張錦航， 喬宗良， 司風(fēng)琪， 馬 歡， 汪 勇， 陳榮澤

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

濕法煙氣脫硫(WFGD)技術(shù)是當(dāng)前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主要技術(shù)。近年來，隨著國家對環(huán)保要求的不斷提高，SO2排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從原來的200 mg/m3降低至35 mg/m3，很多燃煤機(jī)組進(jìn)行了超低排放改造。作為WFGD系統(tǒng)的核心設(shè)備，脫硫塔的設(shè)計、運(yùn)行情況直接影響著脫硫效率。脫硫塔的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣時，經(jīng)常會出現(xiàn)噴淋管堵塞、漿液惡化、除霧器堵塞等故障，嚴(yán)重影響脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[1]。

隨著計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，已有許多研究人員利用數(shù)值模擬的手段建立脫硫系統(tǒng)的流動模型。美國巴布科克·威爾科克斯公司率先將CFD技術(shù)引入脫硫系統(tǒng)的設(shè)計與改進(jìn)中[2]，通過在脫硫塔中增加開孔托盤的方法增強(qiáng)氣液之間的傳質(zhì)，提高脫硫效率。林永明等[3]利用FLUENT軟件對300 MW燃煤機(jī)組WFGD系統(tǒng)噴淋塔內(nèi)的阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重考察了不同塔徑、噴淋層間距和噴淋層數(shù)等設(shè)計條件，以及不同負(fù)荷、液氣比等運(yùn)行工況下脫硫塔內(nèi)的阻力特性。針對脫硫塔內(nèi)SO2的吸收過程，也有許多研究人員進(jìn)行了建模。ALTWICKER E R等[4]考察了單液滴吸收SO2的傳質(zhì)及反應(yīng)特性，基于滲透理論建立了液相傳質(zhì)系數(shù)的計算模型。MAROCCO L[5]探索了脫硫塔內(nèi)熱質(zhì)傳遞與液相內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的相互影響，預(yù)測了脫硫噴淋裝置的壓降與吸收性能并驗證了計算模型的適用性。曲江源等[6]建立了流動、化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)耦合的脫硫系統(tǒng)模型，并基于上述模型預(yù)測了脫硫塔內(nèi)流動、SO2吸收及液滴pH分布等特性。雖然針對脫硫系統(tǒng)的建模已有大量研究，但是目前針對脫硫系統(tǒng)故障工況下特性的研究較少。因此，研究脫硫系統(tǒng)故障工況下的特性，有助于針對不同故障采取相應(yīng)的防范手段。

筆者建立耦合化學(xué)反應(yīng)、流動、傳質(zhì)、傳熱模型的脫硫系統(tǒng)模型，基于該模型，分別對正常工況及故障工況下脫硫系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析。同時，探究漿液pH過低及噴淋管堵塞這2種脫硫系統(tǒng)常見故障對脫硫塔性能的影響，為后續(xù)故障診斷提供依據(jù)。

1 模擬對象及數(shù)學(xué)模型

1.1 模擬對象

模擬對象為某330 MW燃煤機(jī)組WFGD系統(tǒng)脫硫塔，其結(jié)構(gòu)見圖1。原煙氣從塔底煙道入口流入，與噴淋層噴出的石灰石漿液逆流接觸，從而脫除煙氣中的SO2[7]。

圖1 WFGD系統(tǒng)脫硫塔模型

脫硫塔的計算高度為25.1 m，塔內(nèi)布置4層噴淋層，布置高度分別為9.75 m、11.45 m、13.15 m、14.85 m。考慮到模型的運(yùn)算時間，將噴淋層、除霧器部分簡化為多孔介質(zhì)模型。每層噴淋層布置125個噴嘴，噴嘴采用單向空心錐霧化噴嘴。建模時主要考慮脫硫塔內(nèi)煙氣中SO2與漿液的吸收過程，因此進(jìn)行了一定的簡化，不考慮漿液反應(yīng)池的影響[8]。為了滿足工程應(yīng)用精度要求并兼顧計算時的經(jīng)濟(jì)性，對于脫硫塔內(nèi)煙氣與液滴的兩相流進(jìn)行了如下假設(shè)[6]：

(1) 將煙氣作為理想氣體，同時將液滴作為多組分剛性顆粒，不考慮由于蒸發(fā)、傳質(zhì)等引起的液滴曳力系數(shù)的變化。

(2) 忽略漿液池對SO2的吸收，計算區(qū)域為漿液池以上部分。

(3) 除霧器、噴淋層管道對于流動的阻礙作用采用多孔介質(zhì)進(jìn)行處理。

(4) 假設(shè)噴淋漿液接觸到壁面后順壁面流下。計算過程中液滴碰到壁面即停止計算液滴軌跡及由此產(chǎn)生的源項。

(5) 將液滴內(nèi)化學(xué)反應(yīng)視為快速反應(yīng)，溶質(zhì)組分可在瞬間達(dá)到平衡狀態(tài)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 液滴蒸發(fā)控制方程

對于液滴顆粒的蒸發(fā)過程，其傳質(zhì)推動力為主流煙氣中水蒸氣分壓力與液滴表面溫度下對應(yīng)的飽和水壓力的差。使用FLUENT軟件中用戶自定義函數(shù)(UDF)功能將水蒸發(fā)的傳質(zhì)速率項作為源項，同時與連續(xù)相的計算過程進(jìn)行耦合。

傳質(zhì)速率的計算公式為：

vH2O=kH2O(pH2O-pH2O, s)AdMH2O

(1)

式中：vH2O為水蒸氣傳質(zhì)速率；kH2O為水蒸氣傳質(zhì)系數(shù)；pH2O為煙氣中水蒸氣分壓力；pH2O, s為液滴表面溫度下對應(yīng)的飽和水壓力；MH2O為水的相對分子質(zhì)量；Ad為液滴表面積。

水蒸氣傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式[9]為：

(2)

式中：DH2O為水蒸氣的擴(kuò)散率；Red為液滴雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；d為液滴粒徑；R為氣體常數(shù)；Td為液滴溫度。

1.2.2 SO2吸收控制方程

脫硫過程是化學(xué)吸收過程，由于SO2的吸收為快速反應(yīng)過程，反應(yīng)速率應(yīng)由傳質(zhì)速率決定[10]。根據(jù)上述的簡化和假設(shè)，模型計算僅需要考慮吸收區(qū)SO2的傳質(zhì)過程，采用雙膜理論建立SO2的傳質(zhì)模型，其相關(guān)控制方程如下：

vSO2=kG(pSO2-cl, SO2/HSO2)AdMSO2

(3)

式中：vSO2為SO2傳質(zhì)速率；kG為總傳質(zhì)系數(shù)；pSO2為煙氣中SO2分壓力；cl, SO2為液滴中SO2的濃度；HSO2為SO2熱力學(xué)平衡常數(shù)；MSO2為SO2的相對分子質(zhì)量。

總傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：

(4)

式中：kg, SO2為氣膜內(nèi)SO2傳質(zhì)系數(shù)；kl, SO2為液膜內(nèi)SO2傳質(zhì)系數(shù)；E為傳質(zhì)增強(qiáng)因子，參照文獻(xiàn)[11]取值。

氣膜內(nèi)SO2傳質(zhì)系數(shù)的計算公式為：

(pg0/pg)

(5)

式中：Tg為氣相溫度；Tg0為氣相標(biāo)準(zhǔn)狀況溫度；pg為氣相壓力；pg0為氣相標(biāo)準(zhǔn)狀況壓力。

液膜內(nèi)SO2傳質(zhì)系數(shù)的計算公式為：

(6)

式中：Dl, SO2為SO2在液相的擴(kuò)散率；σd為液滴表面張力；md為液滴質(zhì)量。

1.2.3 液滴內(nèi)離子反應(yīng)方程

液滴內(nèi)的離子反應(yīng)包括SO2吸收、吸收劑溶解、氧化及結(jié)晶反應(yīng)[12]?；谇拔牡募僭O(shè)只考慮SO2的吸收和中和過程，得到反應(yīng)方程為：

(7)

當(dāng)液滴在計算區(qū)域中時，可以假設(shè)吸收和中和反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。這些平衡方程與硫的質(zhì)量平衡、碳的質(zhì)量平衡、電中性平衡方程可以構(gòu)成8個非線性代數(shù)方程組，可以在求解每個液滴軌道計算中得到液滴內(nèi)8種離子的濃度[10]。

化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)與液滴溫度的關(guān)系為：

lnK=A+B/Td+ClnTd+DTd

(8)

式中：K為化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)；A、B、C、D均為系數(shù)，參照文獻(xiàn)[13]取值。

1.2.4 計算條件與數(shù)值求解

以機(jī)組滿負(fù)荷工況為計算條件，脫硫塔內(nèi)入口煙氣速度為12 m/s，入口煙氣溫度為150 ℃，SO2初始質(zhì)量濃度為5 000 mg/m3。入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界；脫硫塔壁面設(shè)置為無滑移、絕熱邊界。

對于離散相液滴的計算，根據(jù)設(shè)計圖紙，設(shè)定每個噴嘴的坐標(biāo)，同時計算大量的液滴在脫硫塔內(nèi)的運(yùn)動軌跡。共有4層噴淋層，每層噴淋體積流量為6 000 m3/h，液滴密度為1 140 kg/m3，液滴溫度設(shè)置為50 ℃，液滴初始pH為5.5。模擬過程中將液滴的初始粒徑設(shè)置為0.5～5.0 mm，共分為10組，每組間隔0.5 mm。液滴粒徑分布符合Rosin-Rammler分布，即

(9)

液滴與脫硫塔壁面碰撞后即停止液滴軌道計算，邊界條件為trap；煙氣入口與出口位置設(shè)置邊界條件為escape。

1.2.5 模型驗證

圖2為不同液氣比下脫硫效率運(yùn)行值與模擬值的對比，結(jié)果表明該模型模擬值與運(yùn)行值較為吻合，可將其用于后續(xù)分析。

圖2 不同液氣比下脫硫效率模擬值與運(yùn)行值的對比

2 脫硫系統(tǒng)特性分析

2.1 液滴運(yùn)動特征

圖3為滿負(fù)荷時脫硫塔內(nèi)液滴分布的情況。霧化液滴在連續(xù)不斷地從噴淋層均勻向下噴射的過程中，同時也受到煙氣的逆向沖擊。粒徑較大的液滴，質(zhì)量也較大，在下落過程中的慣性較大，因此這些液滴集中分布在脫硫塔底部區(qū)域。對于小尺寸的液滴，尤其粒徑在2.0 mm以下的液滴，其運(yùn)動慣性較小，很容易被煙氣夾帶，所以在SO2脫除過程中也伴隨大量小尺寸液滴被煙氣夾帶至除霧器區(qū)域的過程[14]。

圖3 脫硫塔內(nèi)液滴粒徑分布

圖4為塔內(nèi)不同截面位置處液滴粒徑分布。由圖4可得：除霧器前截面液滴粒徑小于0.5 mm的液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79%，液滴粒徑大于2.0 mm的液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0%；塔底截面不同粒徑液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布與初始液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布基本一致。這表明脫硫塔內(nèi)煙氣夾帶的液滴大部分為粒徑小于2.0 mm的細(xì)小顆粒，應(yīng)重點關(guān)注這部分液滴對除霧器的影響。

圖4 不同截面處液滴粒徑分布

2.2 液滴pH分布

液滴pH是WFGD系統(tǒng)中的重要監(jiān)測參數(shù)，通常推薦的pH運(yùn)行值為5.2～6.0。以第1層噴淋管靠近入口煙氣側(cè)的2個噴嘴為研究對象，研究噴淋液滴在下落過程中pH的變化。

圖 5為不同粒徑液滴在下落過程中pH的變化。由圖5可得：粒徑為2.0 mm的液滴在塔內(nèi)的停留時間約為1.42 s。隨著粒徑的增加，液滴在脫硫塔中的停留時間變短，粒徑為5.0 mm的液滴的停留時間約為1.22 s。大粒徑(d=5.0 mm)液滴在停留時間內(nèi)，pH平均下降速率為0.25 s-1；而小粒徑(d=2.0 mm)液滴在停留時間內(nèi)，pH平均下降速率為1.2 s-1。粒徑較大的液滴在塔內(nèi)停留時間較短，并且吸收容量較大，因此pH下降較慢；而粒徑較小的液滴由于自身慣性較小，更容易跟隨煙氣在塔內(nèi)運(yùn)動，在塔內(nèi)停留時間較長，并且吸收容量較小，因此pH下降較快。

圖5 不同粒徑液滴pH分布

圖6為噴嘴噴出的液滴在下落過程中pH的變化。當(dāng)入口煙氣側(cè)的液滴在開始下落時，液滴pH能夠保持在5.0以上。隨著下落過程的逐漸進(jìn)行，液滴下落到傳熱、傳質(zhì)最劇烈的煙氣入口區(qū)域，該處氣相SO2濃度較大，液滴內(nèi)溶解的SO2濃度較小。根據(jù)傳質(zhì)模型，該處煙氣中氣相SO2傳質(zhì)推動力較大，SO2吸收也最劇烈。在液滴繼續(xù)下落的過程中，液滴中SO2濃度中不斷累積，傳質(zhì)推動力逐漸下降，液滴pH下降速率也逐漸減小。在經(jīng)過煙氣入口處后，由于液滴pH的降低，液滴的吸收容量也逐漸趨于飽和。

圖6 噴嘴噴出的液滴在下落過程中pH的變化

2.3 塔內(nèi)SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

脫硫塔縱向中軸面SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見圖7。在煙氣入口處，由于煙氣流速較快，此處氣流產(chǎn)生偏斜，液滴濃度較低，沒有足量的噴淋液滴對高濃度的SO2進(jìn)行吸收，故SO2濃度較高。遠(yuǎn)離煙氣入口處的噴淋液滴濃度較大，對于SO2的脫除作用較強(qiáng)，SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)很快降低并趨近于零。

圖7 脫硫塔縱向中軸面SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖8為脫硫塔塔內(nèi)不同高度處SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的徑向分布。分別在4層噴淋層下方設(shè)置監(jiān)測面，監(jiān)測面高度分別為9.7 m、11.4 m、13.1 m、14.8 m。由圖8可得：隨著高度的逐漸增加，塔內(nèi)SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸變得均勻。在經(jīng)過第1層噴淋層后，整體上SO2濃度已經(jīng)減少大半；在第4層噴淋層(14.8 m)處，SO2濃度的徑向分布偏差已逐漸消失。徑向分布偏差主要是由脫硫塔內(nèi)的速度偏差導(dǎo)致的。局部煙氣速度增大，導(dǎo)致局部液氣比降低，進(jìn)而降低液滴對SO2的吸收作用，故SO2的濃度較大。

圖8 不同高度處SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的徑向分布

3 故障工況模擬及分析

3.1 液滴pH過低的影響

選取某330 MW燃煤機(jī)組WFGD系統(tǒng)作為建模對象。針對脫硫塔內(nèi)常見的噴淋管堵塞、液滴pH過低這2種故障進(jìn)行數(shù)值模擬，探究故障工況下脫硫塔內(nèi)的流動與吸收特性。

影響液滴品質(zhì)的因素有很多，最明顯的因素有液滴pH、石灰石種類等。基于液滴內(nèi)離子的反應(yīng)模型，模擬了液滴pH低于正常運(yùn)行值時，脫硫效率及液滴pH在下落過程中的變化。圖9為液滴pH與脫硫效率的關(guān)系。

圖9 液滴pH與脫硫效率的關(guān)系

由圖9可得：隨著液滴pH的逐漸降低，脫硫效率也逐漸下降，并且當(dāng)液滴初始pH小于5時，下降速率逐漸加快。SO2吸收過程中總傳質(zhì)系數(shù)主要受到增強(qiáng)因子的控制，增強(qiáng)因子是與pH密切相關(guān)的函數(shù)。隨著液滴pH的下降，增強(qiáng)因子逐漸下降[15]，總傳質(zhì)系數(shù)也隨之減小，液滴吸收SO2的傳質(zhì)推動力也減小。初始液滴pH由5.5降低到4.5時，脫硫效率由96.4%降低到90.3%。

3.2 噴淋管堵塞的影響

第1層噴淋管最靠近干濕界面交界的區(qū)域，該處噴淋管最容易發(fā)生堵塞故障[16]。因此，假設(shè)靠近煙氣入口處的第1層噴淋管發(fā)生堵塞。為了更明顯地觀察到噴淋管堵塞對脫硫系統(tǒng)的影響，以第1層噴淋管噴嘴靠近煙氣入口側(cè)區(qū)域的19個噴嘴堵塞為例，探究噴淋層發(fā)生局部堵塞對塔內(nèi)流場及脫硫效率的影響。圖10為噴淋管堵塞區(qū)域。

圖10 噴淋管堵塞區(qū)域

圖11為正常工況與第1層噴淋管部分噴嘴堵塞時各高度SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的對比。與正常工況相比，當(dāng)?shù)?層噴淋管局部堵塞時，與正常工況相比，10 m處的堵塞區(qū)域SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加14.9%，而15 m處的堵塞區(qū)域SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加8.1%。這主要是因為設(shè)計噴淋塔時留有一定的裕量，第2、3、4層的噴淋管可以繼續(xù)吸收因第1層噴淋管堵塞而逃逸的SO2。因此，隨著高度的提升，局部堵塞造成SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高的影響逐漸減弱。

圖11 堵塞與正常工況SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的對比

4 結(jié)語

分析了脫硫塔內(nèi)液滴pH分布特性及SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特性，并且針對噴淋管堵塞、液滴pH過低這2種常見故障進(jìn)行了仿真，得到的主要結(jié)論為：

(1) 當(dāng)?shù)?層噴淋管靠近煙氣入口側(cè)19個噴嘴堵塞時，與正常工況相比，堵塞區(qū)域SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)會增加。隨著高度的提升，局部堵塞造成SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高的影響逐漸減弱。

(2) 當(dāng)液滴pH由5.5下降至4.5時，脫硫效率由96.4%降低到90.3%，并且下降速率逐漸增加。