脫硫廢水煙道蒸發技術的工藝設計

李恒凡，焦世權，韓中合

(華北電力大學 河北省低碳高效發電技術重點實驗室，河北 保定 071003)

0 引 言

石灰石-石膏濕法脫硫工藝因其脫硫效率高在燃煤電廠中應用廣泛[1-3]，但該工藝會定期產生一定量脫硫廢水，脫硫廢水水質特殊且水體污染性大[4-5]，傳統的水質處理技術，如化學沉淀法和水力除灰等，存在裝置復雜、氯離子脫除效率低、成本高等缺點。脫硫廢水煙道蒸發技術是將脫硫廢水噴入空氣預熱器與電除塵器之間的尾部煙道內，利用高溫煙氣對廢水進行蒸發處理，廢水蒸發為水蒸氣，而廢水中的細小顆粒隨飛灰被電除塵器捕捉，從而實現脫硫廢水零排放，且該技術操作簡單，經濟成本低，具有重要的工程實用價值[6-10]，在部分電廠推廣應用[11]。

脫硫廢水必須在尾部煙道一定距離內完全蒸發，避免對下游管道和設備腐蝕，國內外已對該技術工藝進行了大量數值研究[12-17]。鄭郝等[13]利用數值計算方法研究了煙氣性質與操作參數對單噴射點液滴在水平直煙道內蒸發過程的影響；張子敬等[14]分析了液滴由多噴嘴噴入真實鍋爐煙道中液滴群的蒸發規律及運動特征；陳鴻偉等[15]計算了液滴由單噴嘴噴入真實煙道中的蒸發規律，分析了運行參數對蒸發時間的影響；吳帥帥等[16]模擬了液滴由6個噴嘴噴入某鍋爐煙道內的蒸發過程，得到了煙氣和液滴性質對蒸發時間的影響。

目前，針對單個或多個噴嘴噴射的少量脫硫廢水在煙道內的蒸發特性研究較多，而針對機組實際產生的大量脫硫廢水噴入煙道內的蒸發運動過程研究較少，為指導脫硫廢水煙道蒸發技術在工程實際的應用，首先建立了脫硫廢水噴霧蒸發過程數學模型，使用數值模擬軟件Ansys Fluent，確定噴嘴與壁面之間的安全距離，然后模擬計算了將大量廢水由不同布置方式的噴嘴組噴入某300 MW鍋爐尾部煙道時脫硫廢水液滴的蒸發特性，并分析煙氣和液滴性質對脫硫廢水蒸發過程的影響，從而為噴嘴組的布置優化提供參考。

1 脫硫廢水霧化蒸發數值模擬

為了簡化相關模型和計算，對廢水液滴在煙道中的蒸發過程進行以下假設[18]：

1)由于空預器出口處煙氣速度較低，將進入尾部煙道的煙氣視為不可壓縮性流體。

2)經噴嘴霧化噴出后的液滴粒徑為等徑球形且內部溫度均勻。

3)煙道壁面為絕熱壁面，忽略煙道壁面與液滴的熱輻射作用。

4)由于煙氣中粉塵質量占比較小，默認粉塵對廢水液滴蒸發無影響。

5)噴嘴所占的空間體積較小，忽略煙道中的噴嘴機構對尾部煙道煙氣流場的影響。

6)假設液滴之間的碰撞為彈性碰撞，忽略液滴之間的碰撞影響。

1.1 數學模型

1.1.1 煙氣場的基本控制方程

尾部煙道中的煙氣流動時必須遵守質量、動量和能量守恒，其通用形式[19-20]如下：

(1)

式中，ρg為煙氣密度，kg/m3；φ為通用變量，分別表示相應控制方程中的速度分量、溫度、湍流動能和湍流動能耗散率；t為時間，s；ui為速度矢量，m/s；Γφ為廣義擴散系數；Sφ為氣液兩相流場中霧化液滴對煙氣流場的作用力源項。

1.1.2 霧化液滴動量方程

脫硫廢水霧化液滴在煙道中主要受重力和曳力的作用，液滴顆粒的動量方程為

(2)

式中，up為霧化液滴速度，m/s；FD為曳力系數；ug為煙氣流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρp為廢水液滴密度，kg/m3。

1.1.3 霧化液滴傳熱傳質方程

霧化液滴與煙氣傳熱傳質分為以下3個階段：

1)噴嘴霧化后的初始廢水液滴溫度較低，小于煙氣溫度，此時液滴與煙氣發生對流傳熱，當忽略液滴與煙氣及煙道內壁之間的輻射換熱時，霧化液滴的熱平衡方程為

(3)

式中，mp為霧化廢水液滴的質量，kg；cp為霧化液滴定壓比熱容，J/(kg·K)；Tp、Tg為霧化液滴和煙氣的溫度，K；h為廢水液滴與煙氣對流換熱系數，W/(m2·K)；Ap為廢水液滴與煙氣的換熱接觸面積，m2。

對流換熱系數h為

(4)

式中，Nu、Re和Pr分別為為煙氣的努塞爾數、雷諾數和普朗特數；dp為廢水液滴直徑，m；kg為煙氣導熱系數，W/(m2·K)。

2)霧化液滴吸收煙氣熱量用于自身蒸發段，此時達到液滴蒸發溫度但仍小于液滴沸騰溫度，此過程方程為

(5)

式中，hfg為霧化液滴汽化潛熱，J/kg。

隨液滴不斷吸熱，在高于蒸發溫度的蒸發過程中，蒸汽的濃度梯度為液滴蒸發的驅動力，此過程方程為

Ni=ki(Ci,s-Ci,g)，

(6)

(7)

式中，Ni為蒸汽流率，mol/(m2·s)；ki為傳質系數，m/s；Ci,s為液滴表面的水蒸氣濃度，mol/m3；Ci,g為煙氣中水蒸氣濃度，mol/m3；Psat(Tp)為飽和蒸汽壓，Pa；R為普適氣體常數,取8.31 J/(mol·K)。

3)當液滴溫度達到沸騰溫度時，此溫度下的傳熱傳質方程為

(8)

式中，cp,g為煙氣定壓比熱容，J/(kg·K),Red為液滴雷諾數。

1.2 物理模型和邊界條件

選取某300 MW鍋爐空預器至除塵器之間的尾部煙道為研究對象，其計算區域如圖1所示。煙道長度為15.0 m，煙道橫截面為6.6 m×6.6 m的正方形，脫硫廢水霧化液滴通過多個噴嘴噴入煙道，噴嘴布置在水平煙道入口0.5 m截面處，霧化噴射方向水平向前。煙氣入口采用速度入口，出口為壓力出口，其他壁面采用無速度滑移的絕熱壁面，脫硫廢水液滴采用離散型(DPM)模型進行計算，廢水蒸發簡化為水滴蒸發，即離散相選擇水分液滴[14,16]。采用六面體結構性網格劃分計算區域網格，總網格數為98.5萬個。除特殊聲明以研究相應影響因素的作用外，各參數取值見表1。

表1 操作參數設定Table 1 Operational parameter settings

圖1 脫硫廢水尾部煙道噴霧模型Fig.1 Desulphurization waste water spraying model of tail flue

對網格進行無關性驗證，選取3種網格密度，當單個噴嘴流量為0.005 kg/s，采用設定操作參數計算時，計算結果見表2。

表2 網格無關性驗證結果Table 2 Grid independence verification results

由表2可知，網格數量98.5 萬個與121.6萬個相比，煙道出口煙氣速度、溫度、蒸發時間和蒸發距離之間差值很小，而網格數量為78.8萬個時，與98.5萬個相差較多，計算精度較差，考慮相關的計算資源和時間，故計算時采用網格數量為98.5萬個網格進行計算。

2 噴嘴與壁面的安全距離

為避免脫硫廢水液滴在噴射和運動過程中與壁面發生碰撞，引起煙道壁面腐蝕結垢，因此在鍋爐尾部煙道中安裝的噴嘴與壁面之間必須預留一定間距，即安全距離。噴嘴與鍋爐尾部煙道壁面之間的安裝間距如圖2所示，其中A、B、C分別表示噴嘴與下、上壁面和右壁面之間的距離，m。從小到大設置噴嘴到壁面的距離，計算不同煙氣溫度、速度和液滴粒徑下，所有液滴顆粒不碰壁的最小距離，即為相應的安全距離A、B、C。

圖2 噴嘴與煙道壁面的安裝間距示意Fig.2 Diagram of distance between nozzle and flue wall

2.1 煙氣溫度的影響

計算煙氣溫度在120～160 ℃、不同脫硫廢水噴射流量時，安全距離A、B、C，其中安全距離A和C隨煙氣溫度的變化分別如圖3和表3所示。

圖3 不同溫度下的安全距離AFig.3 Safe distance A at different temperatures

表3 不同溫度下的安全距離CTable 3 Safe distance C at different temperatures

噴嘴質量流量相同時，隨煙氣溫度上升，安全距離呈下降趨勢；且噴嘴質量流量越小，安全距離越小。在重力作用下，液滴在煙道中的運動軌跡會向下稍微偏移，使安全距離A大于安全距離B，溫度和流量對A的影響較為明顯，在設置的流量和溫度范圍內，A在0.20～0.50 m變化，當B≥0.15 m后，能防止液滴貼壁；C受液滴流量和煙氣溫度的共同影響，當流量小于0.01 kg/s時，安全距離C>0.15 m可滿足要求，當流量為0.015 0 kg/s，煙氣溫度為120 ℃時，C達到最大值0.20 m。

2.2 煙氣流速的影響

計算煙氣流速在6～14 m/s、不同脫硫廢水噴射流量情況下，安全距離A、B、C，其中安全距離A和C隨煙氣流速的變化情況分別如圖4和表4所示。

圖4 不同流速下的安全距離AFig.4 Safe distance A at different flow rates

表4 不同流速下的安全距離CTable 4 Safe distance C at different flow rates

隨煙氣速度的升高，安全距離逐漸下降；且噴射流量越小，安全距離越低。煙氣流速對安全距離A的影響較為明顯，在計算流速范圍內，A在0.20～0.50 m 變化，當B≥0.15 m后，能防止液滴貼壁；安全距離C受液滴流量和煙氣流速的共同影響，當流量小于0.007 5 kg/s時，C>0.15 m可滿足要求，當流量為0.015 0 kg/s，煙氣速度為6 m/s時，C達最大值0.25 m。

2.3 液滴粒徑的影響

計算當液滴粒徑為20～140 μm時，不同脫硫廢水噴射流量情況下，安全距離A、B、C，其中安全距離A、B、C隨液滴粒徑的變化分別如圖5、表5和表6所示。

表5 不同粒徑下的安全距離BTable 5 Safe distance B at different droplet diameters

表6 不同粒徑下的安全距離CTable 6 Safe distance C at different droplet diameters

圖5 不同粒徑下的安全距離AFig.5 Safe distance A at different droplet diameters

隨液滴粒徑的增加，安全距離逐漸增大；且噴射流量越大，安全距離越大。液滴粒徑對安全距離A

的影響較明顯，在設置粒徑范圍內，A在0.1～0.6 m變化，液滴粒徑為140 μm時，不同流量下的A均為0.6 m；液滴粒徑對安全距離B和C的影響相對較小，隨液滴粒徑增加，B和C均從0.1 m增至0.3 m，流量為0.015 0 kg/s，液滴粒徑為140 μm時，B和C均達最大值0.30 m。

2.4 安全距離的確定

由上述計算可知，當煙氣溫度120 ℃、速度6 m/s且液滴粒徑140 μm時，需設置最大安全距離。計算此工況時，不同流量情況下各個安全距離A、B和C，計算結果見表7。

表7 最不利工況的各安全距離Table 7 Each safety distance at the most adverse operating conditions

3 脫硫廢水煙道蒸發工藝設計

3.1 噴嘴組布置形式

某300 MW機組待處理的脫硫廢水量為4 m3/h，溫度為323.15 K，根據表7中各安全距離，確定安全區域，在安全區域內均勻布置多個噴嘴，噴嘴數量、布置方式和單噴嘴質量流量見表8。

表8 噴嘴布置方式及單噴嘴質量流量Table 8 Nozzle layout and flow rate of single nozzle

3.2 影響因素分析

計算不同煙氣流速、煙氣溫度和液滴粒徑時，不同噴嘴數量情況下，液滴的蒸發距離和時間。煙氣溫度對蒸發時間及距離的影響如圖6所示，可知同一噴嘴數量時，液滴的蒸發距離和蒸發時間正相關，隨煙氣溫度增加，氣液之間溫差增大，二者間換熱熱流密度增加，使蒸發時間降低、蒸發距離縮短且時間和距離降幅逐漸變小。對于156個噴嘴工況，煙氣溫度由120 ℃提高到140 ℃時，蒸發時間由1.248 s縮至0.823 s，縮短了0.425 s，蒸發距離由12.65 m縮至8.39 m，減少了4.26 m；當煙氣溫度由140 ℃提高到160 ℃時，蒸發時間由0.823 s縮至0.623 s，僅縮短了0.2 s，蒸發距離由8.39 m縮至6.36 m，僅減少了2.03 m。

煙氣流速對蒸發時間及距離的影響如圖7所示，可知噴嘴數量相同時，煙氣流速的增加加劇了液滴表面的對流傳熱傳質程度，使液滴蒸發速率加快，液滴蒸發時間下降，且降幅逐漸變小。121個噴嘴時，煙氣流速從6 m/s增至10 m/s時，液滴蒸發時間由1.276 s降至0.914 s，下降了0.362 s；當煙氣流速從10 m/s增至14 m/s時，液滴蒸發時間由0.914 s降至0.741 s，下降了0.173 s。盡管液滴蒸發時間降低，但由于煙氣流速增加，液滴隨煙氣運動，在液滴蒸發時間和煙氣速度的共同作用下，隨煙氣流速增加，蒸發距離逐漸增大，僅當噴嘴流量最小為0.005 kg/s時，蒸發距離隨煙氣流速的增加先減少后增大，當煙氣流速為10 m/s時，達到最短蒸發距離6.42 m。對于121個噴嘴時，煙氣流速從6 m/s增至14 m/s時，液滴蒸發距離由8.12 m增至10.39 m，增加了2.27 m。可見煙氣流速對液滴蒸發時間有較大影響。

圖7 煙氣流速對蒸發時間及距離的影響Fig.7 Effect of flue gas flow rates on evaporation time and distance

液滴初始粒徑對蒸發時間及距離的影響如圖8所示，可知不同噴嘴狀況下，隨液滴粒徑增大，蒸發距離增大。這是因為液滴粒徑越大，霧化液滴比表面積越小，使液滴與煙氣之間的換熱面積減小，單位時間內吸收的熱量減少，從而降低了液滴的蒸發速度，延長了蒸發時間，增加了蒸發距離，液滴粒徑較噴嘴數對蒸發時間和距離的影響較大。噴嘴數量相同時，液滴粒徑增加會增大液滴完全蒸發時間，且增幅越大，完全蒸發距離加速增加。噴嘴數量在156個時，當液滴粒徑由20 μm增至80 μm時，完全蒸發時間增加了0.326 s，蒸發距離增加了3.31 m；當液滴粒徑由80 μm增至140 μm時，完全蒸發時間增加了0.636 s，蒸發距離增大了6.40 m。

圖8 液滴初始粒徑對蒸發時間及距離的影響Fig.8 Effect of initial droplet sizes on evaporation time and distance

3.3 最大處理能力

鍋爐在變工況運行時，產生的脫硫廢水量發生變化，當脫硫廢水流量增加后，計算不同噴嘴數量時液滴的蒸發時間和距離。當煙氣溫度為140 ℃、煙氣流速為10 m/s、液滴粒徑為80 μm、總脫硫廢水量分別增加5%、10%、15%、20%和25%時，計算結果如圖9所示。

圖9 流量增加對蒸發距離的影響Fig.9 Effect of increased flow on evaporation distance

當脫硫廢水增加后，在計算過程中所有液滴均完全蒸發，未出現逃逸或貼壁的現象，且液滴的蒸發時間和距離逐漸增加。總脫硫廢水量增加時，對于較多的噴嘴數量，單個噴嘴的流量及增值較小，蒸發距離始終較短，使得可處理的廢水量增幅更大，最大處理能力較強；而對于噴嘴數量較少的情況，因單個噴嘴流量及增值較大，蒸發距離較長，相應流量增加，可能導致蒸發距離增加過大，出現沾壁危險工況，故相應的流量增幅不能過大。

3.4 噴嘴布置建議

通過分析噴嘴布置形式、噴水量、煙氣溫度、煙氣速度和液滴粒徑對脫硫廢水液滴蒸發性能影響可知，這5種因素對液滴蒸發時間和距離均有不同程度影響，進而影響廢水煙道蒸發系統在實際機組中的應用。針對機組實際運行情況，隨噴嘴數量增加，降低單個噴嘴的噴水量可使蒸發時間和距離降低，提高脫硫廢水煙道蒸發系統的最大可處理脫硫廢水流量，增強該系統的適應性；但增加噴嘴數量會增加系統復雜性，使系統出現故障的概率增加，同時增加控制難度。因此針對某一具體機組，在充分考慮機組運行情況的前提下，應結合機組煙道實際情況，可能出現的脫硫廢水增加量，合理選擇噴嘴的布置形式。

4 結 論

1)噴嘴與壁面之間的安全距離隨噴射流量的增加而增大。噴射流量一定時，隨煙氣溫度升高、煙氣流速增加和液滴粒徑縮小，安全距離均有不同程度下降；考慮重力的影響，液滴在煙道中運動軌跡稍向下偏移，使安全距離A大于安全距離B，安全距離A受煙氣溫度、速度和液滴粒徑的影響較大，安全距離C次之，安全距離B受到的影響最小。

2)根據最不利工況，計算噴嘴與各壁面的安全距離，結合實際脫硫廢水的流量，確定了噴嘴組在煙道內的布置區域、布置形式和單噴嘴噴射流量。

3)同一噴嘴數量時，隨煙氣溫度升高、流速增大、液滴粒徑縮小，液滴蒸發時間下降，蒸發距離縮短；隨噴嘴數量增加，單個噴嘴噴射流量降低，蒸發時間和距離均下降。

4)噴嘴數量越多，整個脫硫廢水處理系統可處理的脫硫廢水量提升幅度較大，但隨噴嘴數量的增加，安裝控制難度加大，需根據實際情況，選擇合適的噴嘴布置形式，合理設計廢水煙道蒸發系統。