，所以選擇合適的噴淋層間距可用較小的經濟成本獲得較好的冷凝效果。

2)在一定范圍內，噴嘴角度越大，液滴覆蓋面積越大，氣液接觸越充分，但依靠增大噴嘴角度提高冷凝率的效果有限。噴嘴張角為60°時冷凝達到較好水平，若繼續(xù)增大張角，冷凝程度提高幅度小。

3)液滴的直徑對熱濕交換有重要影響。在不考慮液滴夾帶條件下，液滴直徑越小，氣液接觸面積越大，冷凝效果越好，出口煙氣溫度和含濕量越低。在霧化程度可達到的情況下，盡可能選用霧化程度好的噴嘴有利于冷凝。若霧化程度有限，應盡量使液滴直徑在210 μm以下，可將濕煙氣從323 K至少冷凝到311.75 K，對于600 MW機組每小時可回收至少80 t水資源及6.59 MW能量。

4)液氣比增大，煙氣與水的接觸面積增大，為換熱創(chuàng)造了有利條件。但液氣比增大的代價是耗費水資源。液氣比為3 L/Nm3時，可將出口煙氣溫度降至309.32 K，達到較為理想的冷凝效果，應結合經濟性與冷凝程度綜合選定合適的液氣比。

5)加大氣液兩相的溫差與水蒸氣分壓差可有效提高熱濕交換動力，有利于煙氣顯熱與潛熱的釋放。因此在其他運行參數不變的條件下，冷凝水溫度越低，出口煙氣溫度越低，可回收的冷凝水和熱量越多。

6)在其他運行參數不變的情況下，煙氣最佳流速為3.5 m/s。合理選擇煙氣速度可使煙氣在冷凝室的停留時間和單位時間、單位面積對流質量處于較高水平，進而促進氣液兩相的傳熱傳質。