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        低溫?zé)煔庥酂嵴舭l(fā)脫硫廢水工藝研究及工程應(yīng)用

        2022-01-14 11:44:20廖述新朱文瑜唐復(fù)全馬雙忱
        潔凈煤技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:塔內(nèi)液滴余熱

        廖述新,朱文瑜,唐復(fù)全,鄭 偉,馬雙忱

        (1.湖北能源集團(tuán)鄂州發(fā)電有限公司,湖北 鄂州 430000;2.成都銳思環(huán)保技術(shù)股份有限公司,四川 成都 610000;3.華北電力大學(xué)(保定),河北 保定 071003)

        0 引 言

        火電廠煙氣脫硫普遍采用石灰石-石膏濕法,會產(chǎn)生大量的脫硫廢水,且廢水中含有濃度超標(biāo)的懸浮物、石膏顆粒、硫酸鹽、氯鹽等以及氟化物、COD、重金屬等[1-3],排放脫硫廢水不進(jìn)行回用會造成環(huán)境污染。2015年國務(wù)院頒布《水污染行動計劃》,2017年環(huán)保部發(fā)布《火電廠污染防治技術(shù)政策》,鼓勵火電廠實(shí)現(xiàn)廢水循環(huán)使用。隨著環(huán)保要求的提升,廢水零排放成為主要發(fā)展方向[4-5]。目前對脫硫廢水零排放處理技術(shù)的研究主要有:自然蒸發(fā)技術(shù)、蒸汽蒸發(fā)技術(shù)、膜技術(shù)、煙氣蒸發(fā)技術(shù)和煙氣余熱濃縮技術(shù)。

        自然蒸發(fā)技術(shù)適用于干旱地區(qū),受氣候及季節(jié)影響大,占地面積大、土建費(fèi)用高[6]。以MED和MVR為代表的蒸汽蒸發(fā)技術(shù),需要對廢水進(jìn)行預(yù)處理,其成本高、能耗高、易結(jié)垢、流程復(fù)雜[7-8]。膜技術(shù)不僅投資和運(yùn)行費(fèi)用高,系統(tǒng)運(yùn)行效果差,還需要與蒸汽蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合[9-11]。以高溫旁路煙氣蒸發(fā)為代表的煙氣蒸發(fā)技術(shù)由于抽取高品質(zhì)熱源,導(dǎo)致鍋爐效率降低,超過167 ℃時廢水中MgCl2分解,影響飛灰的品質(zhì)[12-13]。

        低溫?zé)煔庥酂嵴舭l(fā)脫硫廢水技術(shù)克服了以往投資費(fèi)用高、廢水需要預(yù)處理、能耗高、處理效果差等技術(shù)缺陷,采用低溫?zé)煔庠跐饪s塔內(nèi)濃縮實(shí)現(xiàn)零排放,無需對脫硫廢水進(jìn)行預(yù)處理,流程簡單,無結(jié)垢風(fēng)險。

        目前研究多集中于對低溫?zé)煔庥酂嵴舭l(fā)脫硫廢水零排放技術(shù)的平衡計算和其濃縮過程中溶解鹽的成分及相變特點(diǎn)等基礎(chǔ)性研究,對其工藝條件及其適應(yīng)性研究較少。為保證成功應(yīng)用,筆者對該技術(shù)的工藝條件進(jìn)行研究,并對其核心設(shè)備進(jìn)行CFD模擬。

        1 煙氣余熱濃縮工藝

        煙氣余熱蒸發(fā)工藝是從除塵器后抽出一部分煙氣,用以蒸發(fā)脫硫廢水,煙氣中水蒸汽達(dá)到飽和后回到主煙道,與原煙氣混和后進(jìn)入脫硫吸收塔。在濃縮塔內(nèi)廢水不斷蒸發(fā),廢水中的溶解鹽濃度逐漸升高,達(dá)到飽和產(chǎn)生結(jié)晶,而后輸送到壓濾機(jī)脫水,濾液返回濃縮塔繼續(xù)蒸發(fā),脫水后的固體廢物可進(jìn)行利用或以適當(dāng)方式填埋堆放。其工藝流程如圖1所示。

        圖1 煙氣余熱蒸發(fā)廢水零排放工藝流程

        2 低溫?zé)煔庥酂峁に嚄l件

        2.1 主要工藝條件

        低溫?zé)煔庥酂嵴舭l(fā)脫硫廢水零排放工藝的核心部分為煙氣與脫硫廢水發(fā)生傳質(zhì)與傳熱,實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的不斷濃縮。其主要工藝參數(shù)為煙氣溫度、煙氣流量與蒸發(fā)水量,這3個工藝參數(shù)相互關(guān)聯(lián)。

        煙氣進(jìn)入濃縮塔系統(tǒng)的溫度為92~120 ℃,該溫度由鍋爐排煙系統(tǒng)決定,會影響煙氣的出塔溫度、流量和蒸發(fā)水量。當(dāng)入塔煙氣溫度增加,流量不變或流量增大,入塔煙氣溫度不變時,均使得進(jìn)入濃縮塔系統(tǒng)的熱量增多,蒸發(fā)水量增大,煙氣的出塔溫度也會發(fā)生變化。

        根據(jù)以上參數(shù)的關(guān)聯(lián)性,通過已有的低溫?zé)煔庥酂嵴舭l(fā)脫硫廢水零排放技術(shù)平衡計算方法研究,得到相關(guān)參數(shù)??紤]廢水蒸發(fā)過程中鹽濃度對飽和蒸汽壓的影響(沸點(diǎn)上升),其相關(guān)方程見式(1)~(3):

        (1)

        式中,q為系統(tǒng)出力,m3/h;t為時間,h;ρ(H2O)為水的密度,取1 000 kg/m3;WTS0為脫硫廢水全固質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;MEvapor為濃縮塔蒸發(fā)量,kg/h;M2為除霧器沖洗水量,kg/h;M5為泥餅量,kg/h。

        Q1=[MEvaporr+(M1+M2)Cp(H2O)ΔT1]/t,

        (2)

        式中,Q1為漿液吸熱量,kJ/h;r為水的蒸發(fā)潛熱,取2 338.56 kJ/kg;Cp(H2O)為水的比熱容,取4.2 kJ/(kg·K);M1為處理前廢水的質(zhì)量流量,kg/h;Cp(H2O)為水的比熱容;ΔT1為廢水的溫差,K。

        Q2=qCp·gΔT2,

        (3)

        式中,Q2為煙氣放熱量,kJ/h;q為煙氣流量,Nm3/h;Cp·g為煙氣比熱容,取1.373 kJ/(Nm3·K);ΔT2為進(jìn)出口煙氣溫差,K。

        經(jīng)計算得到:以92 ℃煙氣溫度,處理10 m3/h廢水量;則煙氣出口溫度為53 ℃,所需煙氣的流量為52×104Nm3/h。

        2.2 濃縮塔選型條件

        根據(jù)以上煙氣和廢水的工藝條件,確定濃縮塔的有效高度、濃縮塔的塔徑以確保濃縮塔的性能。由于低溫?zé)煔庥酂釢饪s技術(shù)主要借鑒煙氣脫硫塔技術(shù),濃縮塔的部分結(jié)構(gòu)與尺寸可借鑒脫硫噴淋塔的設(shè)計規(guī)定。

        2.2.1濃縮塔的塔徑

        煙氣流量一定時,煙氣流速決定了濃縮塔的尺寸:

        VS=900πD2u0,

        (4)

        式中,VS為煙氣的體積流量,m3/h;D為濃縮塔的直徑,m;u0為進(jìn)塔煙氣的流速,m/s。

        煙氣流速小,濃縮塔所需的尺寸就越大;增大煙氣流速可以加強(qiáng)氣液兩相截面間湍流,減緩液滴下降速度,利于傳質(zhì);煙氣流速過大又會降低煙氣與液滴的接觸時間,導(dǎo)致塔效率降低,夾帶液滴量增大,塔內(nèi)壓降增加[14]。通常逆流式噴淋塔的煙氣流速在3.0~4.5 m/s;在DL/T 5196—2016《火力發(fā)電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程》規(guī)定中指出:含有除霧器的吸收塔的煙氣流速不宜超過3.8 m/s[15]。當(dāng)煙氣流速超過3.8 m/s時,易導(dǎo)致通過除霧器時二次帶水,除霧效果變差;煙氣流速低于3 m/s時,設(shè)備投資增大。因此濃縮塔的煙氣流速為3.5 m/s。

        2.2.2濃縮塔的有效高度

        dhvap=vrdt,

        (5)

        (6)

        (7)

        Qr=Cp,mn0ΔT3+Δnqr,

        (8)

        ΔnM=Δm,

        (9)

        (10)

        (11)

        液滴在塔內(nèi)的停留時間與濃縮塔塔高、液滴運(yùn)動速度、煙氣流速和蒸發(fā)速率有關(guān)。液滴運(yùn)動速度在濃縮塔內(nèi)不斷變化,從噴嘴噴出后的速度最大,隨著煙氣的蒸發(fā)和煙氣的阻力作用,速度逐漸變??;液滴運(yùn)動速度的變化影響液滴的停留時間。

        煙氣流速為3.5 m/s,忽略浮力作用,曳力系數(shù)為Cd=0.772,噴出時液滴的初始速度為25 m/s,初始液滴粒徑為2 mm,煙氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.031 3 W/(m·K),煙氣傳熱溫差75 ℃,汽化潛熱為2 366 kJ/kg時,液滴的停留時間為0.76 s。設(shè)計的濃縮塔蒸發(fā)區(qū)高度為5.8 m。

        3 濃縮塔模擬

        根據(jù)以上確定的濃縮塔設(shè)計參數(shù),設(shè)計低溫?zé)煔庹舭l(fā)量為10 m3/h時脫硫廢水濃縮塔,并對其進(jìn)行模擬。通過物料和能量平衡計算以及濃縮過程中沸點(diǎn)上升(濃縮液飽和蒸氣壓降低)情況,確定煙氣入塔參數(shù)、濃縮塔尺寸及噴嘴布置(表1);借助計算流體動力學(xué)(CFD)軟件對濃縮塔的性能加以分析論證,確保成功應(yīng)用。

        3.1 模擬方法

        濃縮塔內(nèi)煙氣與漿液的流動是典型的氣液兩相流。單位體積內(nèi)液相體積分?jǐn)?shù)占比小,塔內(nèi)流場模擬基于歐拉—拉格朗日方法,將氣相視作連續(xù)相采用歐拉法處理,液滴視作離散相采用拉格朗日法處理,并考慮連續(xù)相與離散相間的雙相耦合[16]。液滴軌跡及傳熱過程利用Fluent中的DPM模擬計算,即將離散相運(yùn)動方程分成2部分:顆粒間相互碰撞的作用力方程和流體對每個顆粒的作用力方程。

        計算中,漿液池液面視為靜止液面,以漿液池液面為0 m,進(jìn)行流場模擬的高度標(biāo)注。

        3.2 模型構(gòu)建設(shè)計

        模型計算中采用的設(shè)計參數(shù)見表1。

        近些年的相關(guān)研究均表明了聲源定位的準(zhǔn)確性和抗干擾性是聲源定位的重點(diǎn)難點(diǎn),另外,如若能夠?qū)⑾到y(tǒng)集成在嵌入式平臺亦將會大大增加其使用的便攜性[7]。因此本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的廣義互相關(guān)算法,設(shè)計了基于線性預(yù)測殘差的廣義互相關(guān)算法,以增強(qiáng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和抗噪性,并設(shè)計了基于TMS320DM368的嵌入式聲源定位系統(tǒng)。

        表1 流場模擬設(shè)計參數(shù)

        模型構(gòu)件設(shè)計就是對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,模型各部分形狀較為規(guī)整,除少部分區(qū)域(如方圓節(jié)、擋水檐等部分)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格外,大部分區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,總網(wǎng)格數(shù)目約100萬。在模型中對除霧器進(jìn)行簡化,采用多孔介質(zhì)模型模擬。

        3.3 模擬結(jié)果

        3.3.1濃縮塔內(nèi)流場和溫度場分布模擬計算結(jié)果

        從濃縮塔截面流線圖(圖2)中可以看出,煙氣進(jìn)入濃縮塔后,流動方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在煙氣上升過程中,噴淋層和噴嘴合理布置可對塔內(nèi)煙氣流動起到很好的整流作用。

        圖2 濃縮塔截面流線

        從速度分布圖(圖3)可以看出,煙氣進(jìn)入濃縮塔后,整體流速下降較快,入口兩側(cè)流速較低,高速射流形成的低壓區(qū)會導(dǎo)致在濃縮塔兩側(cè)以及靶區(qū)形成較明顯的渦流。煙氣在上升過程中,煙道入口遠(yuǎn)端的氣流速度較大;在濃縮塔出口,煙氣流速局部增加。整體來看,煙氣流場變化均勻。

        圖3 濃縮塔截面速度分布

        圖3還展示了沿濃縮塔的高度方向上,煙氣速度分布變化。煙氣入口上方(6 500 mm高度處)至第1層噴淋層前(7 500 mm高度處),整體煙氣流動向煙道入口遠(yuǎn)端偏移;經(jīng)過2層噴淋層后(11 000 mm 高度處),截面上煙氣速度大小趨于一致,且速度方向?yàn)樨Q直向上。沿濃縮塔的高度方向上,煙氣流動均勻,證明了設(shè)計濃縮塔的有效高度與煙氣流速合理。

        從濃縮塔煙氣溫度分布圖(圖4)可以看出,濃縮塔內(nèi)的煙氣溫度由下到上降低。整個濃縮塔的煙氣溫度分布較為均勻,尤其在出口處最為均勻,變異系數(shù)CV值小于1%。

        圖4 濃縮塔截面溫度分布

        3.3.2濃縮塔內(nèi)液滴濃度計算結(jié)果

        從2層噴淋層下方液滴濃度分布圖5所示,可以清晰地看到塔內(nèi)設(shè)有上下2層噴淋層,第1層噴淋層其液滴濃度分布不太均勻,但經(jīng)過第2層噴淋使得液滴在塔內(nèi)的濃度分布變得均勻。

        圖5 濃縮塔截面液滴濃度分布

        由圖5可知,在濃縮塔上部截面的液滴濃度分布均勻,液滴與煙氣接觸充分,有利于液滴的蒸發(fā)。

        通過CFD軟件對濃縮塔的流場模擬,證明所確定的煙氣流速、濃縮塔的有效高度、噴嘴型式、尺寸、布置方式以及設(shè)計的2層噴淋層合理,能夠?qū)崿F(xiàn)煙氣與廢水在濃縮塔內(nèi)均勻分布,保證濃縮效率。

        4 工程化應(yīng)用

        以濃縮塔模擬為依據(jù),設(shè)計并建造了鄂州發(fā)電有限公司低溫?zé)煔庹舭l(fā)脫硫廢水零排放工程并實(shí)現(xiàn)了濃縮塔的工程化應(yīng)用。

        4.1 鄂州電廠脫硫廢水零排放項(xiàng)目情況

        項(xiàng)目上建設(shè)了2臺機(jī)組脫硫廢水零排放裝置,設(shè)計出力為處理廢水20 m3/h;其濃縮塔參數(shù)見表2。

        表2 鄂州電廠三期脫硫廢水零排放濃縮塔參數(shù)(單塔)

        4.2 脫硫廢水裝置開車運(yùn)行及驗(yàn)收情況

        鄂州電廠三期低溫?zé)煔庹舭l(fā)脫硫廢水零排放裝置已經(jīng)開車運(yùn)行,在運(yùn)行過程中對蒸發(fā)效果通過脫硫廢水的濃縮倍率(裝置運(yùn)行到不同階段的廢水離子濃度與原脫硫廢水的離子濃度之比)來表示。濃縮塔的運(yùn)行穩(wěn)定還需要通過濃縮塔的煙氣溫度來論證。濃縮塔的漿液離子當(dāng)量濃度變化情況如圖6所示,濃縮塔的煙氣溫度和壓力見表3。

        圖6 濃縮塔漿液離子濃度變化

        由圖6可知,當(dāng)濃縮時間小于204 h時,各離子當(dāng)量濃度總體上隨系統(tǒng)運(yùn)行時間的增加而升高。在此期間,系統(tǒng)補(bǔ)水、除霧器沖洗、結(jié)晶鹽析出、煙氣擋板開度的調(diào)整等運(yùn)行操作,會使離子當(dāng)量濃度呈小幅波動。隨著水的不斷蒸發(fā),濃縮液中鹽的濃度達(dá)到飽和溶解度后結(jié)晶析出。濃縮倍率以Cl-的當(dāng)量濃度計,從其開始時的0.35到運(yùn)行350 h時達(dá)到5.25,濃縮倍率N為:N=5.25/0.35=15。

        從表3可知,廢水的蒸發(fā)量與煙氣的進(jìn)塔溫度和煙氣流量有關(guān),煙氣將熱量傳遞給廢水,廢水受熱蒸發(fā)。當(dāng)煙氣進(jìn)塔溫度由98 ℃提高到117.5 ℃時,煙氣入塔溫度增加了近20 ℃,但出塔溫度沒有同比例增加,僅增加了4.5 ℃;說明濃縮塔保溫狀況良好,根據(jù)熱量平衡可知,煙氣溫度升高,所攜帶的熱能增加,熱量傳遞給廢水,廢水吸熱后蒸發(fā)量顯著增加了38%,由原來的11.74 m3/h增加到了16.24 m3/h;蒸發(fā)的水蒸氣進(jìn)入煙氣,說明濃縮塔具有很好的傳熱和傳質(zhì)效果。結(jié)合圖6濃縮效果曲線可知,在煙氣溫度98 ℃時,設(shè)計的濃縮塔能夠達(dá)到蒸發(fā)濃縮的要求(處理能力10 m3/h)。

        表3 試運(yùn)行期間煙氣參數(shù)及廢水處理量

        目前該系統(tǒng)在鄂州電廠已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行,整套裝置運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)了DCS的自動控制,只在壓濾卸泥環(huán)節(jié)需要人工監(jiān)護(hù),設(shè)備狀態(tài)良好,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。目前該系統(tǒng)煙氣流入塔流量為44×104Nm3/h,運(yùn)行情況如圖7所示。

        圖7 鄂州電廠脫硫廢水零排放系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行情況

        由圖7可知,進(jìn)出脫硫廢水零排放裝置的煙氣溫度約為100 ℃和60 ℃,脫硫廢水的處理量為12 m3/h;系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),沒有出現(xiàn)較大波動。

        5 結(jié) 論

        1)通過對工藝研究,以煙氣92 ℃,廢水10 m3/h處理量的情況下所需煙氣流量為52×104Nm3/h。

        2)通過對濃縮塔的選型研究,確定了煙氣流速為3.5 m/s,濃縮塔蒸發(fā)區(qū)高度為5.8 m,濃縮塔內(nèi)設(shè)置2層噴淋層,每層噴淋層為空心錐形大流量的碳化硅噴嘴。

        3)濃縮塔內(nèi)流場分布計算結(jié)果證實(shí):濃縮塔內(nèi)煙氣流場變化均勻,速度分布均勻,溫度分布均勻,濃縮塔內(nèi)液滴顆粒濃度分布均勻;證明了濃縮塔煙氣流速、濃縮塔蒸發(fā)高度以及2層噴淋層和噴嘴間距等設(shè)計合理,能夠保證煙氣與液滴的高效的傳質(zhì)與傳熱。

        4)低溫?zé)煔庥酂嵴舭l(fā)脫硫廢水在鄂州電廠三期已經(jīng)成功應(yīng)用并平穩(wěn)運(yùn)行,濃縮液中鹽濃度達(dá)到飽和并結(jié)晶析出,其濃縮倍數(shù)達(dá)到了15倍;同時該濃縮塔的運(yùn)行效率高、技術(shù)先進(jìn),可實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放。

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