焦世權(quán)，李玉龍，李恒凡，韓中合

(1.華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003;2.河北建投能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河北 石家莊 050056)

0 引 言

火電廠采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)[1-3]產(chǎn)生大量脫硫廢水，其水質(zhì)成分復(fù)雜、易結(jié)垢且含有害物質(zhì)[4-5]，常規(guī)水質(zhì)處理技術(shù)存在裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、Cl-脫除率低、能耗高、經(jīng)濟(jì)效益低等劣勢(shì)[6-7]。目前廢水零排放處理，主要分為煙氣余熱蒸發(fā)和蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)[8]，其中煙氣余熱蒸發(fā)按引出煙氣溫度的不同，分為低溫?zé)煹勒舭l(fā)和高溫?zé)煹琅月氛舭l(fā)，其中低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)由于成本較低、布置簡(jiǎn)單、不需額外占地面積等優(yōu)點(diǎn)[9-12]受廣泛關(guān)注。

低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)是利用空氣預(yù)熱器后的低溫?zé)煔庹舭l(fā)脫硫廢水，廢液中水分蒸發(fā)霧化后，析出廢水中未蒸發(fā)的細(xì)小顆粒，繼而被后續(xù)除塵器等相關(guān)設(shè)備收集[13],該技術(shù)要求廢液在短時(shí)間和一定蒸發(fā)距離內(nèi)完全蒸發(fā)，否則會(huì)出現(xiàn)煙道腐蝕、煙道結(jié)垢、除塵器腐蝕或結(jié)垢等問題[14]。目前該技術(shù)仍不成熟，實(shí)際電廠中安裝噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)造價(jià)較高、便利性差，因此采用數(shù)值模擬法分析低溫?zé)煹乐胁贾脟娮鞎r(shí)廢液蒸發(fā)過程。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了大量數(shù)值研究，分析了煙氣和液滴性質(zhì)等對(duì)蒸發(fā)距離和時(shí)間的影響[15-19]。賈翔等[15]以某350 MW機(jī)組空預(yù)器與除塵器之間的煙道為對(duì)象，分析了煙氣溫度對(duì)廢水液滴蒸發(fā)影響；周川等[16]主要研究了噴嘴噴射方式和液滴粒徑對(duì)廢液蒸發(fā)的影響。陸啟亮等[17]建立廢液煙道蒸發(fā)數(shù)值模擬平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)煙氣溫度對(duì)廢液蒸發(fā)影響較大。馮書勤等[18]對(duì)低溫直煙道中的廢水蒸發(fā)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在較高煙氣溫度和噴嘴數(shù)量2個(gè)的情況下，廢水蒸發(fā)量增加；李德波等[19]研究了脫硫廢液在某600 MW機(jī)組噴霧干燥塔下的蒸發(fā)效果，煙氣流量和煙氣溫度對(duì)液滴的蒸發(fā)影響較大。

脫硫廢水煙道噴射蒸發(fā)技術(shù)中噴入霧化液滴的噴嘴數(shù)量是影響液滴蒸發(fā)重要因素，但對(duì)于噴嘴數(shù)量這一關(guān)鍵參數(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化，明確其對(duì)蒸發(fā)運(yùn)動(dòng)過程的影響。

1 脫硫廢水霧化蒸發(fā)數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

脫硫廢水在尾部煙道內(nèi)運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)，該過程中主要涉及的數(shù)學(xué)模型有：煙氣控制方程、液滴控制方程、液滴和煙氣的耦合方程，詳細(xì)內(nèi)容見參考文獻(xiàn)[20]。

1.2 物理模型及計(jì)算條件

脫硫廢水在尾部煙道內(nèi)運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)，針對(duì)這一過程進(jìn)行如下假設(shè)[21]：① 煙氣為不可壓縮性流體；② 忽略煙氣粉塵對(duì)廢水蒸發(fā)的影響；③ 噴嘴的空間布置和體積結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)尾部流場(chǎng)和煙氣溫度等參數(shù)造成影響；④ 液滴為球形，不考慮液滴間的碰撞影響；⑤ 不考慮液滴和尾部煙道，尾部煙道和外界之間的輻射換熱效果；⑥ 液滴粒徑為平均粒徑。

對(duì)某330 MW鍋爐尾部煙道進(jìn)行建模，模型及相關(guān)參數(shù)如圖1(a)所示。將多個(gè)霧化噴嘴布置在垂直煙道，且距離下底面高度為4.25 m的平面，該平面內(nèi)均勻分布1、2、3或4個(gè)噴嘴，布置形式如圖1(b)所示。

圖1 多噴嘴噴霧模型及噴嘴布置形式Fig.1 Spraying model with multiple nozzles

采用Ansys Fluent 19.1進(jìn)行模擬計(jì)算，煙氣入口、出口分別采用速度入口和壓力出口邊界條件，四周煙道壁面采用絕熱、無滑移的壁面條件，壓力與速度之間的耦合采用SIMPLE算法，當(dāng)殘差<10-6時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。在整個(gè)計(jì)算過程中，總噴水量保持不變，多噴嘴中單個(gè)噴嘴的噴水量平均分配，除特殊聲明研究相應(yīng)影響因素的作用外，各參數(shù)取值見表1。首先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，檢驗(yàn)計(jì)算的網(wǎng)格能否符合精度的要求，分別選取網(wǎng)格數(shù)60.2萬、78.8萬和98.5萬個(gè)，網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證見表2。

表1 操作參數(shù)Table 1 Operational parameter

由表2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)分別為78.8萬和98.5萬個(gè)時(shí)，各計(jì)算結(jié)果差距較小。由于計(jì)算資源有限，且對(duì)模擬結(jié)果影響不大，因此選用78.8萬個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

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

1.3 結(jié)果與討論

計(jì)算不同噴嘴數(shù)量時(shí)液滴蒸發(fā)距離與蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨噴嘴數(shù)量增加，液滴在煙氣中的蒸發(fā)時(shí)間和距離均減少；

圖2 噴嘴數(shù)量對(duì)液滴軌跡的影響Fig.2 Effect of nozzle number on droplet trajectory

液滴顆粒向上運(yùn)動(dòng)，未出現(xiàn)貼壁現(xiàn)象，相鄰噴嘴霧化噴出的液滴很少出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。增加噴嘴數(shù)量使每個(gè)噴嘴在單位時(shí)間內(nèi)霧化的廢水液滴質(zhì)量流量減少，液滴分布更加均勻，蒸發(fā)時(shí)間減少。

噴嘴數(shù)量對(duì)煙道煙氣溫度分布的影響如圖3所示，可知霧化液滴在煙氣內(nèi)吸收煙氣熱量升溫蒸發(fā)，使各噴嘴上方煙氣溫度降低，出現(xiàn)低溫區(qū)域，且低溫區(qū)域沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向進(jìn)一步擴(kuò)大，但各低溫區(qū)域并未重疊。各噴嘴射入的液滴僅吸收垂直于該噴嘴上方部分煙氣的熱量，不影響其他噴嘴噴入液滴的吸熱過程；噴嘴數(shù)量增多，噴嘴上方出現(xiàn)的低溫區(qū)域增大，但噴嘴上方煙氣平均溫度升高，最低溫度逐漸增大。

圖3 噴嘴數(shù)量對(duì)煙道煙氣溫度分布的影響Fig.3 Effect of nozzle number on flue gas temperature distribution

噴嘴數(shù)量對(duì)噴嘴中軸線溫度分布的影響如圖4所示，可知多噴嘴時(shí)，各噴嘴中軸線溫度分布類似。隨噴嘴數(shù)量增加，流場(chǎng)內(nèi)最低溫度逐漸升高，但最終不同噴嘴數(shù)量下的中心軸溫度基本相同。流場(chǎng)內(nèi)最低溫度的升高使煙氣與霧化液滴之間的平均溫差增大，霧滴與煙氣之間的對(duì)流換熱增強(qiáng)，加速了廢水霧滴的蒸發(fā)。由于脫硫廢水的總噴入量一致，最終煙氣達(dá)到相同溫度。

圖4 噴嘴數(shù)量對(duì)噴嘴中軸線溫度分布的影響Fig.4 Effect of the number of nozzle on the temperature distribution in the nozzle axis

不同噴嘴數(shù)量時(shí)，液滴的質(zhì)量流量和運(yùn)動(dòng)位置隨蒸發(fā)時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示(圖中括號(hào)內(nèi)數(shù)值分別表示蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離)。由圖5可知，液滴在煙氣中蒸發(fā)時(shí)，噴嘴數(shù)量越多，液滴質(zhì)量流量降幅越快；液滴運(yùn)動(dòng)速度與噴嘴數(shù)量幾乎沒有關(guān)系，不同噴嘴數(shù)量時(shí)，液滴速度幾乎相等，蒸發(fā)距離與蒸發(fā)時(shí)間正相關(guān)。在操作參數(shù)時(shí)，雙噴嘴比單噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間縮短了0.362 s、39.24%，蒸發(fā)距離縮短了3.99 m、40.61%，而4噴嘴比3噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間僅縮短了0.046 s、9.16%，蒸發(fā)距離僅縮短了0.40 m、7.34%。

圖5 不同噴嘴數(shù)下質(zhì)量流量和液滴位置隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of mass flow and position with time at different number of nozzles

2 影響因素分析

2.1 煙氣溫度的影響

當(dāng)噴嘴數(shù)量分別為1、2、3和4，煙氣溫度分別為120、150、180、210和240 ℃時(shí)，計(jì)算液滴的蒸發(fā)時(shí)間和距離，如圖6所示。

圖6 煙氣溫度對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響Fig.6 Effect of flue gas temperature on evaporation time and distance

由圖6可知，同一噴嘴數(shù)量時(shí)，煙氣溫度增加，增大了氣液溫差，氣熱換熱熱流密度增大，進(jìn)而降低了蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離；煙氣溫度相同時(shí)，隨噴嘴數(shù)量的增加，液滴蒸發(fā)時(shí)間降低、蒸發(fā)距離縮短，但蒸發(fā)時(shí)間和距離降幅減少；煙氣溫度為180 ℃時(shí)，雙噴嘴比單噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間縮短了0.253 s、38.3%，蒸發(fā)距離縮短了2.49 m、36.0%，而3噴嘴比4噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間僅縮短了0.017 s、4.67%，蒸發(fā)距離僅縮短了0.39 m、3.79%。

不同煙氣溫度和噴嘴數(shù)量時(shí)，霧化液滴總質(zhì)量流量與蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同煙氣溫度下質(zhì)量流量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化關(guān)系Fig.7 Variation of mass flow with evaporation time at different flue gas temperatures

增加噴嘴數(shù)量與升高煙氣溫度均會(huì)加速?gòu)U水液滴總質(zhì)量流量減少，加劇液滴蒸發(fā)，但液滴蒸發(fā)速度受煙氣溫度的影響較大。

2.2 煙氣流速的影響

對(duì)比不同噴嘴數(shù)量下，煙氣流速分別為為6、8、10、12和14 m/s時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間及蒸發(fā)距離的變化特性如圖8所示。

圖8 煙氣流速對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響Fig.8 Effect of flue gas flow rates on evaporation time and distance

由圖8可知，同一噴嘴數(shù)量時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間隨煙氣流速的增加而減小，單噴嘴下的液滴蒸發(fā)效果所受影響最大。煙氣流速一定時(shí)，噴嘴數(shù)量越多，液滴蒸發(fā)時(shí)間減小，但其減小幅度降低。煙氣流速為12 m/s時(shí)，雙噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間為0.525 s，比單噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間0.773 s減少了0.248 s、32.1%，而4噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間0.453 s，比3噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間0.478 s減少了0.025 s、5.11%。

不同煙氣流速下蒸發(fā)距離隨蒸發(fā)時(shí)間的變化關(guān)系如圖9所示。液滴的運(yùn)動(dòng)速度主要受煙氣流速的影響，與噴嘴數(shù)量關(guān)系不大。單噴嘴時(shí)，由于總蒸發(fā)時(shí)間變動(dòng)幅度較大，在蒸發(fā)時(shí)間和煙氣速度的共同影響下，隨煙氣流速增加，蒸發(fā)距離先減小后增大，煙氣流速為10 m/s時(shí)，蒸發(fā)距離最短9.85 m；多噴嘴時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間變動(dòng)幅度很小，煙氣流速起主導(dǎo)作用，煙氣流速增加，液滴所受曳力增大，速度增大，運(yùn)動(dòng)距離增大。

圖9 不同煙氣流速下蒸發(fā)距離隨蒸發(fā)時(shí)間的變化關(guān)系Fig.9 Variation of evaporation distance with evaporation time at different flue gas flow rates

2.3 煙氣含水量的影響

煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、15%和20%時(shí)，計(jì)算不同噴嘴數(shù)量時(shí)液滴蒸發(fā)時(shí)間和距離，如圖10所示。

圖10 煙氣含水量對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響Fig.10 Effect of flue gas vapor contents on evaporation time and distance

由圖10可知，相同噴嘴數(shù)量時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離隨煙氣含水量的增加而增大，尤其單噴嘴受煙氣含水量影響較大。噴嘴數(shù)目為4，煙氣含水量從0增至20%時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間由0.375 s增至0.544 s，增加了約44.91%，蒸發(fā)距離由4.15 m增至5.85 m，增加了約41.0%。單噴嘴時(shí)，液滴在煙氣含水量由0增至20%時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間由0.584 s增至1.051 s, 增加了約80.0%，蒸發(fā)距離由6.273 0 m增至11.519 1 m，增加了約83.6%。

煙氣含水量相同時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離隨噴嘴數(shù)目的增多而減少，但隨噴嘴增多，降幅減小。煙氣含水量為10%時(shí)，4噴嘴時(shí)的蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離分別為0.458 s、5.05 m,單噴嘴蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離分別為0.921 s、9.85 m,蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離分別縮短了0.463 s和4.80 m，相比此含水量下3噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間0.496 s和蒸發(fā)距離5.46 m，則減小了約0.038 s和0.41 m。

2.4 液滴初始平均粒徑的影響

液滴初始平均粒徑分別為20、50、80、110和140 μm時(shí)，不同噴嘴數(shù)量下，液滴蒸發(fā)時(shí)間及蒸發(fā)距離的變化特性如圖11所示。

圖11 液滴初始平均粒徑對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響Fig.11 Effect of initial average droplet sizes on evaporation time and distance

由圖11可知，液滴初始平均粒徑對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離有較大影響，不同平均粒徑下的液滴蒸發(fā)趨勢(shì)相同。4噴嘴時(shí)，液滴初始平均粒徑由20 μm增大到50 μm時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離分別增加了0.164 s和1.76 m；當(dāng)液滴初始平均粒徑由110 μm增大到140 μm時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離分別增加了0.125 s和1.36 m。不同噴嘴數(shù)量時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離隨液滴初始粒徑的變化趨勢(shì)一致，蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離隨噴嘴數(shù)量的增加而減少，且隨噴嘴數(shù)量的增加，其減少幅度降低。當(dāng)液滴粒徑為110 μm時(shí)，雙噴嘴比單噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間減少了0.285 s，蒸發(fā)距離減小1.40 m；4噴嘴比3噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間僅減少了0.042 s，蒸發(fā)距離僅減少了0.382 m。

不同初始液滴平均粒徑下液滴質(zhì)量流量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化如圖12所示，可知粒徑越小、噴嘴數(shù)量越多，液滴質(zhì)量流量下降越快，液滴蒸發(fā)速度越快。相同平均粒徑下，噴嘴數(shù)量越多，液滴蒸發(fā)速度越快，總質(zhì)量流量降幅增大；噴嘴數(shù)量一定時(shí)，隨平均粒徑的增大，液滴蒸發(fā)速度減慢，總質(zhì)量流量下降減慢。液滴粒徑?jīng)Q定了液滴比表面積，粒徑越小，相對(duì)比表面積越大，從而與煙氣之間的相對(duì)接觸面積較大，對(duì)流換熱效果增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)液滴吸收的煙氣熱量增多，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的液滴數(shù)目增多。

圖12 不同初始液滴平均粒徑下液滴質(zhì)量流量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化Fig.12 Variation of droplet mass flow rate with evaporation time at different initial average droplet sizes

2.5 液滴初始速度的影響

對(duì)比不同噴嘴數(shù)量下，液滴初始速度分別為5、10、15、20和25 m/s時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間及蒸發(fā)距離的變化特性，模擬結(jié)果如圖13所示。

圖13 液滴初始速度對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響Fig.13 Effect of droplet velocities on evaporation time and distance

由圖13可知，同一噴嘴數(shù)量時(shí)，液滴初始速度的增加使液滴蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離減小，加強(qiáng)了氣液兩相之間的擾動(dòng)，雷諾數(shù)增大，對(duì)流傳熱傳質(zhì)效果加強(qiáng)。雙噴嘴時(shí)，液滴速度由5 m/s增至25 m/s時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間由0.642 s降為0.531 s，蒸發(fā)距離由6.57 m減至4.45 m。液滴初始速度相同時(shí)，隨噴嘴數(shù)量增多，液滴蒸發(fā)時(shí)間和距離均減少，但減少的幅度逐漸縮小。當(dāng)液滴速度為20 m/s時(shí)，雙噴嘴與單噴嘴相比，蒸發(fā)時(shí)間減少了0.370 s，蒸發(fā)距離減小3.99 m；4噴嘴比3噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間僅減少了0.036 s，蒸發(fā)距離減小了0.335 m。

2.6 液滴初始溫度的影響

對(duì)比不同噴嘴數(shù)量下，液滴初始溫度分別為30、40、50、60和70 ℃時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間及蒸發(fā)距離的變化特性，模擬結(jié)果如圖14所示。

圖14 液滴初始溫度對(duì)蒸發(fā)時(shí)間及距離的影響Fig.14 Effect of droplet temperatures on evaporation time and distance

由圖14可知，同一噴嘴數(shù)量時(shí)，液滴初始溫度的增加使液滴蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離減小，且單噴嘴時(shí)液滴蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離降幅最大。隨噴嘴數(shù)量的增多，液滴蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離降幅逐漸減小。3噴嘴下，液滴初始溫度由30 ℃增至70 ℃時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間由0.518 s減為0.475 s，蒸發(fā)距離由5.57 m縮至5.36 m。液滴初始溫度相同時(shí)，液滴的蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離隨著噴嘴數(shù)量的增多而縮小，但降幅逐漸減小。當(dāng)液滴初始溫度為60 ℃時(shí)，雙噴嘴比單噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間減少了0.369 s，蒸發(fā)距離減小了3.89 m；4噴嘴比3噴嘴的蒸發(fā)時(shí)間僅減少了0.05 s，蒸發(fā)距離減小了0.39 m。

3 結(jié) 論

1)增加尾部煙道內(nèi)霧化噴嘴數(shù)量可使噴出的廢水液滴分布更均勻，液滴在煙道上方垂直向上運(yùn)動(dòng)，較少向四周擴(kuò)散；在噴嘴上方出現(xiàn)低溫區(qū)域，隨噴嘴數(shù)量增多，低溫區(qū)域總面積擴(kuò)大，但不重疊，平均溫度和最低溫度均升高。

2)煙氣和液滴性質(zhì)相同時(shí)，噴嘴數(shù)量的增多使霧化液滴蒸發(fā)速度加快，蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離減小，然而噴嘴數(shù)量增多對(duì)減少蒸發(fā)時(shí)間、縮短蒸發(fā)距離的作用逐漸減弱；液滴運(yùn)動(dòng)速度受噴嘴數(shù)量影響較小，不同噴嘴數(shù)量時(shí)，液滴運(yùn)動(dòng)速度幾乎相等。

3)噴嘴數(shù)量相同時(shí)，煙氣溫度升高、含水量降低，液滴平均粒徑減少、初始速度和初始溫度增加均會(huì)增大液滴蒸發(fā)速度，蒸發(fā)時(shí)間減小，蒸發(fā)距離縮短。煙氣流速增加可減少液滴蒸發(fā)時(shí)間，但液滴蒸發(fā)距離還受噴嘴數(shù)量影響。單噴嘴時(shí)，蒸發(fā)距離先減小后增大，當(dāng)煙氣流速為10 m/s時(shí)，蒸發(fā)距離最短為9.85 m，多噴嘴時(shí)，液滴蒸發(fā)距離不斷減少。