330 MW機組脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥技術數值模擬與應用示范

王曉焙，耿 宣，羅天翔，白 璐，陳 武，楊林軍

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330 MW機組脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥技術數值模擬與應用示范

王曉焙1，耿 宣2，羅天翔3，白 璐1，陳 武1，楊林軍1

（1.東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096； 2.中國華電科工集團有限公司，北京 100160；3.江蘇翔樂環境科技有限公司，江蘇 南京 210012）

以某330 MW燃煤機組旁路煙道安裝的脫硫廢水噴霧干燥塔為研究對象，使用ANSYS ICEM、Fluent軟件對干燥塔內傳熱傳質過程進行數值模擬，并對應用示范結果進行了分析。結果表明：不同工況下，噴霧干燥塔內溫度場、流場分布良好，氣、液傳熱傳質主要集中在塔軸心；干燥后，脫硫廢水中的Cl–轉移到固體產物中，處理難度降低；脫硫廢水在高溫煙氣中蒸發，減弱了高比電阻粉塵反電暈，促進了顆粒物聚集長大并被靜電除塵器捕集。采用旁路煙氣干燥技術實現脫硫廢水零排放，運行效果良好。

330 MW機組；脫硫廢水；零排放；旁路煙道；噴霧干燥；干燥塔；傳熱傳質；數值模擬；應用示范

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術是目前應用最廣泛的煙氣脫硫技術，但該技術在運行過程中，煙氣中的氯化氫、顆粒物、重金屬等污染物會不斷在脫硫漿液中富集，造成設備腐蝕、脫硫效率下降等問題[1-2]，因此，每隔一段時間需更換排出一定量的脫硫廢水。但是，由于水質的特殊性，脫硫廢水的處理難度較大[3-5]。

目前，脫硫廢水零排放技術逐漸成為研究熱點，其主要實現方式有蒸發結晶技術、主煙道蒸發技術以及旁路煙道噴霧干燥蒸發技術等[6-7]。蒸發結晶技術盡管可以實現水資源的回收利用和鹽分的結晶析出，但仍然存在投資運行費用高、脫硫廢水預處理要求高等問題。主煙道蒸發技術通過雙流體霧化噴嘴直接將脫硫廢水噴入除塵器前的入口煙道進行蒸發處理，該技術工藝簡單，投資運行成本低，但存在煙道腐蝕、污染物沉積等風險。旁路煙道噴霧干燥蒸發技術則是將脫硫廢水通過旋轉霧化器霧化成粒徑幾十微米的霧滴噴入干燥塔內，抽取部分空氣預熱器前熱煙氣作為熱源，在噴霧干燥塔內將廢水蒸發，從而實現脫硫廢水零排放。與傳統蒸發結晶法相比，噴霧干燥蒸發技術具有系統簡單、運行可靠、投資費用低等優點。日本三菱重工通過對比分析蒸發結晶、主煙道蒸發、噴霧干燥蒸發技術，認為噴霧干燥技術最具市場競爭力[8]。

諸多國內外學者針對脫硫廢水零排放技術開展了數值模擬及實驗研究：Liang等人[9]通過試驗研究了燃煤電廠脫硫廢水液滴蒸發結晶特性與升溫速率、粒徑的關系，指出升溫速率越高，鹽分蒸發和結晶速率越高，水分蒸發隨著液滴體積的增加而增加，但結晶速率降低；Deng等人[10]研究了煙道中脫硫廢水蒸發與管道長度、直徑、煙氣溫度的關系及對下游設備的影響，結果表明，較長的管道、較小的直徑和較高的煙氣溫度有助于提高蒸發率，而且對除灰效率有積極影響，對靜電除塵器（ESP）、煙氣換熱器和濕法煙氣脫硫（WFGD）系統無任何負面影響；張子敬等[11]研究了噴霧液滴平均粒徑、傳熱傳質過程，獲得了噴霧液滴加熱、完全蒸發的關鍵控制步驟取決于液滴表面蒸汽氣相組分濃度與煙氣中蒸汽氣相組分濃度之差的結論；馬雙忱等[12]研究了不同噴射角度、煙氣溫度、煙氣速度對單一粒徑顆粒蒸發特性的影響，結果表明，當噴霧方向與煙氣運動方向垂直時，液滴與煙氣對流傳熱強度最大，因此蒸發最完全。

然而，脫硫廢水在噴霧干燥塔內的噴霧蒸發與主煙道內的噴霧蒸發過程存在差異，需要對其進行研究。對此，本文以某330 MW燃煤機組新建的脫硫廢水噴霧干燥零排放示范工程為研究對象，采用Fluent軟件模擬噴霧干燥塔內的速度場、溫度場分布，并對應用示范結果進行分析，考察干燥產物的形貌特征及成分組成，為脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥零排放處理技術的推廣應用提供基礎數據。

1 數值建模

1.1 物理模型

對某330 MW燃煤機組脫硫廢水噴霧干燥塔進行物理建模并使用ICEM進行網格劃分，如圖1所示。采用非結構網格方式，并對噴嘴、煙氣進出口、熱風分布器等結構進行部分網格加密，劃分的網格數量為500萬。為了驗證網格的獨立性，改變網格數目為300萬、800萬，計算發現網格數目對模擬結果并無顯著影響。考慮到計算時間以及精度，本文選用網格數量為500萬。

1.2 數學模型

采用Fluent內嵌的DPM模型（即歐拉-拉格朗日離散相模型）來模擬脫硫廢水噴入干燥塔的蒸發過程，由于脫硫廢水中水的占比達95%以上，而固體顆粒物及鹽分占比不足5%，故可以采用水的比熱容代替脫硫廢水的比熱容進行近似計算[13-14]，并將水分液滴作為離散相，熱煙氣作為連續相。模擬計算中霧化噴嘴位于距塔頂1.6 m的位置，由于Fluent沒有旋轉霧化器模型，根據Fluent的內嵌模型及本模型的結構特點，對霧化盤重新建模，將霧化盤壁面設為旋轉壁面，轉速為12 000 r/min。煙氣入口條件為速度入口，出口條件為壓力出口，壁面采用標準壁面函數，液滴觸碰壁面為閃蒸模型。液滴顆粒采用雙模型建模，平均粒徑50mm，最小粒徑1 μm，最大粒徑100mm。壁面條件選擇標準壁面函數，煙氣為O2、H2O、N2、CO2等氣體按實際煙氣比例混合，使用SIMPLE算法求解。首先使用穩態求解器求解連續相，然后求解離散相。不同工況下廢水處理量及煙氣耗量見表1。

表1 不同工況下廢水處理量及煙氣耗量

此外，在模擬噴霧干燥塔內液滴蒸發過程中，還進行了以下假設：1）煙氣視為定常、不可壓縮氣體；2）噴霧干燥塔外壁面由于有保溫棉包裹，定義壁面為對流傳熱，傳熱系數為0.921 3 W/(m2·K)[15]；3）脫硫廢水在蒸發過程中保持球形，使用球形液滴的曳力模型[16-17]；4）忽略煙氣對液滴的輻射傳熱；5）液滴碰到壁面閃蒸，且忽略顆粒之間的互相碰撞與破碎；6）忽略煙氣中的顆粒及廢水中的鹽分對液滴蒸發的影響。

脫硫廢水液滴粒徑小，可認為液滴的溫度分布均勻，不考慮內部熱量傳遞。液滴在高溫煙氣中的蒸發分為3個階段：

1）當液滴溫度低于液滴表面蒸發溫度時，液滴與煙氣之間只存在傳熱，不存在傳質，此傳熱過程方程式為

2）當液滴經過加熱，溫度達到蒸發溫度又低于沸騰溫度時，其吸收的熱量用于自身溫度升高以及蒸發，此過程方程式為

式中fg為汽化潛熱，J/kg。

液滴的蒸發速度由梯度擴散決定，具體公式為

式中：N為蒸汽摩爾流率，mol/(m2·s)；k為傳質系數，m/s，由努塞爾數決定，見式(4)；C,s為液滴表面蒸汽濃度，mol/m3；C,∞為煙氣中蒸汽濃度，mol/m3。

3）當液滴的溫度達到沸騰溫度時，其傳熱傳質公式為

式中：∞為煙氣導熱系數，W/(m·K)；c,∞為煙氣比熱容，J/(kg·K)；p為液滴直徑，m。

2 結果及討論

2.1 噴霧干燥塔內氣相速度場

不同工況下噴霧干燥塔內不同位置處的煙氣速度變化如圖2所示。

由圖2a)可以看出，不同工況下，煙氣速度沿噴霧干燥塔軸向距離的變化趨勢相近，即隨軸向距離的增加，煙氣速度迅速增大，至距離塔頂5 m處達到峰值20 m/s，然后緩慢降低。這主要是由于熱煙氣進入塔內后逐漸覆蓋到噴嘴下方，使得此處的速度迅速上升，由于阻力的存在，熱煙氣速度在塔內逐漸減小，保證熱煙氣與脫硫廢水液滴有足夠的接觸時間，使其能夠完全蒸發。

由圖2b)可以看出：在噴霧干燥塔距塔頂2 m的橫截面上，煙氣平均速度在塔中心線左側1 m外變化不大，均小于2.5 m/s；從1 m到0.4 m處迅速增大，隨后又逐漸減小；隨著橫截面距塔頂距離的增加，煙氣平均速度的曲線分布由雙峰變成了單峰，這可能是因為在煙氣量不變的情況下，熱煙氣經過較狹小的氣體分布器進入噴霧干燥塔內后速度增大，形成慣性，而2 m處軸心速度比氣體分布器出口處的速度小，由于熱煙氣還未擴散開，尚未影響到軸心；隨著距塔頂位置越來越遠，熱煙氣向中間靠攏，速度峰值由2個變為1個，速度由于阻力而逐漸減小。

2.2 噴霧干燥塔內氣相溫度場

不同工況下，噴霧干燥塔內不同位置處的煙氣溫度變化情況如圖3所示。

由圖3a)可以看出：不同工況下，噴霧干燥塔內煙氣溫度沿軸向變化趨勢相近；熱煙氣進入塔內與霧化脫硫廢水液滴混合，溫度在距塔頂3.2 m處降到最低值；隨著廢水液滴逐漸蒸發完成，煙氣溫度逐漸上升，最后逐漸趨于平緩。

由圖3b)可以看出：在噴霧干燥塔距塔頂2 m處的橫截面上，煙氣平均溫度在中心線左側1.2 m以上變化不大，而在1.2 m到0.8 m處迅速升高，隨后在0.8 m到中心線處又迅速降低，這可能是由于熱煙氣剛進入噴霧干燥塔時的溫度比塔內溫度高，流經之處溫度增大，與脫硫廢水液滴接觸后，由于液滴蒸發吸熱使得溫度急劇降低至350 K左右；隨著距塔頂距離的增大，中心線處的溫度逐漸上升且趨于平緩。

為了驗證數值模擬的準確性，將采集得到的噴霧干燥塔進、出口煙氣溫度與數值模擬得到的溫度進行對比，結果見表2。由表2可以看出，各工況下模擬所得溫度與干燥塔實際溫度誤差均小于1%，說明本文模型能較好地反映噴霧干燥塔內煙氣的實際換熱及運動情況。

表2 不同工況下噴霧干燥塔進、出口溫度及誤差

Tab.2 The simulated and actually measured inlet/outlet temperatures and their errors at different loads

3 應用示范裝置及分析測試方法

3.1 應用示范裝置

圖4為某330 MW燃煤機組脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥系統示意，該系統的額定廢水處理量為6 t/h。脫硫廢水經旋轉霧化器霧化，并將SCR脫硝反應器與空氣預熱器間的熱煙氣（573~628 K）作為熱源，在噴霧干燥塔內進行蒸發。

圖4 330 MW燃煤機組脫硫廢水噴霧干燥系統示意

3.2 分析測試方法

依據《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996）和《固定污染源廢氣低濃度排放監測技術規范》（DB37/T 2706—2015），采用青島嶗山電子儀器總廠有限公司生產的WJ-60B型皮托管平行全自動煙塵采樣器檢測粉塵質量濃度，采用煙氣水分儀（HMS545P）檢測煙氣水汽含量，采用能譜分析儀（EDS，INCA x-act）和X-射線衍射儀（XRD，D/MAX-rA）檢測固體顆粒物的形貌和元素組成。

4 應用示范結果

脫硫廢水經煙氣干燥后的固體顆粒物主要采用靜電除塵器（ESP）收集，而靜電捕集效率受顆粒濃度、煙氣水汽含量影響較大。

對噴霧干燥塔進、出口煙氣總塵質量濃度及含水率進行測試，結果見表3。

表3 噴霧干燥塔進出口固體顆粒物質量濃度及含水率

Tab.3 The solid particle concentration and water content of spray drying tower

由表3可見：不同工況下塔出口總塵質量濃度下降了20%~40%，這主要是由于煙氣在噴霧干燥塔內作旋轉運動，噴霧干燥塔具有類似旋風分離器的作用，大量固體顆粒物由于重力及離心作用被沉降至塔底而排出；經噴霧干燥塔干燥后，塔出口煙氣中水汽含量上升了1%~2%，煙氣濕度的增加，在一定程度上可以防止和減弱高比電阻粉塵的反電暈；通過常壓熱干燥法，得到干燥塔下方干燥產物的含水率小于2%，表明干燥效果良好，符合設計要求。

此外，為考察脫硫廢水噴霧蒸發對飛灰形貌的影響，采集干燥塔進、出口煙氣中的固體顆粒物并進行掃描電鏡分析，結果如圖5所示。由圖5可見，干燥塔進口煙氣中的固體飛灰顆粒物主要為表面光滑且相互獨立的球體，而出口煙氣中干燥產物發生了較為明顯的團聚現象，形成表面粗糙多孔的較大的團聚物。

圖5 噴霧干燥塔進、出口煙氣固體顆粒物SEM掃描結果

基于EDS和XRD測試方法，分析采集的固體顆粒物的成分組成，結果見表4、圖6。

表4 噴霧干燥塔進、出口煙氣中固體顆粒物主要元素組成

Tab.4 The analysis of main elements of solid particles w/%

由表4可以看出：相比于噴霧干燥塔進口，塔出口煙氣中的固體顆粒物中的S、Cl等元素質量分數明顯增加，Ca、Mg、K、Na等元素質量分數也有不同程度增加；增加的元素種類及質量分數與脫硫廢水中所含離子種類基本一致。由圖6可以看出，塔出口煙氣中的固體顆粒物主要以3Al2O3·2SiO2、Al2O3、SiO2、CaSO4·0.5H2O、KCl等形式存在。

圖 6 噴霧干燥塔出口煙氣中固體顆粒物XRD譜圖

根據上述結果，結合文獻[18]可以得出：脫硫廢水中的Cl–轉移到了固體顆粒物中，處理難度降低；脫硫廢水蒸發后，部分固體顆粒物沉降至塔底被提前收集，減少了除塵器工作量，而且在一定程度上減弱了高比電阻粉塵反電暈，促進了固體顆粒物的團聚長大，提高了靜電除塵器的除塵效率，所以噴霧干燥技術不會對除塵器帶來不利影響。

5 結 論

1）不同工況下，噴霧干燥塔內溫度場、流場分布良好，氣液傳熱傳質主要集中在塔軸心。

2）經干燥后，脫硫廢水中的Cl-轉移到了固體顆粒物中，解決了脫硫廢水Cl-難處理的問題；脫硫廢水在高溫煙氣中的蒸發減弱了高比電阻粉塵反電暈并促進了顆粒物的聚集長大，有利于固體產物被靜電除塵器捕集。

3）采用旁路煙氣干燥技術實現脫硫廢水零排放，噴霧干燥塔內固體產物含水率低，干燥良好，對主機運行無負面影響。

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Numerical simulation and application demonstration of bypass flue spray drying technology for desulfurization wastewater of a 330 MW unit

WANG Xiaobei1, GENG Xuan2, LUO Tianxiang3, BAI Lu1, CHEN Wu1, YANG Linjun1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion Control of the Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. China Huadian Engineering Co., Ltd., Beijing 100160, China; 3. Jiangsu Xiangle Environmental Technology Co., Ltd., Nanjing 210012, China)

Taking the desulphurization wastewater spray drying tower installed in bypass flue of a 330 MW coal-fired power plant as the research object, the ANSYS ICEM and Fluent software were used to simulate the heat and mass transfer process in the drying tower. Moreover, the application demonstration results were analyzed. The results show that, under different working conditions, the temperature field and flow field in the spray drying tower are well distributed. The gas-liquid heat and mass transfer mainly concentrates in the tower's axial direction. The Cl– in the desulfurization wastewater migrated into the solid products, which decreased the treatment difficulty. The desulfurization wastewater evaporated in the high-temperature flue gas, which reduced the high specific resistance dust anti-corona and promoted the accumulation of particulate matters, thus the large size particles can be captured easily by the electrostatic precipitator. The bypass flue gas drying technology has good operation effect for realizing zero discharge of the desulfurization wastewater.

330 MW unit, desulfurization wastewater, zero discharge, bypass flue, spray drying, drying tower, heat and mass transfer, numerical simulation, application demonstration

Project of China Huadian Engineering Co., Ltd. (CHEC.EP-CP-004-9-SC-S01)

王曉焙(1993—)，男，碩士研究生，主要研究方向為脫硫廢水零排放技術，wangxiaobei0917@163.com。

TK09；X703.1

B

10.19666/j.rlfd.201901013

王曉焙, 耿宣, 羅天翔, 等. 330 MW機組脫硫廢水旁路煙道噴霧干燥技術數值模擬與應用示范[J]. 熱力發電, 2019, 48(6): 96-101. WANG Xiaobei, GENG Xuan, LUO Tianxiang, et al. Numerical simulation and application demonstration of bypass flue spray drying technology for desulfurization wastewater of a 330 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 96-101.

2019-01-11

中國華電科工集團有限公司資助項目(CHEC.EP-CP-004-9-SC-S01)

楊林軍(1967—)，男，博士，教授，主要研究方向為PM2.5排放控制、脫硫廢水零排放及燃煤有機物污染控制技術，ylj@seu.edu.cn。

（責任編輯 李園）