濕法煙氣脫硫塔能效特性研究

冷亞娟，胡蕊，崔琳，董勇

濕法煙氣脫硫塔能效特性研究

冷亞娟，胡蕊，崔琳，董勇*

（燃煤污染物減排國家工程實驗室(山東大學)，山東省 濟南市 250061）

針對濕法煙氣脫硫能效規律欠缺問題，以150MW超低排放機組濕法脫硫塔為研究對象，基于脫硫設備的主要能耗和脫硫效率構建了脫硫能效指標—脫硫能效值，并采用數值模擬和理論分析相結合的方法，探究了液氣比、入口煙氣量、煙氣流速、入口SO2質量濃度、煙氣溫度等參數以及不同噴淋層組合方式對脫硫能效特性的影響規律。結果表明：脫硫能效值為0.22~0.96 kg/(kW·h)，并隨入口SO2質量濃度增加呈正比例變化，隨噴淋層組合數、液氣比和入口煙氣溫度增加呈反比例變化，隨入口煙氣量和塔內煙氣流速增加先上升后下降。研究結果可為脫硫技術評價和脫硫系統節能運行提供參考。

濕法脫硫塔；數值模擬；脫硫能效值；能效指標規律

0 引言

燃煤污染對環境危害巨大，為推動綠色發展，我國實施了燃煤電廠超低排放標準[1]。針對二氧化硫超低排放，我國燃煤電廠多采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術[2-5]，巨大的循環漿液量和煙氣阻力使其電耗和物耗巨大，據計算，600MW機組脫硫系統所消耗的電能可達6~10 MW，占燃煤電廠發電量的1.0%~1.6%[6]，造成機組供電效率降低1%~2%，進而導致供電煤耗上升3~6 g/(kW×h)[7]，大大增加了脫硫系統的運行成本。另外，在脫硫設計階段，存在SO2超低排放系統設計參數裕度大的問題，導致設備選型裕量大。在運行階段，燃煤含硫量波動大，致使偏離設計值；過分追求低排放濃度，運行調控粗放，經常出現少開一噴淋層時排放數值超標、多開一噴淋層時排放數值為零的現象。這些狀況進一步增加了運行能耗。

近年來國內學者開始關注濕法脫硫系統性能與結構優化，部分學者采用數值模擬法[8-9]和數學分析法[10]等對濕法脫硫塔能耗規律和能效評價進行了探索。劉劍[11]基于層次-灰色關聯度理論構建了濕法脫硫系統能效評估體系，綜合能效、運行和環保3方面對5臺機組進行了能效排序。史夢潔[12]融合了3種傳統的評價方法，采用基于灰色關聯度的模糊層次能效評估方法(AHP-GF)，使定性指標的量化過程更加嚴謹。通過某電廠實例證明了該方法具備可行性。王彪[13]利用模糊綜合評價法對濕法脫硫技術的8種設計方案進行了評價，綜合3種評價結果選出了最優方案，與實際電廠設計參數基本相符。上述方法較好地綜合了各個能效影響因素，但沒有形成可直接利用的濕法脫硫能效指標，同時缺乏對濕法脫硫塔能效規律的研究，因而存在一定的局限性。

本文綜合考慮污染物脫除效率和能耗情況，采用定量方法構建了濕法煙氣脫硫塔的能效指標，進而以某燃煤電廠150MW超低排放機組濕法煙氣脫硫塔為研究對象，采用數值模擬與理論分析相結合的方式，研究了不同參數以及不同噴淋層組合方式對脫硫水平和脫硫能效的影響規律，為燃煤電廠脫硫技術評價及節能運行提供了理論依據。

1 研究對象及數學模型

1.1 研究對象

本文以某電廠150MW超低排放機組濕法煙氣脫硫塔為研究對象，其結構如圖1所示。脫硫塔塔徑8.5m，入口尺寸2.88m′6.4m，布置4層噴淋層，每層布置68個單向空心錐噴嘴，每層噴淋層下方均布置增效環，底層噴淋層下方2m處布置合金托盤。

1.2 物理模型及網格劃分

用Gambit軟件構建模型，采用結構化網格加非結構化網格的方式劃分網格，對噴淋層管壁、噴嘴、增效環等細小結構及氣液混合區域進行部分網格加密，總網格數為132萬，網格質量skewness小于0.79。脫硫塔模型的網格劃分結果如圖2所示。

1.3 模型假設與簡化

根據實際濕法煙氣脫硫系統運行環境，在滿足工程標準前提下，本文進行了以下假設和簡化：

1）將煙氣和水蒸氣視為不可壓縮牛頓流體；

2）將脫硫塔壁面視為絕熱邊界，脫硫過程視為絕熱冷卻過程[14]；

3）忽略噴嘴、支架等組件對兩相流的影響；

4）除霧器簡化為多孔介質模型，合金托盤簡化為多孔跳躍介質模型；

5）假設漿滴為球形，忽略漿滴間的相互作用；

6）假設漿滴內部溫度一致，忽略熱輻射效果。

1.4 數學模型及數值方法

由于噴淋液滴的分散體積率遠小于10%，本文采用Euler-Language方法對塔內氣液兩相流動過程進行仿真計算[15-16]。將煙氣視為連續相，噴淋漿液視為離散相。連續相控制方程為

漿滴運動控制方程為

濕法脫硫塔內的傳熱傳質過程較為復雜。傳熱過程主要是熱煙氣與噴淋漿液之間的溫差驅動下的顯熱交換和漿液中水的蒸發潛熱交換；傳質過程主要是噴淋漿液對煙氣中二氧化硫的吸收過程[17]。本研究所采用的模型為前期工作中已建立的塔內傳熱傳質過程數學模型[18]。

設定脫硫塔速度入口、壓力出口邊界條件。液滴觸及壁面、噴淋層管壁和漿液池表面為逃逸，觸及聚氣環板為反彈。引用Realizable k-epsilon湍流模型進行瞬態數值模擬，選擇標準壁面函數。采用基于壓力的求解器對計算對象離散求解，選擇SIMPLE壓力-速度耦合算法，通過UDF將傳熱傳質模型以及離散相液滴曳力模型嵌入各控制方程。離散相和連續相之間存在熱量和質量的交換，每迭代20步連續相控制方程后計算一次離散相控制方程，動量亞松弛因子調到0.8，以保證收斂性。

1.5 模型準確性驗證

為驗證數學模型的準確性，首先對計算網格進行了無關性分析，見表1；然后將模擬結果同實際運行數據進行了比較，見表2。

表1 網格無關性驗證

表2 模擬結果同實際運行數據對比

表1結果表明：3種網格下脫硫效率變化很小，相對誤差小于0.1%，說明網格數量在127萬~153萬之間可獲得網格無關性解。由表2可知：模擬結果與運行數據吻合情況良好，塔內溫降模擬結果與運行數據符合良好，脫硫效率最大偏差在2%以內，說明本文所用傳熱、傳質模型可以準確模擬脫硫塔內的傳熱、傳質過程。

2 能效指標

2.1 脫硫塔能耗計算方法

數值模擬中，脫硫塔高耗能設備的電耗通過石灰石漿液循環量和煙氣流量體現。本文所用脫硫塔數值模型總能耗公式為

其中

2.2 脫硫能效值

構建了關聯濕法脫硫塔運行過程中投入與產出的指標—脫硫能效值，定義為每消耗1kW·h的電能所脫除SO2的質量，其表達式為

3 結果及討論

計算基準為煙氣量5.6′105m3/h，液氣比為22L/m3，入口煙氣溫度為135℃，進口煙氣流速為12.61m/s，入口SO2質量濃度為3 g/m3，漿滴平均粒徑為2.5mm，開啟4層噴淋層。

3.1 液氣比對能效特性的影響

液氣比是影響脫硫性能的關鍵參數，液氣比增大使噴淋漿液密度增加，氣液接觸幾率增大，傳質面積明顯增加，如圖3所示，當液氣比從6L/m3增加到20L/m3時，脫硫效率由92%增大到98.2%，平均單位液氣比的脫硫增幅為0.43%/(L/m3)，然而液氣比增加到一定程度時，液滴凝聚，液相阻力增加，實際有效傳質面積不再增加，故當液氣比超過14L/m3后，脫硫效率增長緩慢并逐漸趨于平穩。

液氣比增加不僅提高了漿液循環泵電耗，由于脫硫塔阻力隨液氣比增加呈線性增加，導致引風機或增壓風機能耗也增加。如圖4所示，當液氣比從6L/m3增加到20L/m3時，脫硫塔能耗由1613.66 kW升高為2905.15kW，平均單位液氣比能耗增幅為92.25kW/(L/m3)。

脫硫能效值隨液氣比增加幾乎呈反比例快速下降。當液氣比從6L/m3增加到20L/m3時，脫硫塔能效值由0.96kg/(kW·h)降低到0.57kg/(kW·h)，平均單位液氣比降幅為0.028 [kg/(kW·h)]/(L/m3)。雖然液氣比增加導致脫硫能耗升高，但SO2脫除量增加值比能耗增加值要小，因此脫硫能效值隨液氣比增加而減小，脫硫塔運行經濟性變差。

3.2 入口煙氣量對能效特性的影響

脫硫效率隨入口煙氣量增大呈反比例下降，如圖5所示，當入口煙氣量從168000m3/h增大到560000m3/h時，脫硫效率從98.01%降到91.99%，平均單位入口煙氣量的脫硫降幅為1.54%/(m3/h)。在其他參數不變的情況下，一方面，入口煙氣量增大，則液氣比減小，入口煙氣量對脫硫效率的影響規律與液氣比一致；另一方面，塔徑不變，塔內煙氣流速隨煙氣量增加而增大，單位體積內氣液接觸幾率增加，增強了氣液之間的傳質，脫硫效率有所增大。綜合2方面因素，液氣比影響效果更為顯著，故隨入口煙氣量增加，脫硫效率降低。

入口煙氣量影響增壓風機電耗，如圖6所示，當入口煙氣量從168000 m3/h增加到560000m3/h時，脫硫塔能耗從950.87kW增加到2066.63kW，且增速越來越快，平均單位入口煙氣量能耗增幅為0.0029kW/(m3/h)。

脫硫能效值隨入口煙氣量增加呈先升后降趨勢變化，在入口煙氣量為168000~448000m3/h時快速上升，脫硫能效值由0.52kg/(kW·h)上升到0.81kg/(kW·h)，平均單位入口煙氣量脫硫能效值增幅為1.03′10-6[kg/(kW·h)]/(m3/h)；之后脫硫能效值便緩慢下降，在入口煙氣量為560000m3/h時降到0.75 kg/(kW·h)，平均單位入口煙氣量脫硫能效值降幅為5.83′10-7[kg/(kW·h)]/(m3/h)。雖然脫硫塔阻力增大使漿液循環泵和增壓風機能耗增大，但煙氣流量的提升也使SO2質量流量大幅度增長，SO2脫除量增加值相對于能耗增加值要大得多，從而使脫硫能效值呈上升趨勢；當SO2質量流量超出設計值時，脫硫塔脫硫性能接近極限，SO2脫除量趨于穩定，脫硫能效值最終呈緩慢下降趨勢。

3.3 煙氣流速對能效特性的影響

脫硫效率隨塔內煙氣流速增大而下降，如 圖7所示，當煙氣流速由1.2m/s增大到4.1m/s時，脫硫效率從98.01%下降到91.99%，幾乎呈反比例下降，平均單位煙氣流速脫硫降幅為2.10%/(m/s)。一方面，在其他參數不變的情況下，煙氣流速增大可以增強煙氣和石灰石漿液之間的湍動，強化氣液傳質，對脫硫效果有促進作用；另一方面，在塔徑不變的情況下，塔內煙氣流速增大，漿液噴淋量保持不變，則液氣比減小，脫硫效率降低。綜合2方面因素，煙氣流速增加使液氣比降低對脫硫效率的影響強于氣液之間的湍動帶來的影響，故在漿液噴淋量不變的前提下煙氣量增大，脫硫效率下降。

隨著塔內煙氣流速增大，脫硫塔阻力增大，使增壓風機和漿液循環泵能耗增加，脫硫塔總能耗升高，如圖8所示，當煙氣流速從1.2m/s增加到4.1m/s時，脫硫塔能耗增大了1115.75kW，平均單位煙氣流速能耗增幅為388.9kW/(m/s)。

脫硫能效值隨煙氣流速變化規律和其隨入口煙氣量變化規律一致，即脫硫能效值隨煙氣流速增大先升后降，因此脫硫塔運行經濟性隨煙氣流速增大先變好后變差。

3.4 入口SO2質量濃度對能效特性的影響

入口SO2質量濃度對脫硫效率的影響較小，如圖9所示，當入口SO2質量濃度由1000mg/m3增加到4000mg/m3時，脫硫效率從98.4%降低到98.3%，平均單位入口SO2質量濃度脫硫降幅為3.23%/(mg/m3)，對傳質過程僅有微小的促進作用。根據雙模理論，SO2的傳質過程是由氣膜阻力和液膜阻力共同作用的，當入口SO2質量濃度在較低水平時，隨著入口SO2質量濃度增加，吸收漿液中的堿性物質被快速消耗，液膜阻力不斷增加，使脫硫效率快速下降。當入口SO2質量濃度達到一定程度時，吸收漿液中的堿性物質被消耗殆盡，不足以反應所有SO2，脫硫能力不斷減弱，但減弱作用微弱，變化幅度僅為0.02%。

入口SO2質量濃度影響煙氣中SO2脫除量，進而影響氧化風機電耗，如圖10所示，當入口SO2質量濃度由1000mg/m3增加到4000mg/m3時，脫硫塔能耗由2561kW升高至3062.98kW，平均單位入口SO2質量濃度能耗增幅為0.17kW/(mg/m3)。

脫硫能效值隨入口SO2質量濃度增加快速上升，當入口SO2質量濃度從1000mg/m3上升到4 000mg/m3時，脫硫能效值由0.22kg/(kW·h)上升到0.72 kg/(kW·h)，變化規律近似于正比例函數，平均單位入口SO2質量濃度脫硫能效值增幅為0.00017 [kg/(kW·h)]/(mg/m3)。濕法脫硫塔按照設計參數運行時吸收SO2的能力很強，即使SO2質量濃度稍微高于設計煙氣參數(3000mg/m3)，也能達到超低排放標準。因此在額定工況下污染物濃度越高，脫硫塔的能源利用率就越高，越大，脫硫塔運行經濟性越好。

3.5 煙氣溫度對能效特性的影響

圖11為煙氣溫度與脫硫效率和出口SO2質量濃度的關系曲線，可以看出，隨著煙氣溫度上升，脫硫效率幾乎呈反比例下降，當煙氣溫度由125℃上升至145℃時，脫硫效率由98.82%下降到97.60%，平均單位煙氣溫度脫硫降幅為0.06%/℃。煙氣溫度越低，越有利于SO2氣體溶于吸收漿液，另外，脫硫反應為放熱反應，入口煙氣溫度升高不利于正向反應進行，故脫硫效率降低。

煙氣溫度影響煙氣體積流量，使氧化風機電耗增加，如圖12所示，煙氣溫度上升使脫硫塔能耗緩慢上升，當煙氣溫度由125℃上升到145℃時，脫硫塔能耗由2896.08 kW上升至2922.03kW，能耗僅上升了約50kW，平均單位煙氣溫度能耗增幅為2.65kW/℃。

脫硫能效值隨煙氣溫度升高而降低，當煙氣溫度由125℃升高到145℃時，脫硫能效值由0.58kg/(kW·h)下降到0.56kg/(kW·h)，平均單位煙氣溫度脫硫能效值降幅為0.00087[kg/(kW·h)]/℃。煙氣溫度高不利于SO2的脫除，同時能耗隨溫度升高而增大，所以脫硫能效值降低，運行經濟性變差。

3.6 噴淋層組合情況對能效特性的影響

數值模擬結果表明，4層噴淋層全部開啟時，第2層噴淋層的脫硫能效值最高，消耗等量能源對脫硫的貢獻率最大，第1層噴淋層能效排名第2，第3、4層噴淋層能效排名分別為第3、第4。最上層噴淋層的脫硫能效值最低，在4層噴淋層中的貢獻率最小。

開啟的噴淋層數越多，液氣比越大，氣液傳質越充分，SO2脫除能力越強，同時能耗也越大。噴淋層組合情況對脫硫效率、出口SO2質量濃度及能耗、能效特性的影響分別如圖13和14所示，可知，當開啟4層噴淋層時，脫硫效率和能耗值最高，且隨著噴淋層數減少，脫硫效率和能耗值減小。噴淋層組合數變化下的平均單位噴淋層脫硫增幅為3.4%/層，平均單位噴淋層能耗增幅為575.1kW/層。當開啟的噴淋層數相同時，吸收區高度越高，脫硫反應時間越長，脫硫越充分，開啟3層噴淋層時，脫硫效率和能耗由大到小排序為：2/3/4層>1/3/4層>1/2/4層>1/2/3層。開啟2層噴淋層時，脫硫效率和能耗由大到小排序為：3/4層>2/4層>2/3層>1/4層>1/3層>1/2層。

脫硫能效值的變化規律同脫硫效率和能耗值變化規律恰好相反，噴淋層組合數越多，脫硫能效值越低，平均單位噴淋層脫硫能效值降幅為0.15[kg/(kW·h)]/層。由于噴淋層組合數多時，SO2脫除量增幅小于脫硫塔能耗增幅，故脫硫能效值降低。當開啟噴淋層數相同時，底層噴淋層組合形式的脫硫能效值高于頂層噴淋層組合形式，此規律也與上述每層噴淋層的脫硫能效值變化規律一致。

4 結論

提出了脫硫能效指標，綜合考慮了脫硫性能和能耗2方面因素，通過定量方法直觀體現出脫硫運行經濟性，并通過CFD數值模擬方法，分別研究了液氣比、入口煙氣量、煙氣流速、入口SO2質量濃度、煙氣溫度等參量以及噴淋層組合方式對濕法脫硫塔能效的影響規律，得出以下結論：

1）脫硫能效值隨液氣比增大和煙氣溫度升高而下降，隨入口SO2質量濃度增大而升高。液氣比對脫硫能效值影響較大，是影響脫硫運行經濟性的重要因素。

2）脫硫能效值隨入口煙氣量和塔內煙氣流速增大先上升后下降，在塔徑不變的情況下，入口煙氣量增大，截面煙氣流速隨之增大，故二者影響規律相同。

3）當4層噴淋層同時開啟時，脫硫能效由高到低分別為第2層、第4層、第3層和第1層。噴淋層組合數越多，脫硫能效值越低。開啟噴淋層數量相同時，底層噴淋層組合的脫硫能效值高于頂層噴淋層組合的脫硫能效值。

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Study on Energy Efficiency Characteristics of Wet Flue Gas Desulfurization Tower

LENG Yajuan, HU Rui, CUI Lin, DONG Yong*

(National Engineering Laboratory of Coal-fired Pollutant Reduction (Shandong University),Jinan 250061, Shandong Province, China)

Aiming at the lack of energy efficiency law of wet flue gas desulfurization, this paper takes the wet flue gas desulfurization tower of a 150 MW unit which has been in ultra low emission standard as the research object. An energy efficiency index of desulfurization, namely desulfurization energy efficiency value, was constructed based on the main energy consumption and desulfurization efficiency of the desulfurization equipment. The effects of liquid/gas ratio, inlet flue gas volume, flue gas velocity, inlet SO2concentration, flue gas temperature and different spray layer combinations on the desulfurization energy efficiency characteristics were studied by combining numerical simulation and theoretical analysis. The results show that the desulfurization energy efficiency value ranges from 0.22kg/(kW·h) to 0.96kg/(kW·h), and changes in direct proportion with the inlet SO2concentration, changes in inverse proportion with the number of spray layer combinations, liquid-gas ratio and inlet flue gas temperature, with the inlet flue gas volume and the flue gas flow rate in the tower rises first and then decreases. This study provides a reference for desulfurization technology evaluation and energy-saving operation of desulfurization system.

wet desulphurization tower; numerical simulation; desulphurization energy efficiency value; energy efficiency index law

10.12096/j.2096-4528.pgt.20076

TK 16

國家重點研發計劃項目(2017YFF0209803)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2017YFF0209803).

2020-08-31。

(責任編輯 辛培裕)