一種具有負(fù)荷適應(yīng)性的波紋板除霧器

洪文鵬

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

目前，大部分火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)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(wú)GGH裝置的脫硫系統(tǒng)投產(chǎn)后，雖然有效避免了GGH的堵塞問(wèn)題，但由于無(wú)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(kuò)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(xiàn)酸雨現(xiàn)象。近年來(lái)，大型火電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰，而現(xiàn)有的固定結(jié)構(gòu)除霧器難以適應(yīng)負(fù)荷大幅波動(dòng)帶來(lái)的煙氣流量的劇烈突變，容易導(dǎo)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(xiàn)實(shí)意義。

筆者以濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中帶鉤波紋板除霧器為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬技術(shù)求解鉤片直段長(zhǎng)度H、鉤片圓弧段半徑r及鉤片圓弧段轉(zhuǎn)折角度β等因素對(duì)除霧器性能的影響[1]。提出了一種鉤片偏轉(zhuǎn)角度可調(diào)的高效帶鉤波紋板除霧器。采用數(shù)學(xué)建模及數(shù)據(jù)擬合等方法，建立機(jī)組負(fù)荷及燃料成分等參數(shù)與除霧器鉤片偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系[2]，并在此基礎(chǔ)上提出了除霧器的優(yōu)化運(yùn)行方法。

1 模擬對(duì)象與簡(jiǎn)化假設(shè)

1.1模擬對(duì)象

濕法煙氣脫硫過(guò)程如圖1所示，噴淋塔上部設(shè)置噴淋層，噴淋后的石膏漿液進(jìn)入下部的反應(yīng)池，吸收液由漿液循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)，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(dòng)，以此經(jīng)過(guò)冷卻區(qū)和吸收區(qū)，氣液兩相逆流接觸傳熱傳質(zhì)，吸收后的尾氣經(jīng)由除霧器后從塔頂排出[3，4]。筆者以除霧區(qū)的帶鉤波紋板除霧器作為研究對(duì)象。

圖1 石灰石-石膏濕法噴淋脫硫過(guò)程示意圖

模擬帶鉤波紋板除霧器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，除霧器葉片轉(zhuǎn)折角β=90°，鉤片偏轉(zhuǎn)角度α=45°，第一、二級(jí)除霧器板間距分別為35、25mm。參考工程應(yīng)用情況[1]，筆者對(duì)鉤片直段長(zhǎng)度H、鉤片圓弧段半徑r和鉤片圓弧段轉(zhuǎn)折角度β對(duì)除霧器特性的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

圖2 除霧器結(jié)構(gòu)與計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

1.2模型假設(shè)與簡(jiǎn)化

根據(jù)實(shí)際WFGD工程的運(yùn)行環(huán)境和滿足工程要求的條件，對(duì)除霧器內(nèi)煙氣與液滴兩相流動(dòng)狀況做假設(shè)和簡(jiǎn)化[5，6]：除霧器簡(jiǎn)化為二維流動(dòng)；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(zhì)球形；不考慮二次夾帶作用的影響。

2 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

2.1計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于鉤片附近流場(chǎng)變化比較劇烈，因而在鉤片所在的區(qū)域網(wǎng)格劃分應(yīng)細(xì)密一些。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格精度無(wú)關(guān)化驗(yàn)證后，劃分網(wǎng)格總數(shù)約67 000，除霧器的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2數(shù)學(xué)模型

2.2.1煙氣流場(chǎng)控制方程

采用歐拉法將煙氣處理為連續(xù)相并對(duì)其進(jìn)行描述?；谏鲜黾僭O(shè)與簡(jiǎn)化，不可壓縮煙氣流場(chǎng)的連續(xù)性控制方程可表示為：

div(V)=0

(1)

動(dòng)量守恒控制方程為：

(2)

(3)

(4)

式中Fx、Fy、Fz——漿液滴對(duì)煙氣流場(chǎng)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(shí)均方法將式(2)～(4)處理為雷諾平均Navier-Stokes方程。根據(jù)除霧器通道內(nèi)煙氣流動(dòng)湍流實(shí)際情況，采用低雷諾數(shù)k-ε模型來(lái)模擬除霧器內(nèi)的湍流流動(dòng)。

2.2.2液滴顆?？刂品匠?/p>

由于石膏液滴的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，因此，采用拉格朗日法來(lái)描述液滴的運(yùn)動(dòng)較精確[7]，即選用離散相顆粒軌道模型來(lái)跟蹤液滴運(yùn)動(dòng)。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(duì)液滴的作用[8]。根據(jù)液滴在煙氣流場(chǎng)中的受力分析，液滴運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

(5)

式中FD(u-up)——液滴的單位質(zhì)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(yùn)動(dòng)中受到的重力和浮力。

2.3模型的邊界條件

計(jì)算平臺(tái)采用Fluent 14.0軟件，用Gambit軟件生成網(wǎng)格。連續(xù)相方面，介質(zhì)為密度1.1 kg/m3、動(dòng)力粘度19.548 6μPa·s的空氣，假設(shè)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(zhì)為密度1 200kg/m3、動(dòng)力粘度54.9mPa·s的脫硫循環(huán)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(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

參考楊柳的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證文中數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。以實(shí)驗(yàn)中采用的板型尺寸、煙氣流速V及霧滴粒徑d等參數(shù)作為模擬參數(shù)，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果符合較好，表明文中的模擬計(jì)算可以用于除霧器性能的模擬研究。

圖3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)除霧器效率的影響

隨著鉤片直段長(zhǎng)度H的增加，除霧器效率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)(圖4a)。原因是鉤片直段長(zhǎng)度的增加會(huì)使氣流在通道內(nèi)發(fā)生劇烈偏轉(zhuǎn)，致使液滴在慣性力的作用下脫離連續(xù)相的流線直接撞擊鉤片表面的幾率增加，導(dǎo)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(zhǎng)度直接關(guān)系到鉤片間通道攔截氣流的程度，使得除霧器通道內(nèi)湍流程度加劇，流場(chǎng)內(nèi)擾動(dòng)的增強(qiáng)會(huì)提高除霧效率。相同的，圓弧段轉(zhuǎn)折角度β和圓弧段半徑r的增大也會(huì)增加鉤片對(duì)葉片通道間的攔截面積，從而使除霧效率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖4b、c)。

3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力損失的影響

煙氣在折板式除霧器中流動(dòng)時(shí)，會(huì)在流道彎曲的區(qū)域形成回流區(qū)。鉤片直段長(zhǎng)度H的增加，使流道變得更加狹窄，氣流在通流面積減小時(shí)速度增大，離心力隨之呈平方增大，以致產(chǎn)生更大的漩渦。每一個(gè)回流區(qū)都會(huì)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(qū)下游的再附著，壓力會(huì)逐漸恢復(fù)，但是由于能量的耗散，壓力無(wú)法完全恢復(fù)，造成壓力損失。鉤片直段長(zhǎng)度H對(duì)除霧器內(nèi)擾動(dòng)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(zhuǎn)折角度β和圓弧段半徑r的增加，也會(huì)引起壓力損失的上升(圖5b、c)。三者的結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系到除霧器通道內(nèi)的局部壓力損失，對(duì)除霧器總壓降貢獻(xiàn)較大。

圖4 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)除霧效率的影響

圖5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力損失的影響

3.4高效帶鉤波紋板除霧器葉片

在兩級(jí)除霧系統(tǒng)組合中，總壓力損失不超過(guò)150Pa，為達(dá)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(jí)除霧器：H=22mm、β=35°、r=33mm、D=35mm。第二級(jí)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(shí)兩種除霧器的除霧效率η見(jiàn)表1，第一級(jí)除霧器的壓力損失為73.14Pa，第二級(jí)除霧器的壓力損失為68.96Pa。

表1 液滴粒徑不同時(shí)兩種除霧器的除霧效率

4 典型300MW機(jī)組除霧器鉤片偏轉(zhuǎn)角度的優(yōu)化

4.1300MW機(jī)組系統(tǒng)基本參數(shù)

筆者針對(duì)某300MW亞臨界機(jī)組配備的WFGD系統(tǒng)開(kāi)展除霧器的優(yōu)化研究。該WFGD系統(tǒng)可在鍋爐負(fù)荷40%～100%之間安全連續(xù)運(yùn)行。液滴的粒徑按照某電廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入，通過(guò)Ros-in-Rammler方法來(lái)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(shù)3.77。在保證鍋爐正常燃燒用氧的前提下，適當(dāng)減小風(fēng)量，用C語(yǔ)言自編程序求解機(jī)組不同負(fù)荷與煤種下的煙氣量，當(dāng)燃用設(shè)計(jì)煤種(收到基碳、氫、氧、氮、硫、灰分、水分和低位發(fā)熱量分別為56.9%、4.4%、9.1%、1.2%、0.6%、14.8%、13.0%和22 415kJ/kg)時(shí)，額定工況下WFGD入口煙氣量為310m3/s，實(shí)際煙氣量與機(jī)組負(fù)荷之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 機(jī)組燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)煙氣量隨負(fù)荷的變化

4.2鉤片可調(diào)與固定結(jié)構(gòu)除霧器性能的對(duì)比

鉤片角度確定的相關(guān)因素較多，為了獲得最佳方案，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)除霧器進(jìn)行了大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)。鉤片可調(diào)的除霧器模擬結(jié)果如圖7所示，與鉤片固定結(jié)構(gòu)(鉤片偏轉(zhuǎn)角度α=45°)除霧器比較可見(jiàn)，流場(chǎng)得到了明顯的加速和擾動(dòng)。

圖7 固定鉤片與可調(diào)鉤片除霧器的比較

鉤片與水平位置夾角(鉤片偏轉(zhuǎn)角度α)逐漸減小的過(guò)程中，鉤片呈現(xiàn)張開(kāi)的趨勢(shì)，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(shí)，鉤片背弧處產(chǎn)生的回流區(qū)也在逐漸增大，引起較大的能量損失。并且從工程實(shí)施來(lái)看，鉤片角度調(diào)節(jié)在制造和安裝階段也相對(duì)困難。

4.3除霧器的優(yōu)化運(yùn)行

除霧器優(yōu)化運(yùn)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(jí)除霧器壓力損失不大于75Pa，合理調(diào)整鉤片偏轉(zhuǎn)角度，從而提高除霧效率。表2為案例機(jī)組在部分機(jī)組負(fù)荷下第一級(jí)除霧器的最優(yōu)運(yùn)行方案(燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí))。

表2 燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)部分負(fù)荷下第一級(jí)除霧器最優(yōu)運(yùn)行方案

4.4運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果

綜合以上計(jì)算結(jié)果，提出除霧器優(yōu)化運(yùn)行方案。圖8和表3分別給出了除霧器運(yùn)行優(yōu)化方案和運(yùn)行優(yōu)化效果，并與原方案進(jìn)行對(duì)照?？梢钥闯觯涸?0%～100%負(fù)荷工況下，僅通過(guò)調(diào)節(jié)鉤片偏轉(zhuǎn)角度，除霧效率就可以平均提高4.10%，并且在負(fù)荷較低時(shí)，除霧效率提高明顯。

5 結(jié)論

5.1固定結(jié)構(gòu)的除霧器不具有負(fù)荷適應(yīng)性，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，除霧效率下降。改變鉤片直段長(zhǎng)度、圓弧段半徑、圓弧段偏轉(zhuǎn)角度和鉤片偏折角度能夠?qū)ΤF器內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之達(dá)到理想狀態(tài)，提高除霧效率。

圖8 原方案與優(yōu)化方案的比較

機(jī)組負(fù)荷L%鉤片偏轉(zhuǎn)角度α/(°)效率提高值Δη/%第一級(jí)除霧器第二級(jí)除霧器第一級(jí)除霧器第二級(jí)除霧器9043441．470．328041422．161．397039401．311．116035391．341．815032372．961．374029345．433．66

5.2以300MW機(jī)組WFGD系統(tǒng)為例，當(dāng)燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)，在40%～100%額定工況下，采用筆者提出的優(yōu)化方法，除霧效率平均提高4.10%。但可調(diào)鉤片的制造和加裝在工程上相對(duì)困難。

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