350 MW機組脫硫廢水旁路煙道蒸發改造數值模擬分析*

葉興聯 蘇寅彪 安希忠 王 帥 張楚城

(1.東北大學冶金學院，遼寧 沈陽 110819；2.福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

石灰石-石膏濕法脫硫是目前燃煤電廠脫除煙氣SO2的主要方法，具有脫硫效率高、可靠性好、操作簡單等優點，占據了我國燃煤電廠煙氣脫硫90%以上市場份額[1-2]。在濕法脫硫過程中，需要從脫硫系統中排放一定量的廢水來維持脫硫系統內部的物質平衡并保證石膏質量。由于廢水中含有懸浮物、過飽和亞硫酸鹽、硫酸鹽以及重金屬等多種雜質，為了避免對環境造成破壞，排放前需要對廢水進行處理[3-4]。傳統的脫硫廢水處理方法，如三聯箱技術，存在設備故障率高、運行穩定性差、運行成本高的問題。新型的處理方法有膜滲透法[5-6]、吸附處理法[7]、煙道蒸發技術[8-9]等。其中煙道蒸發技術是指將脫硫廢水噴入煙道內，使用噴嘴將脫硫廢水霧化，通過高溫煙氣的熱量蒸發廢水霧滴，蒸發后殘留的固體物質隨飛灰一起被電除塵器收集，可實現脫硫廢水的零排放。由于工藝簡單、無二次污染、建設和運行成本低、占地面積小、動力消耗少等特點，脫硫廢水煙道蒸發技術具有重大的研究價值和應用前景。

煙道蒸發技術一般有主路煙道蒸發和旁路煙道蒸發兩種工藝路線。其中，主路煙道指空氣預熱器(以下簡稱空預器)與電除塵器之間的煙道，旁路煙道指從空預器上游段引出的一段煙道。對于主路煙道，空預器出口煙氣溫度較低(120～150 ℃)，在低負荷時煙氣溫度進一步降低，影響了霧滴的蒸發效果及蒸發量；另一方面，電除塵器前加裝低溫換熱器的普及使得主路煙道蒸發可利用的有效煙道長度減小，有限的空間限制了蒸發水量，并且直接將脫硫廢水噴入主路煙道時，由于煙道本身結構復雜且內部具有支撐桿結構，會出現掛灰、結垢、腐蝕等問題。而旁路煙道蒸發技術具有煙氣溫度高(300～400 ℃)、煙氣量調節靈活、維修方便、對系統運行影響小等優點，在實現脫硫廢水零排放、滿足不同負荷下廢水高效蒸發要求的同時，提高了電廠運維的穩定性，具有極大的研究和應用價值[10]。

由于旁路煙道蒸發在高溫環境下進行，霧滴蒸發時間極短，采用實驗方法不僅成本高，而且短時間內獲得煙道內有關霧滴蒸發特性關鍵信息的難度大，對測量方法的要求也極高。相比而言，數值模擬方法成本低、提取信息方便，在脫硫廢水旁路煙道蒸發技術的研究中完全可采用。冉景煜等[11]通過建立液滴運動和蒸發的數學模型，研究了低溫煙氣中不同物性參數液滴在相對速度和相對溫度下的蒸發特性，結果表明，在相同工況條件下，雙組分液滴和單組分液滴具有不同的溫度變化過程。DENG等[12]通過數值模擬發現，較長的煙道、較小的霧滴粒徑和較高的煙氣溫度有助于提高蒸發速率，并證明脫硫廢水蒸發處理系統對下游的電除塵器、煙氣換熱器等設備影響不大。FENG等[13]通過建立歐拉-拉格朗日組合模型來揭示煙氣中脫硫廢水噴霧蒸發的熱流體行為，分析了液滴粒徑分布、煙氣流速和流量、噴嘴全錐角和噴霧方向對蒸發速率的影響。已有文獻中有關脫硫廢水蒸發的數值仿真研究大多采用純水液滴蒸發模型。然而，脫硫廢水屬于含鹽廢水，有研究證明高鹽廢水和純水在擴散速度與飽和蒸氣壓方面存在較大差異，現有的一些關于脫硫廢水蒸發速率和蒸發過程的數值分析結果與實際不符，難以在工程應用中發揮有效的補充和指導作用[14-16]。

因此，本研究以某350 MW機組脫硫廢水旁路煙道改造為研究對象，利用含鹽液滴蒸發模型，考慮含鹽量的影響，研究旁路煙道中不同噴嘴布置方式和操作參數對脫硫廢水蒸發過程的影響，以期為旁路煙道蒸發裝置的設計、診斷和優化提供理論依據。

1 研究對象

某350 MW機組脫硫廢水旁路煙道改造項目旁路煙道結構見圖1。煙道入口與空預器前煙道相接，高溫煙氣從此處引入旁路煙道中，煙道出口與空預器后煙道相接。煙道入口和出口半徑分別為0.76、0.66 m，煙道主體段半徑為1.41 m。煙道內布有導流板和整流管。

圖1 旁路煙道結構模型Fig.1 Structral model of the bypass flue

2 數值模擬數學模型及邊界條件

基于CFX軟件，采用歐拉法和剪切應力輸運(SST)湍流模型求解針對氣流的穩態雷諾平均方程(RANS)；采用拉格朗日顆粒跟蹤法求解霧滴流動；霧滴與氣流相互作用力采用Ishii-Zuber曳力模型[17]計算；霧滴傳熱與蒸發過程基于Abramzon-Sirignano蒸發模型分析，并考慮了含鹽量的影響[18]；采用Gamma分布函數[19]來表征霧滴粒徑。

邊界條件設置見表1，下文如無特別說明均采用表2中的基準參數。

表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

表2 煙氣、脫硫廢水及噴嘴基準參數Table 2 Reference parameters of flue gas,desulfurization wastewater and nozzles

3 結果與討論

3.1 煙氣濕度的影響

模擬了5種不同煙氣濕度(6%、9%、12%、15%和18%)條件下的霧滴蒸發過程，結果見圖2。高溫環境下霧滴的蒸發過程大致可分為兩個階段：快速蒸發階段和緩慢蒸發階段。霧滴開始蒸發時，由于霧滴中水分高，與煙氣相對速度和相對溫差均較大，蒸發迅速，霧滴蒸發率隨蒸發距離基本呈線性增長，此時為快速蒸發階段；隨著蒸發過程的進行，霧滴中的水分在高溫環境大量蒸發后，霧滴與煙氣間的相對速度和相對溫差減小，蒸發速率放緩，此時為緩慢蒸發階段。5種煙氣濕度條件下，隨著平均蒸發距離的延長，霧滴的蒸發率均不斷上升，且霧滴蒸發率曲線基本重合。由于煙氣溫度較高時，煙氣中的水蒸氣達到飽和狀態時所需的水含量較大，正常燃煤煙氣濕度范圍并不足以對霧滴蒸發產生明顯的抑制作用，因此工程實際應用可以忽略煙氣濕度對霧滴蒸發的影響。

圖2 不同煙氣濕度下霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化Fig.2 Evaporation rate variation at different flue gas humidity with average evaporation distance

3.2 導流措施的影響

在脫硫廢水蒸發過程中，由于氣液相互作用，流場的分布情況勢必對霧滴的蒸發過程產生影響。圖3對比有無導流措施(有導流措施即為增加導流板和整流管)時煙道內部的煙氣流線。無導流措施時，煙道內部流線混亂，部分區域產生回流，且不同截面處速度的分布極不均勻，氣流穩定性差，容易發生霧滴的碰壁現象。采取導流措施后，流線基本與煙道走向近乎平行，流場的均勻性得到極大改善，氣流穩定性好。

圖3 旁路煙道煙氣流線Fig.3 Streamlines of flue gas in the bypass flue

圖4對比有無導流措施時霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化規律。相比有導流措施，無導流措施時霧滴的蒸發速率偏快，霧滴蒸發完全所需的路程更短，這是因為無導流措施條件下，煙道內部煙氣存在渦流，湍流強度大，增大了氣液間的換熱效率，進而提高了霧滴的蒸發速率。

圖4 有無導流措施時霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化Fig.4 Variation of droplet evaporation rate with average evaporation distance with or without diversion measure

用煙道壁面處的霧滴質量流量密度表示霧滴與壁面間碰撞的強弱程度，有無導流措施時旁路煙道壁面的霧滴質量流量密度分布見圖5。無導流措施時霧滴與煙道壁面發生了明顯的碰撞。經統計，有導流措施和無導流措施時霧滴的碰壁概率分別為5.85%和0.10%，這是因為無導流措施時，煙道內部的流速分布不均，流線雜亂，部分流線指向壁面甚至與壁面垂直，在氣流拖曳力的作用下霧滴向壁面運動直至碰壁?？梢姡瑹o導流措施條件下雖然有利于廢水蒸發，但霧滴也更容易與壁面碰撞，從而導致壁面結垢，因此工程設計時應該避免這種現象的產生。

圖5 旁路煙道壁面的霧滴質量流量密度分布Fig.5 Droplet mass flux distribution on the wall of the bypass flue

3.3 噴嘴布置方式的影響

噴嘴均沿壁面同一圓周等間距排列，方案1(對稱布置)中煙道對稱面左右各有兩個噴嘴，等間距分布；方案2(非對稱布置)由方案1的噴嘴繞煙道圓管部分中軸線旋轉45°得到。對應的霧滴運動軌跡見圖6，其中流線匯聚點為噴嘴位置。兩種方案霧滴均蒸發完全，但方案2的霧滴偏向左下方運動，這是由于彎頭結構使得氣流在下游煙道造成偏流，靠近右側壁面的氣體運動速度更大，在速度梯度的作用下氣體帶動霧滴一起向左運動導致的。方案2的兩個噴嘴位置正好位于煙道對稱面上，在這一平面上，彎頭的影響最大，而方案1噴嘴位于該對稱面兩側，彎頭的影響被削弱了，因此霧滴基本沿圓管中心軸線運動。經統計，方案1霧滴的碰壁概率為0.10%，低于方案2的0.48%。

圖6 不同的噴嘴布置方式下的霧滴運動軌跡Fig.6 Droplet trajectories under different nozzle arrangements

兩種方案條件下，霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化規律見圖7。相比于方案2，方案1霧滴蒸發完全所需的平均蒸發距離更短。這主要是由于霧滴蒸發時從氣體中吸收熱量，會在霧滴附近區域造成局部低溫，方案1低溫區基本位于中軸線處，而方案2低溫區偏左并靠近壁面；方案1低溫區更容易從周圍的氣體區域補充熱量，霧滴的蒸發速率要略高。由此可見，噴嘴的合理布置對于減少壁面結垢、保證霧滴有效蒸發和設備穩定運行具有重要意義。

圖7 兩種噴嘴布置方式下霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化Fig.7 Variation of droplet evaporation rate with average evaporation distance under two nozzle arrangements

3.4 噴嘴布置層數的影響

圖8給出了噴嘴布置層數分別為單層、雙層、三層時的霧滴運動軌跡，其中上下相鄰兩層的噴嘴間距2 m，呈錯位排列，3種方案中噴入的脫硫廢水總量相同。雖然不同噴嘴布置層數下霧滴均蒸發完全，但隨著噴嘴布置層數的增加，霧滴在煙道內分布更加分散。圖9給出了3種方案下霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化曲線。隨著噴嘴布置層數的增加，霧滴的蒸發速率加快，且霧滴完全蒸發所需的平均蒸發距離不斷縮短。這是因為隨著噴嘴布置層數的增多，霧滴在煙道空間內的分布愈加分散，便于與周圍熱空氣進行熱量交換。由此可見，為了保證工程順利穩定運行，設置足夠的噴嘴層數是必要的。

圖8 不同的噴嘴布置層數下霧滴運動軌跡Fig.8 Droplet trajectories under different nozzle arrangement layers

圖9 3種噴嘴布置層數下霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化Fig.9 Variation of droplet evaporation rate with average evaporation distance under three types of nozzle arrangement layers

3.5 霧滴粒徑的影響

圖10展示了5種均一粒徑(50、70、90、110、130 μm)霧滴的蒸發特性曲線。隨著粒徑增大，霧滴蒸發率不斷下降，蒸發完全所需的平均蒸發距離不斷延長，這是由于霧滴粒徑增大導致比表面積減小，進而蒸發完全所需的平均蒸發距離延長。隨著粒徑的等幅增大，霧滴蒸發完全所需的平均蒸發距離基本呈線性增長。因此，霧滴粒徑是霧滴能否充分有效蒸發的敏感因素，蒸發距離是工程設計中合理選取粒徑的重要依據。

圖10 不同粒徑霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化Fig.10 Variation of droplet evaporation rate at different diameters with average evaporation distance

3.6 煙氣溫度的影響

不同煙氣溫度(573、593、613、633、653 K)下霧滴蒸發軌跡見圖11。隨著煙氣溫度的升高，噴嘴下游的低溫區面積不斷縮小，霧滴在煙道中行進的距離不斷縮短。經統計，得到霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化規律(見圖12)。隨著煙氣溫度升高，霧滴蒸發率不斷增加，蒸發完全所需的平均蒸發距離不斷縮短，煙氣溫度越高，霧滴與煙氣的溫差越大，氣液之間傳熱更劇烈，霧滴蒸發更快。當升高到653 K時，霧滴基本以恒定速率迅速蒸發完全。由此可見，較高的煙氣溫度有助于霧滴快速有效蒸發，減少蒸發距離，但煙氣溫度到一定程度時，繼續升溫對霧滴蒸發的影響有限。

圖11 不同煙氣溫度下霧滴蒸發軌跡Fig.11 Droplet evaporation trajectories at different flue gas temperatures

圖12 不同煙氣溫度下霧滴蒸發率隨平均蒸發距離的變化Fig.12 Variation of droplet evaporation rate at different flue gas temperature with average evaporation distance

4 結 論

采用了含鹽液滴蒸發模型，結合流場分析得到了煙氣濕度、導流措施、噴嘴布置方式、噴嘴布置層數、煙氣溫度以及霧滴粒徑分布等因素對霧滴蒸發過程的影響。高溫環境下，霧滴的蒸發過程分為快速蒸發階段和緩慢蒸發階段；煙氣濕度6%～18%，其對霧滴蒸發過程的影響基本可以忽略；改善流場的均勻性可以有效防止霧滴碰壁現象的發生，但會導致霧滴的蒸發速率出現略微下降；煙道存在彎頭結構時，噴嘴應布置在彎頭結構對稱面的兩側，在提高霧滴蒸發速率的同時，降低了碰壁概率；隨著噴嘴布置層數的增加，脫硫廢水在煙道內的分布愈加均勻，且霧滴蒸發速率不斷提高；霧滴粒徑越小、煙氣溫度越高，霧滴的蒸發速率越快，蒸發完全時所需的平均蒸發距離越短。