煙氣余熱處理脫硫廢水數值研究

張天琦

（光大環保技術研究院（南京）有限公司 江蘇南京 211102）

0 引言

自然界的SO2主要來源于以煤為原料的燃燒工藝，釋放源包括熱力發電廠、垃圾焚燒廠、金屬冶煉廠等。

現階段，燃煤行業的煙氣脫硫技術主要是濕法脫硫。在濕法煙氣脫硫工藝流程中，煙氣先后經過熱交換器、吸收塔，SO2在吸收塔里與石灰漿直接接觸并被吸收去除。脫硫廢水的主要組成就是石膏漿液的脫水產物。由于石膏漿液不斷吸收煙氣中的氯化物，導致氯離子濃度升高。為了維持系統物質的平衡，防止氯離子濃度超標，要從系統中排放一定量的脫硫廢水［1］。

現有技術中，脫硫廢水的去除工藝主要有膜法、沉淀法和蒸發法。其中噴霧蒸發法只需要在煙道的特定位置布置一定數量的霧化噴槍，通過壓縮空氣將廢液霧化成較小粒徑的霧滴，霧滴在高溫煙氣的作用下完全蒸發。該工藝不僅成本低，而且能夠使得廢液零排放，優勢明顯［2-3］。

本文基于CFD 軟件，對某電廠660 MW 尾部煙道進行脫硫廢水噴霧蒸發數值模擬研究，探討各因素對廢水處理量的影響規律。

1 模型設置

1.1 模擬對象

某電廠660 MW 機組尾部彎曲煙道橫截面長5.4 m，寬4.2 m，豎直段高為9 m，總長度28 m，如圖1 所示。

圖1 660 MW 尾部煙道結構

1.2 模擬假設

模型計算過程，采用如下假設：①煙氣流動為不可壓縮流動；②忽略氣液兩相與煙道壁面的換熱；③忽略噴槍對流場的影響。

1.3 基本參數

模型計算基本參數設定如下：①煙氣量為8.65×105Nm3/h；②脫硫廢水排放量為3.2 m3/h；③空預器出口煙氣溫度150 ℃；④煙氣流速為10 m/s。

1.4 數學模型

（1）連續相模型。本文采用顆粒軌道模型進行研究，控制方程組如式（1）～（3）。

式中：uk、vk、wk分別為顆粒的瞬時軸向速度、徑向速度和切向速度，u、v、w 以及u′、v′、w′分別為氣相在3 個方向上的時均速度和脈動速度，rk為徑向坐標，t 為弛豫時間，g 為重力加速度。

（2）離散相模型。顆粒軌道模型的基本方程組包括：顆粒連續方程如式（4）、顆粒動量方程如式（5）、顆粒能量方程如式（6）。

（3）液滴蒸發模型。當液溫低于其沸騰溫度時，模型方程如式（7）。

式中：mp（t+δt）表示液滴相變后的質量，mp（t）為相變前的質量，Ni為液滴單位面積蒸發率，Ap為液滴的表面積，Mw，i為蒸發組分的分子量，δt 為步長。

當液溫高于其沸騰溫度時，模型方程如式（8）。

式中：Cp，∞為氣體定壓比熱，ρp為液滴密度，k∞為氣相導熱率，hfg為氣化潛熱。

（4）組分輸運模型。本文模擬過程中存在水蒸汽的擴散，并發生能量交換，故需要采用組分輸運模型。

（5）湍流模型。CFD 共提供了多種粘性模型，本文選擇k-ε模型。脫硫廢水的密度與自來水比較接近，采樣分析固率約為0.8%，忽略廢水中的顆粒物對蒸發的影響效果。

2 模擬結果

2.1 噴嘴安裝位置對液滴蒸發軌跡的影響

模擬條件為：煙速10 m/s，煙溫150 ℃，噴水量3.2 m3/h，霧化粒徑70 μm。噴嘴安裝位置對液滴蒸發軌跡的影響如圖2所示。

圖2 噴嘴安裝位置對液滴蒸發軌跡的影響

由圖2 可知，安裝在上壁面的噴嘴對液滴蒸發擴散較好，只有較少液滴顆粒靠近壁面；而安裝在下壁面及第一個彎頭的噴嘴使得多數液滴顆粒都靠近了煙道右壁面，容易造成管道壁面的腐蝕及積灰；而且由于液滴顆粒沒有完全的擴散開來，使得蒸發不完全，有部分液滴顆粒在煙道內沒有完全蒸發。安裝在豎直煙道處的噴嘴由于蒸發煙道較短，有部分液滴沒有完全蒸發，故選擇噴嘴安裝在上壁面。

2.2 煙氣溫度對廢水完全蒸發長度的影響

模擬固定煙氣流速為10 m/s，液滴粒子平均粒徑70 μm，入口煙氣溫度分別為：180 ℃、170 ℃、160 ℃、150 ℃、140 ℃、130 ℃。煙氣溫度對顆粒蒸發軌跡的影響如圖3 所示。

由圖3 可知，煙氣溫度與未完全蒸發的液滴的質量分數呈相反方向變化。煙氣溫度增高，顆粒達到臨界蒸發溫度所需時間就越少。當煙氣溫度為180 ℃時，廢水顆粒基本在進入第二個彎管就已經完全蒸發；當煙氣溫度為130 ℃時，到布袋進口才完全蒸發。

圖3 煙氣溫度對液滴蒸發軌跡的影響

2.3 煙氣流速對廢水完全蒸發長度的影響

模擬煙氣溫度為150 ℃，液滴粒子平均粒徑為70 μm，煙氣流速分別為7 m/s、8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s、12 m/s。煙氣流速對顆粒蒸發軌跡的影響如圖4 所示。

由圖4 可知，煙氣流速對霧滴流場影響不大。

圖4 煙氣流速對液滴蒸發軌跡的影響

2.4 液滴粒徑對廢水完全蒸發長度的影響

模擬煙氣溫度為150 ℃，煙氣流速為10 m/s，液滴粒徑分別為50 μm、60 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm。液滴粒徑對顆粒蒸發軌跡的影響如圖5 所示。

由圖5 可知，液滴粒徑對蒸發影響非常大，當液滴粒徑在50 μm～60 μm 之間時，液滴基本在管道第二個彎道前就已經蒸發完全，而液滴粒徑較大的則還需要一段距離才能完全蒸發。顆粒粒徑越小，液滴的比表面積越大，對流傳熱接觸面積就越大，蒸發的速率越快，完全蒸發長度也就越小。但是，霧化粒徑越小，霧化耗能越大、成本越高，應綜合考慮。

圖5 液滴粒徑對液滴蒸發軌跡的影響

3 結語

（1）當噴嘴安裝在煙道上壁面時，流場較為穩定，霧化顆粒接觸煙道壁面較少，減少了煙道壁面的腐蝕問題而噴射角度對流場的影響。

（2）隨著煙氣溫度的升高，煙道內完全蒸發的液滴顆粒也就越多。

（3）煙氣流速對液滴蒸發影響較小。

（4）影響液滴蒸發較大的因素是液滴粒徑，粒徑與蒸發時間呈正向關系變化。