火電廠濕法煙氣脫硫系統特性分析及故障仿真

張錦航， 喬宗良， 司風琪， 馬 歡， 汪 勇， 陳榮澤

(1. 東南大學 能源與環境學院，南京 210096；2.上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

濕法煙氣脫硫(WFGD)技術是當前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主要技術。近年來，隨著國家對環保要求的不斷提高，SO2排放質量濃度標準已經從原來的200 mg/m3降低至35 mg/m3，很多燃煤機組進行了超低排放改造。作為WFGD系統的核心設備，脫硫塔的設計、運行情況直接影響著脫硫效率。脫硫塔的運行環境較為惡劣時，經常會出現噴淋管堵塞、漿液惡化、除霧器堵塞等故障，嚴重影響脫硫系統運行的穩定性[1]。

隨著計算流體動力學(CFD)技術的發展，已有許多研究人員利用數值模擬的手段建立脫硫系統的流動模型。美國巴布科克·威爾科克斯公司率先將CFD技術引入脫硫系統的設計與改進中[2]，通過在脫硫塔中增加開孔托盤的方法增強氣液之間的傳質，提高脫硫效率。林永明等[3]利用FLUENT軟件對300 MW燃煤機組WFGD系統噴淋塔內的阻力特性進行了數值模擬，著重考察了不同塔徑、噴淋層間距和噴淋層數等設計條件，以及不同負荷、液氣比等運行工況下脫硫塔內的阻力特性。針對脫硫塔內SO2的吸收過程，也有許多研究人員進行了建模。ALTWICKER E R等[4]考察了單液滴吸收SO2的傳質及反應特性，基于滲透理論建立了液相傳質系數的計算模型。MAROCCO L[5]探索了脫硫塔內熱質傳遞與液相內部化學反應的相互影響，預測了脫硫噴淋裝置的壓降與吸收性能并驗證了計算模型的適用性。曲江源等[6]建立了流動、化學反應、傳質耦合的脫硫系統模型，并基于上述模型預測了脫硫塔內流動、SO2吸收及液滴pH分布等特性。雖然針對脫硫系統的建模已有大量研究，但是目前針對脫硫系統故障工況下特性的研究較少。因此，研究脫硫系統故障工況下的特性，有助于針對不同故障采取相應的防范手段。

筆者建立耦合化學反應、流動、傳質、傳熱模型的脫硫系統模型，基于該模型，分別對正常工況及故障工況下脫硫系統的特性進行分析。同時，探究漿液pH過低及噴淋管堵塞這2種脫硫系統常見故障對脫硫塔性能的影響，為后續故障診斷提供依據。

1 模擬對象及數學模型

1.1 模擬對象

模擬對象為某330 MW燃煤機組WFGD系統脫硫塔，其結構見圖1。原煙氣從塔底煙道入口流入，與噴淋層噴出的石灰石漿液逆流接觸，從而脫除煙氣中的SO2[7]。

圖1 WFGD系統脫硫塔模型

脫硫塔的計算高度為25.1 m，塔內布置4層噴淋層，布置高度分別為9.75 m、11.45 m、13.15 m、14.85 m?？紤]到模型的運算時間，將噴淋層、除霧器部分簡化為多孔介質模型。每層噴淋層布置125個噴嘴，噴嘴采用單向空心錐霧化噴嘴。建模時主要考慮脫硫塔內煙氣中SO2與漿液的吸收過程，因此進行了一定的簡化，不考慮漿液反應池的影響[8]。為了滿足工程應用精度要求并兼顧計算時的經濟性，對于脫硫塔內煙氣與液滴的兩相流進行了如下假設[6]：

(1) 將煙氣作為理想氣體，同時將液滴作為多組分剛性顆粒，不考慮由于蒸發、傳質等引起的液滴曳力系數的變化。

(2) 忽略漿液池對SO2的吸收，計算區域為漿液池以上部分。

(3) 除霧器、噴淋層管道對于流動的阻礙作用采用多孔介質進行處理。

(4) 假設噴淋漿液接觸到壁面后順壁面流下。計算過程中液滴碰到壁面即停止計算液滴軌跡及由此產生的源項。

(5) 將液滴內化學反應視為快速反應，溶質組分可在瞬間達到平衡狀態。

1.2 數學模型

1.2.1 液滴蒸發控制方程

對于液滴顆粒的蒸發過程，其傳質推動力為主流煙氣中水蒸氣分壓力與液滴表面溫度下對應的飽和水壓力的差。使用FLUENT軟件中用戶自定義函數(UDF)功能將水蒸發的傳質速率項作為源項，同時與連續相的計算過程進行耦合。

傳質速率的計算公式為：

vH2O=kH2O(pH2O-pH2O, s)AdMH2O

(1)

式中：vH2O為水蒸氣傳質速率；kH2O為水蒸氣傳質系數；pH2O為煙氣中水蒸氣分壓力；pH2O, s為液滴表面溫度下對應的飽和水壓力；MH2O為水的相對分子質量；Ad為液滴表面積。

水蒸氣傳質系數的關聯式[9]為：

(2)

式中：DH2O為水蒸氣的擴散率；Red為液滴雷諾數；Pr為普朗特數；d為液滴粒徑；R為氣體常數；Td為液滴溫度。

1.2.2 SO2吸收控制方程

脫硫過程是化學吸收過程，由于SO2的吸收為快速反應過程，反應速率應由傳質速率決定[10]。根據上述的簡化和假設，模型計算僅需要考慮吸收區SO2的傳質過程，采用雙膜理論建立SO2的傳質模型，其相關控制方程如下：

vSO2=kG(pSO2-cl, SO2/HSO2)AdMSO2

(3)

式中：vSO2為SO2傳質速率；kG為總傳質系數；pSO2為煙氣中SO2分壓力；cl, SO2為液滴中SO2的濃度；HSO2為SO2熱力學平衡常數；MSO2為SO2的相對分子質量。

總傳質系數的關聯式為：

(4)

式中：kg, SO2為氣膜內SO2傳質系數；kl, SO2為液膜內SO2傳質系數；E為傳質增強因子，參照文獻[11]取值。

氣膜內SO2傳質系數的計算公式為：

(pg0/pg)

(5)

式中：Tg為氣相溫度；Tg0為氣相標準狀況溫度；pg為氣相壓力；pg0為氣相標準狀況壓力。

液膜內SO2傳質系數的計算公式為：

(6)

式中：Dl, SO2為SO2在液相的擴散率；σd為液滴表面張力；md為液滴質量。

1.2.3 液滴內離子反應方程

液滴內的離子反應包括SO2吸收、吸收劑溶解、氧化及結晶反應[12]?；谇拔牡募僭O只考慮SO2的吸收和中和過程，得到反應方程為：

(7)

當液滴在計算區域中時，可以假設吸收和中和反應處于平衡狀態。這些平衡方程與硫的質量平衡、碳的質量平衡、電中性平衡方程可以構成8個非線性代數方程組，可以在求解每個液滴軌道計算中得到液滴內8種離子的濃度[10]。

化學反應的平衡常數與液滴溫度的關系為：

lnK=A+B/Td+ClnTd+DTd

(8)

式中：K為化學反應平衡常數；A、B、C、D均為系數，參照文獻[13]取值。

1.2.4 計算條件與數值求解

以機組滿負荷工況為計算條件，脫硫塔內入口煙氣速度為12 m/s，入口煙氣溫度為150 ℃，SO2初始質量濃度為5 000 mg/m3。入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界；脫硫塔壁面設置為無滑移、絕熱邊界。

對于離散相液滴的計算，根據設計圖紙，設定每個噴嘴的坐標，同時計算大量的液滴在脫硫塔內的運動軌跡。共有4層噴淋層，每層噴淋體積流量為6 000 m3/h，液滴密度為1 140 kg/m3，液滴溫度設置為50 ℃，液滴初始pH為5.5。模擬過程中將液滴的初始粒徑設置為0.5～5.0 mm，共分為10組，每組間隔0.5 mm。液滴粒徑分布符合Rosin-Rammler分布，即

(9)

液滴與脫硫塔壁面碰撞后即停止液滴軌道計算，邊界條件為trap；煙氣入口與出口位置設置邊界條件為escape。

1.2.5 模型驗證

圖2為不同液氣比下脫硫效率運行值與模擬值的對比，結果表明該模型模擬值與運行值較為吻合，可將其用于后續分析。

圖2 不同液氣比下脫硫效率模擬值與運行值的對比

2 脫硫系統特性分析

2.1 液滴運動特征

圖3為滿負荷時脫硫塔內液滴分布的情況。霧化液滴在連續不斷地從噴淋層均勻向下噴射的過程中，同時也受到煙氣的逆向沖擊。粒徑較大的液滴，質量也較大，在下落過程中的慣性較大，因此這些液滴集中分布在脫硫塔底部區域。對于小尺寸的液滴，尤其粒徑在2.0 mm以下的液滴，其運動慣性較小，很容易被煙氣夾帶，所以在SO2脫除過程中也伴隨大量小尺寸液滴被煙氣夾帶至除霧器區域的過程[14]。

圖3 脫硫塔內液滴粒徑分布

圖4為塔內不同截面位置處液滴粒徑分布。由圖4可得：除霧器前截面液滴粒徑小于0.5 mm的液滴質量分數為79%，液滴粒徑大于2.0 mm的液滴質量分數約為0%；塔底截面不同粒徑液滴的質量分數分布與初始液滴的質量分數分布基本一致。這表明脫硫塔內煙氣夾帶的液滴大部分為粒徑小于2.0 mm的細小顆粒，應重點關注這部分液滴對除霧器的影響。

圖4 不同截面處液滴粒徑分布

2.2 液滴pH分布

液滴pH是WFGD系統中的重要監測參數，通常推薦的pH運行值為5.2～6.0。以第1層噴淋管靠近入口煙氣側的2個噴嘴為研究對象，研究噴淋液滴在下落過程中pH的變化。

圖 5為不同粒徑液滴在下落過程中pH的變化。由圖5可得：粒徑為2.0 mm的液滴在塔內的停留時間約為1.42 s。隨著粒徑的增加，液滴在脫硫塔中的停留時間變短，粒徑為5.0 mm的液滴的停留時間約為1.22 s。大粒徑(d=5.0 mm)液滴在停留時間內，pH平均下降速率為0.25 s-1；而小粒徑(d=2.0 mm)液滴在停留時間內，pH平均下降速率為1.2 s-1。粒徑較大的液滴在塔內停留時間較短，并且吸收容量較大，因此pH下降較慢；而粒徑較小的液滴由于自身慣性較小，更容易跟隨煙氣在塔內運動，在塔內停留時間較長，并且吸收容量較小，因此pH下降較快。

圖5 不同粒徑液滴pH分布

圖6為噴嘴噴出的液滴在下落過程中pH的變化。當入口煙氣側的液滴在開始下落時，液滴pH能夠保持在5.0以上。隨著下落過程的逐漸進行，液滴下落到傳熱、傳質最劇烈的煙氣入口區域，該處氣相SO2濃度較大，液滴內溶解的SO2濃度較小。根據傳質模型，該處煙氣中氣相SO2傳質推動力較大，SO2吸收也最劇烈。在液滴繼續下落的過程中，液滴中SO2濃度中不斷累積，傳質推動力逐漸下降，液滴pH下降速率也逐漸減小。在經過煙氣入口處后，由于液滴pH的降低，液滴的吸收容量也逐漸趨于飽和。

圖6 噴嘴噴出的液滴在下落過程中pH的變化

2.3 塔內SO2質量分數分布

脫硫塔縱向中軸面SO2質量分數分布見圖7。在煙氣入口處，由于煙氣流速較快，此處氣流產生偏斜，液滴濃度較低，沒有足量的噴淋液滴對高濃度的SO2進行吸收，故SO2濃度較高。遠離煙氣入口處的噴淋液滴濃度較大，對于SO2的脫除作用較強，SO2質量分數很快降低并趨近于零。

圖7 脫硫塔縱向中軸面SO2質量分數分布

圖8為脫硫塔塔內不同高度處SO2質量分數的徑向分布。分別在4層噴淋層下方設置監測面，監測面高度分別為9.7 m、11.4 m、13.1 m、14.8 m。由圖8可得：隨著高度的逐漸增加，塔內SO2質量分數分布逐漸變得均勻。在經過第1層噴淋層后，整體上SO2濃度已經減少大半；在第4層噴淋層(14.8 m)處，SO2濃度的徑向分布偏差已逐漸消失。徑向分布偏差主要是由脫硫塔內的速度偏差導致的。局部煙氣速度增大，導致局部液氣比降低，進而降低液滴對SO2的吸收作用，故SO2的濃度較大。

圖8 不同高度處SO2質量分數的徑向分布

3 故障工況模擬及分析

3.1 液滴pH過低的影響

選取某330 MW燃煤機組WFGD系統作為建模對象。針對脫硫塔內常見的噴淋管堵塞、液滴pH過低這2種故障進行數值模擬，探究故障工況下脫硫塔內的流動與吸收特性。

影響液滴品質的因素有很多，最明顯的因素有液滴pH、石灰石種類等?；谝旱蝺入x子的反應模型，模擬了液滴pH低于正常運行值時，脫硫效率及液滴pH在下落過程中的變化。圖9為液滴pH與脫硫效率的關系。

圖9 液滴pH與脫硫效率的關系

由圖9可得：隨著液滴pH的逐漸降低，脫硫效率也逐漸下降，并且當液滴初始pH小于5時，下降速率逐漸加快。SO2吸收過程中總傳質系數主要受到增強因子的控制，增強因子是與pH密切相關的函數。隨著液滴pH的下降，增強因子逐漸下降[15]，總傳質系數也隨之減小，液滴吸收SO2的傳質推動力也減小。初始液滴pH由5.5降低到4.5時，脫硫效率由96.4%降低到90.3%。

3.2 噴淋管堵塞的影響

第1層噴淋管最靠近干濕界面交界的區域，該處噴淋管最容易發生堵塞故障[16]。因此，假設靠近煙氣入口處的第1層噴淋管發生堵塞。為了更明顯地觀察到噴淋管堵塞對脫硫系統的影響，以第1層噴淋管噴嘴靠近煙氣入口側區域的19個噴嘴堵塞為例，探究噴淋層發生局部堵塞對塔內流場及脫硫效率的影響。圖10為噴淋管堵塞區域。

圖10 噴淋管堵塞區域

圖11為正常工況與第1層噴淋管部分噴嘴堵塞時各高度SO2質量分數分布的對比。與正常工況相比，當第1層噴淋管局部堵塞時，與正常工況相比，10 m處的堵塞區域SO2質量分數增加14.9%，而15 m處的堵塞區域SO2質量分數增加8.1%。這主要是因為設計噴淋塔時留有一定的裕量，第2、3、4層的噴淋管可以繼續吸收因第1層噴淋管堵塞而逃逸的SO2。因此，隨著高度的提升，局部堵塞造成SO2質量分數升高的影響逐漸減弱。

圖11 堵塞與正常工況SO2質量分數分布的對比

4 結語

分析了脫硫塔內液滴pH分布特性及SO2質量分數分布特性，并且針對噴淋管堵塞、液滴pH過低這2種常見故障進行了仿真，得到的主要結論為：

(1) 當第1層噴淋管靠近煙氣入口側19個噴嘴堵塞時，與正常工況相比，堵塞區域SO2質量分數會增加。隨著高度的提升，局部堵塞造成SO2質量分數升高的影響逐漸減弱。

(2) 當液滴pH由5.5下降至4.5時，脫硫效率由96.4%降低到90.3%，并且下降速率逐漸增加。