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)重點實驗室，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。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U水進行蒸發(fā)處理，廢水蒸發(fā)為水蒸氣，而廢水中的細小顆粒隨飛灰被電除塵器捕捉，從而實現(xiàn)脫硫廢水零排放，且該技術(shù)操作簡單，經(jīng)濟成本低，具有重要的工程實用價值[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)，避免對下游管道和設(shè)備腐蝕，國內(nèi)外已對該技術(shù)工藝進行了大量數(shù)值研究[12-17]。鄭郝等[13]利用數(shù)值計算方法研究了煙氣性質(zhì)與操作參數(shù)對單噴射點液滴在水平直煙道內(nèi)蒸發(fā)過程的影響；張子敬等[14]分析了液滴由多噴嘴噴入真實鍋爐煙道中液滴群的蒸發(fā)規(guī)律及運動特征；陳鴻偉等[15]計算了液滴由單噴嘴噴入真實煙道中的蒸發(fā)規(guī)律，分析了運行參數(shù)對蒸發(fā)時間的影響；吳帥帥等[16]模擬了液滴由6個噴嘴噴入某鍋爐煙道內(nèi)的蒸發(fā)過程，得到了煙氣和液滴性質(zhì)對蒸發(fā)時間的影響。

目前，針對單個或多個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，而針對機組實際產(chǎn)生的大量脫硫廢水噴入煙道內(nèi)的蒸發(fā)運動過程研究較少，為指導(dǎo)脫硫廢水煙道蒸發(fā)技術(shù)在工程實際的應(yīng)用，首先建立了脫硫廢水噴霧蒸發(fā)過程數(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鍋爐尾部煙道時脫硫廢水液滴的蒸發(fā)特性，并分析煙氣和液滴性質(zhì)對脫硫廢水蒸發(fā)過程的影響，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

為了簡化相關(guān)模型和計算，對廢水液滴在煙道中的蒸發(fā)過程進行以下假設(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，默認粉塵對廢水液滴蒸發(fā)無影響。

5)噴嘴所占的空間體積較小，忽略煙道中的噴嘴機構(gòu)對尾部煙道煙氣流場的影響。

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 煙氣場的基本控制方程

尾部煙道中的煙氣流動時必須遵守質(zhì)量、動量和能量守恒，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、湍流動能和湍流動能耗散率；t為時間，s；ui為速度矢量，m/s；Γφ為廣義擴散系數(shù)；Sφ為氣液兩相流場中霧化液滴對煙氣流場的作用力源項。

1.1.2 霧化液滴動量方程

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，此時液滴與煙氣發(fā)生對流傳熱，當忽略液滴與煙氣及煙道內(nèi)壁之間的輻射換熱時，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)和普朗特數(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，此時達到液滴蒸發(fā)溫度但仍小于液滴沸騰溫度，此過程方程為

(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)過程中，蒸汽的濃度梯度為液滴蒸發(fā)的驅(qū)動力，此過程方程為

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)當液滴溫度達到沸騰溫度時，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象，其計算區(qū)域如圖1所示。煙道長度為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多個噴嘴噴入煙道，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，其他壁面采用無速度滑移的絕熱壁面，脫硫廢水液滴采用離散型(DPM)模型進行計算，廢水蒸發(fā)簡化為水滴蒸發(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)格劃分計算區(qū)域網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為98.5萬個。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

對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，選取3種網(wǎng)格密度，當單個噴嘴流量為0.005 kg/s，采用設(shè)定操作參數(shù)計算時，計算結(jié)果見表2。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果Table 2 Grid independence verification results

由表2可知，網(wǎng)格數(shù)量98.5 萬個與121.6萬個相比，煙道出口煙氣速度、溫度、蒸發(fā)時間和蒸發(fā)距離之間差值很小，而網(wǎng)格數(shù)量為78.8萬個時，與98.5萬個相差較多，計算精度較差，考慮相關(guān)的計算資源和時間，故計算時采用網(wǎng)格數(shù)量為98.5萬個網(wǎng)格進行計算。

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動過程中與壁面發(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

計算煙氣溫度在120～160 ℃、不同脫硫廢水噴射流量時，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，隨煙氣溫度上升，安全距離呈下降趨勢；且噴嘴質(zhì)量流量越小，安全距離越小。在重力作用下，液滴在煙道中的運動軌跡會向下稍微偏移，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，當流量小于0.01 kg/s時，安全距離C>0.15 m可滿足要求，當流量為0.015 0 kg/s，煙氣溫度為120 ℃時，C達到最大值0.20 m。

2.2 煙氣流速的影響

計算煙氣流速在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。煙氣流速對安全距離A的影響較為明顯，在計算流速范圍內(nèi)，A在0.20～0.50 m 變化，當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，當流量小于0.007 5 kg/s時，C>0.15 m可滿足要求，當流量為0.015 0 kg/s，煙氣速度為6 m/s時，C達最大值0.25 m。

2.3 液滴粒徑的影響

計算當液滴粒徑為20～140 μm時，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，不同流量下的A均為0.6 m；液滴粒徑對安全距離B和C的影響相對較小，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，B和C均達最大值0.30 m。

2.4 安全距離的確定

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

3.1 噴嘴組布置形式

某300 MW機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)均勻布置多個噴嘴，噴嘴數(shù)量、布置方式和單噴嘴質(zhì)量流量見表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

計算不同煙氣流速、煙氣溫度和液滴粒徑時，不同噴嘴數(shù)量情況下，液滴的蒸發(fā)距離和時間。煙氣溫度對蒸發(fā)時間及距離的影響如圖6所示，可知同一噴嘴數(shù)量時，液滴的蒸發(fā)距離和蒸發(fā)時間正相關(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)時間降低、蒸發(fā)距離縮短且時間和距離降幅逐漸變小。對于156個噴嘴工況，煙氣溫度由120 ℃提高到140 ℃時，蒸發(fā)時間由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；當煙氣溫度由140 ℃提高到160 ℃時，蒸發(fā)時間由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。

煙氣流速對蒸發(fā)時間及距離的影響如圖7所示，可知噴嘴數(shù)量相同時，煙氣流速的增加加劇了液滴表面的對流傳熱傳質(zhì)程度，使液滴蒸發(fā)速率加快，液滴蒸發(fā)時間下降，且降幅逐漸變小。121個噴嘴時，煙氣流速從6 m/s增至10 m/s時，液滴蒸發(fā)時間由1.276 s降至0.914 s，下降了0.362 s；當煙氣流速從10 m/s增至14 m/s時，液滴蒸發(fā)時間由0.914 s降至0.741 s，下降了0.173 s。盡管液滴蒸發(fā)時間降低，但由于煙氣流速增加，液滴隨煙氣運動，在液滴蒸發(fā)時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，僅當噴嘴流量最小為0.005 kg/s時，蒸發(fā)距離隨煙氣流速的增加先減少后增大，當煙氣流速為10 m/s時，達到最短蒸發(fā)距離6.42 m。對于121個噴嘴時，煙氣流速從6 m/s增至14 m/s時，液滴蒸發(fā)距離由8.12 m增至10.39 m，增加了2.27 m?？梢姛煔饬魉賹σ旱握舭l(fā)時間有較大影響。

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

液滴初始粒徑對蒸發(fā)時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。這是因為液滴粒徑越大，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，延長了蒸發(fā)時間，增加了蒸發(fā)距離，液滴粒徑較噴嘴數(shù)對蒸發(fā)時間和距離的影響較大。噴嘴數(shù)量相同時，液滴粒徑增加會增大液滴完全蒸發(fā)時間，且增幅越大，完全蒸發(fā)距離加速增加。噴嘴數(shù)量在156個時，當液滴粒徑由20 μm增至80 μm時，完全蒸發(fā)時間增加了0.326 s，蒸發(fā)距離增加了3.31 m；當液滴粒徑由80 μm增至140 μm時，完全蒸發(fā)時間增加了0.636 s，蒸發(fā)距離增大了6.40 m。

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

3.3 最大處理能力

鍋爐在變工況運行時，產(chǎn)生的脫硫廢水量發(fā)生變化，當脫硫廢水流量增加后，計算不同噴嘴數(shù)量時液滴的蒸發(fā)時間和距離。當煙氣溫度為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，計算結(jié)果如圖9所示。

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

當脫硫廢水增加后，在計算過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)時間和距離逐漸增加?？偯摿驈U水量增加時，對于較多的噴嘴數(shù)量，單個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；而對于噴嘴數(shù)量較少的情況，因單個噴嘴流量及增值較大，蒸發(fā)距離較長，相應(yīng)流量增加，可能導(dǎo)致蒸發(fā)距離增加過大，出現(xiàn)沾壁危險工況，故相應(yīng)的流量增幅不能過大。

3.4 噴嘴布置建議

通過分析噴嘴布置形式、噴水量、煙氣溫度、煙氣速度和液滴粒徑對脫硫廢水液滴蒸發(fā)性能影響可知，這5種因素對液滴蒸發(fā)時間和距離均有不同程度影響，進而影響廢水煙道蒸發(fā)系統(tǒng)在實際機組中的應(yīng)用。針對機組實際運行情況，隨噴嘴數(shù)量增加，降低單個噴嘴的噴水量可使蒸發(fā)時間和距離降低，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，增強該系統(tǒng)的適應(yīng)性；但增加噴嘴數(shù)量會增加系統(tǒng)復(fù)雜性，使系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率增加，同時增加控制難度。因此針對某一具體機組，在充分考慮機組運行情況的前提下，應(yīng)結(jié)合機組煙道實際情況，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，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，液滴在煙道中運動軌跡稍向下偏移，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，計算噴嘴與各壁面的安全距離，結(jié)合實際脫硫廢水的流量，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，隨煙氣溫度升高、流速增大、液滴粒徑縮小，液滴蒸發(fā)時間下降，蒸發(fā)距離縮短；隨噴嘴數(shù)量增加，單個噴嘴噴射流量降低，蒸發(fā)時間和距離均下降。

4)噴嘴數(shù)量越多，整個脫硫廢水處理系統(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)實際情況，選擇合適的噴嘴布置形式，合理設(shè)計廢水煙道蒸發(fā)系統(tǒng)。