一種具有負荷適應性的波紋板除霧器

洪文鵬

(東北電力大學能源與動力工程學院)

目前，大部分火力發電廠脫硫系統采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，取消了氣氣熱交換器(Gas Gas Heater，GGH)裝置，直接將凈煙氣從煙囪排出，形成濕煙囪排放方案。無GGH裝置的脫硫系統投產后，雖然有效避免了GGH的堵塞問題，但由于無煙氣再熱措施，排煙溫度較低，煙氣自煙囪口排出后不能有效地抬升、擴散到大氣中，煙氣中攜帶的粉塵和液滴聚集在煙囪附近，落到地面形成石膏雨或出現酸雨現象。近年來，大型火電機組參與電網調峰，而現有的固定結構除霧器難以適應負荷大幅波動帶來的煙氣流量的劇烈突變，容易導致除霧效率下降。因此，分析除霧器在不同煙氣流量下的性能，研究提高除霧效率的方法具有重要的理論與現實意義。

筆者以濕法煙氣脫硫系統中帶鉤波紋板除霧器為研究對象，采用數值模擬技術求解鉤片直段長度H、鉤片圓弧段半徑r及鉤片圓弧段轉折角度β等因素對除霧器性能的影響[1]。提出了一種鉤片偏轉角度可調的高效帶鉤波紋板除霧器。采用數學建模及數據擬合等方法，建立機組負荷及燃料成分等參數與除霧器鉤片偏轉角度的關系[2]，并在此基礎上提出了除霧器的優化運行方法。

1 模擬對象與簡化假設

1.1模擬對象

濕法煙氣脫硫過程如圖1所示，噴淋塔上部設置噴淋層，噴淋后的石膏漿液進入下部的反應池，吸收液由漿液循環泵進行循環，噴嘴將吸收液分散成1～3mm的液滴并沿塔向下噴灑，煙氣由塔的下部引入，以一定速度向上流動，以此經過冷卻區和吸收區，氣液兩相逆流接觸傳熱傳質，吸收后的尾氣經由除霧器后從塔頂排出[3，4]。筆者以除霧區的帶鉤波紋板除霧器作為研究對象。

圖1 石灰石-石膏濕法噴淋脫硫過程示意圖

模擬帶鉤波紋板除霧器的結構如圖2所示，除霧器葉片轉折角β=90°，鉤片偏轉角度α=45°，第一、二級除霧器板間距分別為35、25mm。參考工程應用情況[1]，筆者對鉤片直段長度H、鉤片圓弧段半徑r和鉤片圓弧段轉折角度β對除霧器特性的影響進行數值模擬研究。

圖2 除霧器結構與計算區域網格劃分

1.2模型假設與簡化

根據實際WFGD工程的運行環境和滿足工程要求的條件，對除霧器內煙氣與液滴兩相流動狀況做假設和簡化[5，6]：除霧器簡化為二維流動；不考慮漿液滴的碰撞聚并與液滴的破碎；液滴視為均勻硬質球形；不考慮二次夾帶作用的影響。

2 數學模型與計算方法

2.1計算區域與網格劃分

計算區域采用結構化網格，由于鉤片附近流場變化比較劇烈，因而在鉤片所在的區域網格劃分應細密一些。經過網格精度無關化驗證后，劃分網格總數約67 000，除霧器的網格劃分如圖2所示。

2.2數學模型

2.2.1煙氣流場控制方程

采用歐拉法將煙氣處理為連續相并對其進行描述。基于上述假設與簡化，不可壓縮煙氣流場的連續性控制方程可表示為：

div(V)=0

(1)

動量守恒控制方程為：

(2)

(3)

(4)

式中Fx、Fy、Fz——漿液滴對煙氣流場的反作用力，N；

p——壓力，Pa；

V——煙氣速度，m/s；

u、v、w——煙氣在x、y、z方向上的速度，m/s；

ρ——煙氣密度，kg/m3。

采用時均方法將式(2)～(4)處理為雷諾平均Navier-Stokes方程。根據除霧器通道內煙氣流動湍流實際情況，采用低雷諾數k-ε模型來模擬除霧器內的湍流流動。

2.2.2液滴顆?？刂品匠?/p>

由于石膏液滴的體積分數遠小于10%，因此，采用拉格朗日法來描述液滴的運動較精確[7]，即選用離散相顆粒軌道模型來跟蹤液滴運動。液滴受到諸如重力、熱泳力及Saffman力等的作用，筆者主要考慮重力和曳力對液滴的作用[8]。根據液滴在煙氣流場中的受力分析，液滴運動方程可表示為：

(5)

式中FD(u-up)——液滴的單位質量曳力；

Fx——熱泳力、布朗力及Saffman升力等作用力；

gx(ρp-ρ)/ρp——顆粒在運動中受到的重力和浮力。

2.3模型的邊界條件

計算平臺采用Fluent 14.0軟件，用Gambit軟件生成網格。連續相方面，介質為密度1.1 kg/m3、動力粘度19.548 6μPa·s的空氣，假設氣相在入口截面的速度均勻分布，出口表壓0Pa[9，10]；離散相方面，介質為密度1 200kg/m3、動力粘度54.9mPa·s的脫硫循環漿液，給定液滴的初始速度與煙氣入口速度一致，液滴在入口截面上均勻分布[11]。

3 數值模擬結果與分析

3.1數值計算結果準確性驗證

參考楊柳的實驗數據[12]，將模擬結果與實驗結果進行對比，以驗證文中數值模型的準確性。以實驗中采用的板型尺寸、煙氣流速V及霧滴粒徑d等參數作為模擬參數，如圖3所示，實驗結果與模擬結果符合較好，表明文中的模擬計算可以用于除霧器性能的模擬研究。

圖3 計算結果與實驗數據的比較

3.2結構參數對除霧器效率的影響

隨著鉤片直段長度H的增加，除霧器效率呈現升高趨勢(圖4a)。原因是鉤片直段長度的增加會使氣流在通道內發生劇烈偏轉，致使液滴在慣性力的作用下脫離連續相的流線直接撞擊鉤片表面的幾率增加，導致除霧效率上升。一方面鉤片可以直接攔截一定量的液滴，另一方面可以使攜帶液滴的煙氣加速，從而增加離心慣性力。鉤片直段長度直接關系到鉤片間通道攔截氣流的程度，使得除霧器通道內湍流程度加劇，流場內擾動的增強會提高除霧效率。相同的，圓弧段轉折角度β和圓弧段半徑r的增大也會增加鉤片對葉片通道間的攔截面積，從而使除霧效率呈現上升趨勢(圖4b、c)。

3.3結構參數對壓力損失的影響

煙氣在折板式除霧器中流動時，會在流道彎曲的區域形成回流區。鉤片直段長度H的增加，使流道變得更加狹窄，氣流在通流面積減小時速度增大，離心力隨之呈平方增大，以致產生更大的漩渦。每一個回流區都會阻塞通道，使得主流加速，引起靜壓減小。隨著流道變寬、流體的逐漸減速和回流區下游的再附著，壓力會逐漸恢復，但是由于能量的耗散，壓力無法完全恢復，造成壓力損失。鉤片直段長度H對除霧器內擾動影響最為明顯，隨著H的增加，壓力損失迅速上升(圖5a)。同樣，圓弧段轉折角度β和圓弧段半徑r的增加，也會引起壓力損失的上升(圖5b、c)。三者的結構參數關系到除霧器通道內的局部壓力損失，對除霧器總壓降貢獻較大。

圖4 不同結構參數對除霧效率的影響

圖5 不同結構參數對壓力損失的影響

3.4高效帶鉤波紋板除霧器葉片

在兩級除霧系統組合中，總壓力損失不超過150Pa，為達到理想的除霧效率，選擇了兩種波紋板除霧器葉片的組合方式。第一級除霧器：H=22mm、β=35°、r=33mm、D=35mm。第二級除霧器：H=19mm、β=30°、r=34mm、D=25mm。

在額定煙氣流速下，液滴粒徑d不同時兩種除霧器的除霧效率η見表1，第一級除霧器的壓力損失為73.14Pa，第二級除霧器的壓力損失為68.96Pa。

表1 液滴粒徑不同時兩種除霧器的除霧效率

4 典型300MW機組除霧器鉤片偏轉角度的優化

4.1300MW機組系統基本參數

筆者針對某300MW亞臨界機組配備的WFGD系統開展除霧器的優化研究。該WFGD系統可在鍋爐負荷40%～100%之間安全連續運行。液滴的粒徑按照某電廠實測數據輸入，通過Ros-in-Rammler方法來模擬，液滴的最小粒徑為10μm，最大粒徑40μm，平均粒徑21μm，分布指數3.77。在保證鍋爐正常燃燒用氧的前提下，適當減小風量，用C語言自編程序求解機組不同負荷與煤種下的煙氣量，當燃用設計煤種(收到基碳、氫、氧、氮、硫、灰分、水分和低位發熱量分別為56.9%、4.4%、9.1%、1.2%、0.6%、14.8%、13.0%和22 415kJ/kg)時，額定工況下WFGD入口煙氣量為310m3/s，實際煙氣量與機組負荷之間的關系如圖6所示。

圖6 機組燃用設計煤種時煙氣量隨負荷的變化

4.2鉤片可調與固定結構除霧器性能的對比

鉤片角度確定的相關因素較多，為了獲得最佳方案，對不同結構參數除霧器進行了大量數值實驗。鉤片可調的除霧器模擬結果如圖7所示，與鉤片固定結構(鉤片偏轉角度α=45°)除霧器比較可見，流場得到了明顯的加速和擾動。

圖7 固定鉤片與可調鉤片除霧器的比較

鉤片與水平位置夾角(鉤片偏轉角度α)逐漸減小的過程中，鉤片呈現張開的趨勢，增加了攔截面積，從而使一部分液滴直接撞擊到鉤片上而被捕集。鉤片與葉片之間流道變得更加狹窄，使攜帶液滴的煙氣加速，提高了液滴捕集效率。與此同時，鉤片背弧處產生的回流區也在逐漸增大，引起較大的能量損失。并且從工程實施來看，鉤片角度調節在制造和安裝階段也相對困難。

4.3除霧器的優化運行

除霧器優化運行的思路是：保證煙氣壓力能克服除霧器阻力的前提下，每級除霧器壓力損失不大于75Pa，合理調整鉤片偏轉角度，從而提高除霧效率。表2為案例機組在部分機組負荷下第一級除霧器的最優運行方案(燃用設計煤種時)。

表2 燃用設計煤種時部分負荷下第一級除霧器最優運行方案

4.4運行優化結果

綜合以上計算結果，提出除霧器優化運行方案。圖8和表3分別給出了除霧器運行優化方案和運行優化效果，并與原方案進行對照。可以看出：在40%～100%負荷工況下，僅通過調節鉤片偏轉角度，除霧效率就可以平均提高4.10%，并且在負荷較低時，除霧效率提高明顯。

5 結論

5.1固定結構的除霧器不具有負荷適應性，隨著機組負荷的降低，除霧效率下降。改變鉤片直段長度、圓弧段半徑、圓弧段偏轉角度和鉤片偏折角度能夠對除霧器內氣液兩相流場進行調節，使之達到理想狀態，提高除霧效率。

圖8 原方案與優化方案的比較

機組負荷L%鉤片偏轉角度α/(°)效率提高值Δη/%第一級除霧器第二級除霧器第一級除霧器第二級除霧器9043441．470．328041422．161．397039401．311．116035391．341．815032372．961．374029345．433．66

5.2以300MW機組WFGD系統為例，當燃用設計煤種時，在40%～100%額定工況下，采用筆者提出的優化方法，除霧效率平均提高4.10%。但可調鉤片的制造和加裝在工程上相對困難。

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