多噴嘴脫硫廢水煙道蒸發特性模擬分析

焦世權，李玉龍，李恒凡，韓中合

(1.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;2.河北建投能源科學技術研究院有限公司，河北 石家莊 050056)

0 引 言

火電廠采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術[1-3]產生大量脫硫廢水，其水質成分復雜、易結垢且含有害物質[4-5]，常規水質處理技術存在裝置結構復雜、Cl-脫除率低、能耗高、經濟效益低等劣勢[6-7]。目前廢水零排放處理，主要分為煙氣余熱蒸發和蒸發結晶技術[8]，其中煙氣余熱蒸發按引出煙氣溫度的不同，分為低溫煙道蒸發和高溫煙道旁路蒸發，其中低溫煙道蒸發技術由于成本較低、布置簡單、不需額外占地面積等優點[9-12]受廣泛關注。

低溫煙道蒸發技術是利用空氣預熱器后的低溫煙氣蒸發脫硫廢水，廢液中水分蒸發霧化后，析出廢水中未蒸發的細小顆粒，繼而被后續除塵器等相關設備收集[13],該技術要求廢液在短時間和一定蒸發距離內完全蒸發，否則會出現煙道腐蝕、煙道結垢、除塵器腐蝕或結垢等問題[14]。目前該技術仍不成熟，實際電廠中安裝噴嘴進行試驗造價較高、便利性差，因此采用數值模擬法分析低溫煙道中布置噴嘴時廢液蒸發過程。

國內外已對該技術進行了大量數值研究，分析了煙氣和液滴性質等對蒸發距離和時間的影響[15-19]。賈翔等[15]以某350 MW機組空預器與除塵器之間的煙道為對象，分析了煙氣溫度對廢水液滴蒸發影響；周川等[16]主要研究了噴嘴噴射方式和液滴粒徑對廢液蒸發的影響。陸啟亮等[17]建立廢液煙道蒸發數值模擬平臺，發現煙氣溫度對廢液蒸發影響較大。馮書勤等[18]對低溫直煙道中的廢水蒸發進行分析，發現在較高煙氣溫度和噴嘴數量2個的情況下，廢水蒸發量增加；李德波等[19]研究了脫硫廢液在某600 MW機組噴霧干燥塔下的蒸發效果，煙氣流量和煙氣溫度對液滴的蒸發影響較大。

脫硫廢水煙道噴射蒸發技術中噴入霧化液滴的噴嘴數量是影響液滴蒸發重要因素，但對于噴嘴數量這一關鍵參數仍需進一步優化，明確其對蒸發運動過程的影響。

1 脫硫廢水霧化蒸發數值模擬

1.1 數學模型

脫硫廢水在尾部煙道內運動蒸發，該過程中主要涉及的數學模型有：煙氣控制方程、液滴控制方程、液滴和煙氣的耦合方程，詳細內容見參考文獻[20]。

1.2 物理模型及計算條件

脫硫廢水在尾部煙道內運動蒸發，針對這一過程進行如下假設[21]：① 煙氣為不可壓縮性流體；② 忽略煙氣粉塵對廢水蒸發的影響；③ 噴嘴的空間布置和體積結構不會對尾部流場和煙氣溫度等參數造成影響；④ 液滴為球形，不考慮液滴間的碰撞影響；⑤ 不考慮液滴和尾部煙道，尾部煙道和外界之間的輻射換熱效果；⑥ 液滴粒徑為平均粒徑。

對某330 MW鍋爐尾部煙道進行建模，模型及相關參數如圖1(a)所示。將多個霧化噴嘴布置在垂直煙道，且距離下底面高度為4.25 m的平面，該平面內均勻分布1、2、3或4個噴嘴，布置形式如圖1(b)所示。

圖1 多噴嘴噴霧模型及噴嘴布置形式Fig.1 Spraying model with multiple nozzles

采用Ansys Fluent 19.1進行模擬計算，煙氣入口、出口分別采用速度入口和壓力出口邊界條件，四周煙道壁面采用絕熱、無滑移的壁面條件，壓力與速度之間的耦合采用SIMPLE算法，當殘差<10-6時，認為計算收斂。在整個計算過程中，總噴水量保持不變，多噴嘴中單個噴嘴的噴水量平均分配，除特殊聲明研究相應影響因素的作用外，各參數取值見表1。首先進行網格無關性驗證，檢驗計算的網格能否符合精度的要求，分別選取網格數60.2萬、78.8萬和98.5萬個，網格無關性驗證見表2。

表1 操作參數Table 1 Operational parameter

由表2可知，當網格數分別為78.8萬和98.5萬個時，各計算結果差距較小。由于計算資源有限，且對模擬結果影響不大，因此選用78.8萬個網格進行模擬。

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

1.3 結果與討論

計算不同噴嘴數量時液滴蒸發距離與蒸發時間的關系，計算結果如圖2所示。由圖2可知，隨噴嘴數量增加，液滴在煙氣中的蒸發時間和距離均減少；

圖2 噴嘴數量對液滴軌跡的影響Fig.2 Effect of nozzle number on droplet trajectory

液滴顆粒向上運動，未出現貼壁現象，相鄰噴嘴霧化噴出的液滴很少出現重疊現象。增加噴嘴數量使每個噴嘴在單位時間內霧化的廢水液滴質量流量減少，液滴分布更加均勻，蒸發時間減少。

噴嘴數量對煙道煙氣溫度分布的影響如圖3所示，可知霧化液滴在煙氣內吸收煙氣熱量升溫蒸發，使各噴嘴上方煙氣溫度降低，出現低溫區域，且低溫區域沿煙氣流動方向進一步擴大，但各低溫區域并未重疊。各噴嘴射入的液滴僅吸收垂直于該噴嘴上方部分煙氣的熱量，不影響其他噴嘴噴入液滴的吸熱過程；噴嘴數量增多，噴嘴上方出現的低溫區域增大，但噴嘴上方煙氣平均溫度升高，最低溫度逐漸增大。

圖3 噴嘴數量對煙道煙氣溫度分布的影響Fig.3 Effect of nozzle number on flue gas temperature distribution

噴嘴數量對噴嘴中軸線溫度分布的影響如圖4所示，可知多噴嘴時，各噴嘴中軸線溫度分布類似。隨噴嘴數量增加，流場內最低溫度逐漸升高，但最終不同噴嘴數量下的中心軸溫度基本相同。流場內最低溫度的升高使煙氣與霧化液滴之間的平均溫差增大，霧滴與煙氣之間的對流換熱增強，加速了廢水霧滴的蒸發。由于脫硫廢水的總噴入量一致，最終煙氣達到相同溫度。

圖4 噴嘴數量對噴嘴中軸線溫度分布的影響Fig.4 Effect of the number of nozzle on the temperature distribution in the nozzle axis

不同噴嘴數量時，液滴的質量流量和運動位置隨蒸發時間的變化關系如圖5所示(圖中括號內數值分別表示蒸發時間和蒸發距離)。由圖5可知，液滴在煙氣中蒸發時，噴嘴數量越多，液滴質量流量降幅越快；液滴運動速度與噴嘴數量幾乎沒有關系，不同噴嘴數量時，液滴速度幾乎相等，蒸發距離與蒸發時間正相關。在操作參數時，雙噴嘴比單噴嘴的蒸發時間縮短了0.362 s、39.24%，蒸發距離縮短了3.99 m、40.61%，而4噴嘴比3噴嘴的蒸發時間僅縮短了0.046 s、9.16%，蒸發距離僅縮短了0.40 m、7.34%。

圖5 不同噴嘴數下質量流量和液滴位置隨時間的變化Fig.5 Variation of mass flow and position with time at different number of nozzles

2 影響因素分析

2.1 煙氣溫度的影響

當噴嘴數量分別為1、2、3和4，煙氣溫度分別為120、150、180、210和240 ℃時，計算液滴的蒸發時間和距離，如圖6所示。

圖6 煙氣溫度對蒸發時間及距離的影響Fig.6 Effect of flue gas temperature on evaporation time and distance

由圖6可知，同一噴嘴數量時，煙氣溫度增加，增大了氣液溫差，氣熱換熱熱流密度增大，進而降低了蒸發時間和蒸發距離；煙氣溫度相同時，隨噴嘴數量的增加，液滴蒸發時間降低、蒸發距離縮短，但蒸發時間和距離降幅減少；煙氣溫度為180 ℃時，雙噴嘴比單噴嘴的蒸發時間縮短了0.253 s、38.3%，蒸發距離縮短了2.49 m、36.0%，而3噴嘴比4噴嘴的蒸發時間僅縮短了0.017 s、4.67%，蒸發距離僅縮短了0.39 m、3.79%。

不同煙氣溫度和噴嘴數量時，霧化液滴總質量流量與蒸發時間的關系如圖7所示。

圖7 不同煙氣溫度下質量流量隨蒸發時間的變化關系Fig.7 Variation of mass flow with evaporation time at different flue gas temperatures

增加噴嘴數量與升高煙氣溫度均會加速廢水液滴總質量流量減少，加劇液滴蒸發，但液滴蒸發速度受煙氣溫度的影響較大。

2.2 煙氣流速的影響

對比不同噴嘴數量下，煙氣流速分別為為6、8、10、12和14 m/s時，液滴蒸發時間及蒸發距離的變化特性如圖8所示。

圖8 煙氣流速對蒸發時間及距離的影響Fig.8 Effect of flue gas flow rates on evaporation time and distance

由圖8可知，同一噴嘴數量時，液滴蒸發時間隨煙氣流速的增加而減小，單噴嘴下的液滴蒸發效果所受影響最大。煙氣流速一定時，噴嘴數量越多，液滴蒸發時間減小，但其減小幅度降低。煙氣流速為12 m/s時，雙噴嘴的蒸發時間為0.525 s，比單噴嘴的蒸發時間0.773 s減少了0.248 s、32.1%，而4噴嘴的蒸發時間0.453 s，比3噴嘴的蒸發時間0.478 s減少了0.025 s、5.11%。

不同煙氣流速下蒸發距離隨蒸發時間的變化關系如圖9所示。液滴的運動速度主要受煙氣流速的影響，與噴嘴數量關系不大。單噴嘴時，由于總蒸發時間變動幅度較大，在蒸發時間和煙氣速度的共同影響下，隨煙氣流速增加，蒸發距離先減小后增大，煙氣流速為10 m/s時，蒸發距離最短9.85 m；多噴嘴時，液滴蒸發時間變動幅度很小，煙氣流速起主導作用，煙氣流速增加，液滴所受曳力增大，速度增大，運動距離增大。

圖9 不同煙氣流速下蒸發距離隨蒸發時間的變化關系Fig.9 Variation of evaporation distance with evaporation time at different flue gas flow rates

2.3 煙氣含水量的影響

煙氣中水蒸氣體積分數分別為0、5%、10%、15%和20%時，計算不同噴嘴數量時液滴蒸發時間和距離，如圖10所示。

圖10 煙氣含水量對蒸發時間及距離的影響Fig.10 Effect of flue gas vapor contents on evaporation time and distance

由圖10可知，相同噴嘴數量時，蒸發時間和蒸發距離隨煙氣含水量的增加而增大，尤其單噴嘴受煙氣含水量影響較大。噴嘴數目為4，煙氣含水量從0增至20%時，蒸發時間由0.375 s增至0.544 s，增加了約44.91%，蒸發距離由4.15 m增至5.85 m，增加了約41.0%。單噴嘴時，液滴在煙氣含水量由0增至20%時，蒸發時間由0.584 s增至1.051 s, 增加了約80.0%，蒸發距離由6.273 0 m增至11.519 1 m，增加了約83.6%。

煙氣含水量相同時，液滴蒸發時間和蒸發距離隨噴嘴數目的增多而減少，但隨噴嘴增多，降幅減小。煙氣含水量為10%時，4噴嘴時的蒸發時間和蒸發距離分別為0.458 s、5.05 m,單噴嘴蒸發時間和蒸發距離分別為0.921 s、9.85 m,蒸發時間和蒸發距離分別縮短了0.463 s和4.80 m，相比此含水量下3噴嘴的蒸發時間0.496 s和蒸發距離5.46 m，則減小了約0.038 s和0.41 m。

2.4 液滴初始平均粒徑的影響

液滴初始平均粒徑分別為20、50、80、110和140 μm時，不同噴嘴數量下，液滴蒸發時間及蒸發距離的變化特性如圖11所示。

圖11 液滴初始平均粒徑對蒸發時間及距離的影響Fig.11 Effect of initial average droplet sizes on evaporation time and distance

由圖11可知，液滴初始平均粒徑對液滴蒸發時間和蒸發距離有較大影響，不同平均粒徑下的液滴蒸發趨勢相同。4噴嘴時，液滴初始平均粒徑由20 μm增大到50 μm時，蒸發時間和蒸發距離分別增加了0.164 s和1.76 m；當液滴初始平均粒徑由110 μm增大到140 μm時，蒸發時間和蒸發距離分別增加了0.125 s和1.36 m。不同噴嘴數量時，蒸發時間和蒸發距離隨液滴初始粒徑的變化趨勢一致，蒸發時間和蒸發距離隨噴嘴數量的增加而減少，且隨噴嘴數量的增加，其減少幅度降低。當液滴粒徑為110 μm時，雙噴嘴比單噴嘴的蒸發時間減少了0.285 s，蒸發距離減小1.40 m；4噴嘴比3噴嘴的蒸發時間僅減少了0.042 s，蒸發距離僅減少了0.382 m。

不同初始液滴平均粒徑下液滴質量流量隨蒸發時間的變化如圖12所示，可知粒徑越小、噴嘴數量越多，液滴質量流量下降越快，液滴蒸發速度越快。相同平均粒徑下，噴嘴數量越多，液滴蒸發速度越快，總質量流量降幅增大；噴嘴數量一定時，隨平均粒徑的增大，液滴蒸發速度減慢，總質量流量下降減慢。液滴粒徑決定了液滴比表面積，粒徑越小，相對比表面積越大，從而與煙氣之間的相對接觸面積較大，對流換熱效果增強，單位時間內液滴吸收的煙氣熱量增多，單位時間內蒸發的液滴數目增多。

圖12 不同初始液滴平均粒徑下液滴質量流量隨蒸發時間的變化Fig.12 Variation of droplet mass flow rate with evaporation time at different initial average droplet sizes

2.5 液滴初始速度的影響

對比不同噴嘴數量下，液滴初始速度分別為5、10、15、20和25 m/s時，液滴蒸發時間及蒸發距離的變化特性，模擬結果如圖13所示。

圖13 液滴初始速度對蒸發時間及距離的影響Fig.13 Effect of droplet velocities on evaporation time and distance

由圖13可知，同一噴嘴數量時，液滴初始速度的增加使液滴蒸發時間和蒸發距離減小，加強了氣液兩相之間的擾動，雷諾數增大，對流傳熱傳質效果加強。雙噴嘴時，液滴速度由5 m/s增至25 m/s時，液滴蒸發時間由0.642 s降為0.531 s，蒸發距離由6.57 m減至4.45 m。液滴初始速度相同時，隨噴嘴數量增多，液滴蒸發時間和距離均減少，但減少的幅度逐漸縮小。當液滴速度為20 m/s時，雙噴嘴與單噴嘴相比，蒸發時間減少了0.370 s，蒸發距離減小3.99 m；4噴嘴比3噴嘴的蒸發時間僅減少了0.036 s，蒸發距離減小了0.335 m。

2.6 液滴初始溫度的影響

對比不同噴嘴數量下，液滴初始溫度分別為30、40、50、60和70 ℃時，液滴蒸發時間及蒸發距離的變化特性，模擬結果如圖14所示。

圖14 液滴初始溫度對蒸發時間及距離的影響Fig.14 Effect of droplet temperatures on evaporation time and distance

由圖14可知，同一噴嘴數量時，液滴初始溫度的增加使液滴蒸發時間和蒸發距離減小，且單噴嘴時液滴蒸發時間和蒸發距離降幅最大。隨噴嘴數量的增多，液滴蒸發時間和蒸發距離降幅逐漸減小。3噴嘴下，液滴初始溫度由30 ℃增至70 ℃時，液滴蒸發時間由0.518 s減為0.475 s，蒸發距離由5.57 m縮至5.36 m。液滴初始溫度相同時，液滴的蒸發時間和蒸發距離隨著噴嘴數量的增多而縮小，但降幅逐漸減小。當液滴初始溫度為60 ℃時，雙噴嘴比單噴嘴的蒸發時間減少了0.369 s，蒸發距離減小了3.89 m；4噴嘴比3噴嘴的蒸發時間僅減少了0.05 s，蒸發距離減小了0.39 m。

3 結 論

1)增加尾部煙道內霧化噴嘴數量可使噴出的廢水液滴分布更均勻，液滴在煙道上方垂直向上運動，較少向四周擴散；在噴嘴上方出現低溫區域，隨噴嘴數量增多，低溫區域總面積擴大，但不重疊，平均溫度和最低溫度均升高。

2)煙氣和液滴性質相同時，噴嘴數量的增多使霧化液滴蒸發速度加快，蒸發時間和蒸發距離減小，然而噴嘴數量增多對減少蒸發時間、縮短蒸發距離的作用逐漸減弱；液滴運動速度受噴嘴數量影響較小，不同噴嘴數量時，液滴運動速度幾乎相等。

3)噴嘴數量相同時，煙氣溫度升高、含水量降低，液滴平均粒徑減少、初始速度和初始溫度增加均會增大液滴蒸發速度，蒸發時間減小，蒸發距離縮短。煙氣流速增加可減少液滴蒸發時間，但液滴蒸發距離還受噴嘴數量影響。單噴嘴時，蒸發距離先減小后增大，當煙氣流速為10 m/s時，蒸發距離最短為9.85 m，多噴嘴時，液滴蒸發距離不斷減少。