脫硫塔除霧器安裝高度對(duì)煙氣攜液量影響的模擬研究

張雙平，陳偉雄，賈西部，袁園

（1.大唐西北電力試驗(yàn)研究院，陜西省 西安市 710021；2.動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，陜西省 西安市 710049）

0 引言

隨著大氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛，國內(nèi)在役的燃煤機(jī)組于 2017年年底已基本實(shí)現(xiàn)排放煙氣的超凈改造運(yùn)行。隨著環(huán)保設(shè)施運(yùn)行時(shí)間的延長，仍將會(huì)面臨各種不可預(yù)知的問題，因此，“節(jié)能降耗”將成為燃煤電廠在穩(wěn)定生產(chǎn)過程中的新課題[1-3]。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫作為一種運(yùn)行穩(wěn)定、脫硫效率高、運(yùn)行費(fèi)用低的工藝技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用[4-8]。某燃煤電廠由于燃用煤種發(fā)生變化，脫硫入口 SO2質(zhì)量濃度從 4.5 g/m3升高到 6 g/m3，通過增大脫硫石灰石漿液循環(huán)量的方式滿足排放要求，由于噴淋漿液增多，進(jìn)除霧器的煙氣攜帶的漿液液滴量增多，超過除霧器除霧能力(漿液液滴質(zhì)量濃度不超過15 g/m3)，導(dǎo)致運(yùn)行過程中存在周期性的除霧器阻力上升和結(jié)垢現(xiàn)象，造成除霧器局部坍塌。通過增大除霧器沖洗水量和減小進(jìn)入除霧器的漿液液滴量的方法能夠有效避免此問題再次發(fā)生。然而大量增加除霧器沖洗水會(huì)導(dǎo)致脫硫水平衡難以維持，因此，減少進(jìn)入除霧器的漿液液滴量成為緩解高硫煤電廠的除霧器阻力上升和結(jié)垢現(xiàn)象的有效手段。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)脫硫塔內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了廣泛的研究。曾芳等[9-10]對(duì)一種簡易的濕法脫硫噴淋塔進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并對(duì)脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。耿萍等[11]通過CFD軟件Fluent對(duì)濕法脫硫立式噴淋塔的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了噴淋塔的煙氣入口角度對(duì)流場(chǎng)內(nèi)煙氣分布的影響。趙喆等[12]對(duì)噴淋層運(yùn)行和停運(yùn)2種情況下出口截面煙氣速度分布的均勻性進(jìn)行了模擬研究。李樹華[13]模擬研究了運(yùn)行參數(shù)對(duì)脫硫噴淋塔的阻力和脫硫效率的影響。Katolicky等[14]在考慮液滴的蒸發(fā)以及液滴與煙氣之間的傳質(zhì)過程的影響下，對(duì)半干法煙氣脫硫的吸收過程進(jìn)行了模擬研究。Novosád等[15]對(duì)煙氣脫硫吸收塔中2種噴嘴類型和 4種不同噴嘴布置方式進(jìn)行了數(shù)值模擬。Carletti等[16]通過對(duì)石灰石溶解實(shí)驗(yàn)建立數(shù)學(xué)模型，分析并優(yōu)化濕法煙氣脫硫除塵器的運(yùn)行。Perales等[17]提出了一種適用于大規(guī)模生產(chǎn)控制的識(shí)別方法，能夠在大范圍控制條件下的濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中預(yù)測(cè)其動(dòng)力特性，分析試驗(yàn)裝置動(dòng)力特性過程的物理化學(xué)現(xiàn)象。

以上學(xué)者主要針對(duì)脫硫塔結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)及其對(duì)脫硫效率的影響進(jìn)行研究，對(duì)于煙氣對(duì)噴淋漿液的攜帶能力以及進(jìn)入除霧器的漿液液滴量研究比較缺乏。為解決某電廠的除霧器阻力上升和結(jié)垢，甚至造成除霧器局部坍塌的問題，本文通過數(shù)值模擬方法分析脫硫塔流場(chǎng)及其液滴的攜帶特性，研究除霧器距離噴淋層高度變化和噴淋霧化粒徑變化等因素對(duì)進(jìn)入除霧器的漿液液滴量的影響規(guī)律，為存在類似問題的國內(nèi)燃煤電廠提供理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型

1.1 邊界條件

本文選取速度入口和壓力出口邊界條件模擬研究脫硫塔內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)。其中，Discrete Phase Model (DPM)模型中邊界條件為：脫硫塔塔壁選取trap類型；脫硫塔入口及出口選取escape類型。表1為對(duì)脫硫塔數(shù)值模擬的相關(guān)計(jì)算參數(shù)，計(jì)算參數(shù)選取的是某電廠脫硫塔實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 脫硫塔數(shù)值模擬的相關(guān)計(jì)算參數(shù)Tab. 1 Relevant calculation parameters of numerical simulation for desulphurization tower

1.2 物理模型

圖1為脫硫塔結(jié)構(gòu)簡圖，煙氣進(jìn)入脫硫塔，與噴淋層霧化的漿液液滴充分接觸，煙氣中的SO2與噴淋漿液中的石灰石發(fā)生反應(yīng)并脫除。脫硫塔內(nèi)部物理化學(xué)反應(yīng)主要涉及如下幾部分：氣液多相流場(chǎng)分布；氣液之間的傳熱和傳質(zhì)；煙氣和漿液之間的脫硫化學(xué)反應(yīng)；噴淋液滴水分的蒸發(fā)；除霧器區(qū)域液滴的捕集。在模擬脫硫塔內(nèi)部流場(chǎng)的過程中，特對(duì)塔內(nèi)煙氣流動(dòng)作如下假設(shè)和簡化：將煙氣視為不可壓縮的牛頓流體，并以空氣代替；石灰石漿液用液態(tài)水代替，其碰到塔壁后貼壁流下，不與流場(chǎng)作用；不考慮漿液之間碰碎與聚并及對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響；忽略漿液池對(duì)煙氣、漿液的影響；液滴以球形狀態(tài)下落，不考慮液滴的蒸發(fā)。

圖1 脫硫塔結(jié)構(gòu)Fig. 1 Desulphurization tower structure

由于脫硫塔內(nèi)部煙氣對(duì)噴淋液滴具有攜帶作用，除霧器對(duì)煙氣攜帶的部分噴淋液滴捕集后，處理過的煙氣流經(jīng)脫硫塔出口，并通過煙囪排放至大氣。除霧器對(duì)煙氣攜帶噴淋液滴的捕集會(huì)增大除霧器自身重量，需要定期對(duì)除霧器進(jìn)行噴水沖洗。若吸收塔出口的煙氣攜帶液滴質(zhì)量濃度升高，則會(huì)加劇除霧器自身的運(yùn)行負(fù)荷。

1.3 數(shù)學(xué)模型

脫硫塔內(nèi)部流場(chǎng)十分復(fù)雜，存在著高強(qiáng)度湍動(dòng)的氣液兩相流，以及煙氣連續(xù)相和噴淋液滴顆粒離散相的相互耦合作用。選用合適的多相流模型和湍流模型，來分析脫硫塔內(nèi)部的煙氣流場(chǎng)以及煙氣對(duì)噴淋液滴的攜帶作用至關(guān)重要。本文采用Realizablek-ε湍流模型計(jì)算煙氣介質(zhì)連續(xù)相湍流流動(dòng)，DPM模型用于模擬噴淋漿液液滴氣液兩相耦合計(jì)算。

1.4 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本文利用Fluent 16.0 對(duì)噴淋脫硫塔內(nèi)部的氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用前處理器 ICEM網(wǎng)格劃分工具對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文所研究的煙氣脫硫塔計(jì)算區(qū)域下部及出入口結(jié)構(gòu)比較簡單，故采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。然而噴淋區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。分別通過1 753 264、2 740 749和3 501 482的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，選取脫硫塔內(nèi)部中心線上壓力進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，見圖2。由于2 740 749和3 501 482的網(wǎng)格數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果相同，綜合考慮計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算結(jié)果可靠性，最終選取2 740 749作為后續(xù)脫硫塔氣液兩相流動(dòng)的網(wǎng)格數(shù)。計(jì)算區(qū)域幾何模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證Fig. 2 Mesh generation and irrelevance validation

圖3 脫硫塔計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig. 3 Mesh generation of calculation zone for desulphurization tower

1.5 煙氣攜液高度理論分析模型

噴淋液滴在煙氣氣流作用下運(yùn)動(dòng)，主要受力為重力、浮力以及煙氣氣流對(duì)噴淋液滴的拽力。Turner等[18]在1969年提出了球形液滴模型(以下簡稱“Turner模型”)，并假設(shè)液滴在高速氣流攜帶下是球形。李閩等[19]認(rèn)為被高速氣流攜帶的液滴前后存在一個(gè)壓力差，在壓力差的作用下液滴會(huì)變成橢球體(以下簡稱“李閩模型”)，如圖 4所示。扁平橢球液滴具有較大的有效面積，更容易被攜帶到井口中，因此所需的臨界流速都會(huì)小于球形液滴模型的計(jì)算值。

圖4 扁平橢球液滴Fig. 4 Flat oval droplet

在臨界流狀態(tài)下，液滴相對(duì)于井筒保持不動(dòng)。液滴的重力等于浮力與阻力之和。李閩模型的計(jì)算公式[19]為

式中：ρ1為液滴的密度，kg/m3；ρg為煙氣的密度，kg/m3；vg為煙氣流速，m/s；v1為液滴的下降流速，m/s；V為液滴的體積，m3；S為液滴的垂直投影面積，m2；Cd為阻力系數(shù)，數(shù)值取1。

2 模擬過程與分析

2.1 除霧器特性與分析

除霧器自身的性能取決于煙氣流速。合理的煙氣流速是除霧器高效運(yùn)行的關(guān)鍵，過低的煙氣流速導(dǎo)致液滴的慣性降低，液滴的逃逸量增加；在過高的煙氣流速下，能夠攜帶更大尺寸的液滴，到達(dá)除霧器入口液滴質(zhì)量濃度增加，同時(shí)在除霧器本體內(nèi)被二次攜帶的液滴量也增加。除霧器對(duì)液滴的分離也有極限，這種極限是由液滴極限尺寸來定義，小于極限尺寸的液滴只能部分被分離。所有大于極限尺寸的液滴理論上可被100%分離，同時(shí)極限尺寸取決于除霧器自身的型式和煙氣流速。行業(yè)內(nèi)一般以小于20 μm的液滴質(zhì)量濃度進(jìn)行指標(biāo)控制，各種型式除霧器的理論運(yùn)行效率均在99%以上。除霧器的特性曲線如圖5、6所示。

圖5 除霧器液滴質(zhì)量濃度和煙氣流速的關(guān)系Fig. 5 Relationship between droplet mass concentration and flue gas velocity in mist eliminator

圖6 除霧器液滴極限尺寸和煙氣流速的關(guān)系Fig. 6 Relationship between droplet limit size and flue gas velocity in mist eliminator

2.2 液滴被攜帶的臨界煙氣流速

脫硫塔中噴淋液滴一般平均直徑在2 000 μm左右，本節(jié)選取噴淋液滴粒徑為1 500～2 500 μm，計(jì)算了各模型下不同液滴粒徑對(duì)應(yīng)的煙氣臨界流速，具體計(jì)算結(jié)果如圖7所示。目前普遍認(rèn)為李閩模型能夠作為相對(duì)可靠的臨界流速計(jì)算模型，因此研究將以李閩模型的模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析。噴淋液滴的臨界流速選取范圍為4.5～5.7 m/s。

圖7 各模型下不同噴淋液滴粒徑的臨界流速Fig. 7 Critical velocity of spraying droplet size under different models

2.3 安裝高度及噴淋霧化粒徑對(duì)除霧器自身負(fù)荷的影響

目前該電廠脫硫系統(tǒng)除霧器距離噴淋層高度為 2.0 m，脫硫塔漿液噴淋霧化粒徑一般服從 R-R分布。本文分別對(duì)除霧器距離噴淋層高度為 2.0、2.5、3.0、3.5 m四個(gè)典型高度及平均噴淋霧化粒徑為1 500、2 000、2 500 μm三種粒徑進(jìn)行模擬計(jì)算。到達(dá)除霧器的噴淋漿液液滴量決定了除霧器自身的運(yùn)行負(fù)荷。當(dāng)脫硫塔噴淋霧化粒徑為 2 000 μm時(shí)，在不同的除霧器距離噴淋層高度下，到達(dá)除霧器的液滴質(zhì)量濃度分布云圖如圖8所示。可以看出，隨著除霧器距離噴淋層高度的增加，煙氣攜帶的液滴質(zhì)量濃度顯著降低，同一水平斷面上的液滴質(zhì)量濃度也逐漸趨于均勻。

圖8 不同高度下除霧器最下沿液滴質(zhì)量濃度分布云圖Fig. 8 Distribution graphs of droplet mass concentration along the bottom of mist eliminator at different heights

在除霧器距離噴淋層不同高度及不同噴淋霧化粒徑下，到達(dá)除霧器最下沿的液滴質(zhì)量濃度變化曲線如圖 9所示。可以看出，隨著除霧器距離噴淋層高度的增加，進(jìn)入除霧器的漿液液滴量顯著下降。當(dāng)d=2 000 μm，除霧器距離噴淋層高度從2.0 m分別增加至2.5、3.0、3.5 m時(shí)，進(jìn)入除霧器的漿液液滴質(zhì)量濃度從25 g/m3分別降低至19、14、12 g/m3。由此可見，當(dāng)除霧器距離噴淋層高度增加至3.0 m時(shí)，能夠達(dá)到除霧器除霧能力。由圖 9可知，噴淋霧化粒徑的增大也能有效降低進(jìn)入除霧器的漿液液滴量。當(dāng)除霧器距離噴淋層高度為2.0 m，噴淋霧化粒徑從1 500 μm分別增大至2 000、2 500 μm時(shí)，進(jìn)入除霧器的漿液液滴質(zhì)量濃度從52 g/m3分別降低至23、10 g/m3。由此可見，當(dāng)噴淋霧化粒徑達(dá)到2 500 μm時(shí)，也能夠達(dá)到除霧器除霧能力。

圖9 除霧器最下沿的液滴質(zhì)量濃度變化曲線Fig. 9 Variation curve of droplet mass concentration at the bottom edge of mist eliminator

3 結(jié)論

為解決某電廠因燃煤硫分升高而導(dǎo)致除霧器阻力上升和結(jié)垢，甚至造成局部坍塌的問題，通過數(shù)值模擬方法對(duì)脫硫塔內(nèi)部氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究脫硫塔除霧器安裝高度對(duì)煙氣攜液量的影響，結(jié)論如下：

1）除霧器距離噴淋層高度的增加能夠有效降低進(jìn)入除霧器的漿液液滴量。當(dāng)噴淋霧化粒徑為2 000 μm，除霧器距離噴淋層高度從2.0 m增加至3.0 m時(shí)，進(jìn)入除霧器的漿液液滴質(zhì)量濃度從25 g/m3降低至 14 g/m3，降低了 44%，能夠達(dá)到除霧器除霧能力。

2）噴淋漿液噴淋霧化粒徑的增大能夠有效降低進(jìn)入除霧器的漿液液滴量。當(dāng)除霧器距離噴淋層高度保持在2.0 m，噴淋霧化粒徑從2 000 μm增大至2 500 μm時(shí)，進(jìn)入除霧器的漿液液滴質(zhì)量濃度從23 g/m3降低至10 g/m3，能夠達(dá)到除霧器除霧能力。