脫硫廢水零排放處理系統蒸發段翅片結構的數值模擬

許 蕾 虞 斌 凌衛平 王風錄 田一皓

（南京工業大學機械與動力工程學院）

“碳達峰、碳中和”是我國當前的重要目標之一［1］。 對于電力行業，“雙碳”目標要求著力提高能源利用效能，控制化石能源消費總量，實施可再生能源替代，建立以新能源為主體的新型電力系統，構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，將我國發展建立在高效資源利用、嚴格保護生態環境、有效控制溫室氣體排放的基礎上， 推動我國綠色發展邁上新臺階［2］。

我國是一個“富煤、貧油、缺氣”的發展中國家，現階段，煤炭是我國經濟發展的主要能源，在一次能源消耗中占比超過50%，而其中用于發電的煤炭就約占煤炭總消費的70%［3，4］。 因此，提高燃煤電廠能效可以有效減少總能耗。 此外，先進的燃煤發電技術還有助于解決我國當前的環境污染問題，如二氧化硫、氮氧化物的過量排放及酸雨等［5，6］。

近年來，我國火電廠新建的脫硫系統中，大多采用的是石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術［7，8］。 然而， 濕法煙氣脫硫技術會導致系統在運作時形成脫硫廢水， 因其組分的特殊性、 復雜性和強腐蝕性， 脫硫廢水的處理成為制約火電廠廢水零排放的關鍵［9］。 針對燃煤電廠中脫硫廢水的處理問題，響應國家對脫硫廢水處理零排放的要求， 筆者開發了一種新型燃煤電廠脫硫廢水零排放處理系統，通過設定翅片管的結構參數，改變翅片高度和間距， 研究和分析各因素對殼程煙氣流動和傳熱性能的影響。

1 新型脫硫廢水零排放處理系統

新型燃煤電廠脫硫廢水零排放處理系統流程如圖1所示［10］。 該系統包括分離式相變換熱技術、多效蒸發濃縮技術和濃液噴霧干燥固化技術。 其具體工作流程為： 通過分離式相變換熱技術從鍋爐煙氣中獲取煙道中的熱煙氣余熱； 然后利用所獲得的熱量為多效蒸發濃縮技術提供熱蒸汽，從而使脫硫廢水中90%的潔凈水被回用； 最后通過熱煙氣對多效蒸發后所產生的濃液進行噴霧干燥固化處理［11］。

圖1 新型燃煤電廠脫硫廢水零排放處理系統流程

2 幾何模型建立

針對系統中相變換熱技術和多效蒸發技術的耦合點，對復合相變換熱器蒸發段煙氣側進行研究模擬分析。 由于蒸發段的整體結構復雜，所包含的換熱管數量多，且翅片管翅片密集，故建立整體結構模型難度較大， 需對其結構進行簡化。圖2為模型計算區域示意圖。在模擬計算過程中，入口處和出口處極易產生回流，故通過延長模型中煙氣進出口長度的方法來有效避免此現象的發生， 進口延長長度為翅片管外徑的1.2倍，出口延長長度為翅片管外徑的3.6倍，得到翅片管的簡化模型如圖3所示。

圖2 模型計算區域示意圖

圖3 翅片管的簡化模型

對所建模型進行數值模擬分析時涉及煙氣的流動與翅片管的傳熱，故假設：煙氣不可壓縮，物性參數不受其他因素影響，且在翅片管壁面無滑移；翅片管導熱系數為常數。

2.1 網格劃分

對物理模型進行網格劃分， 將計算區域進行離散化處理，得到局部網格模型如圖4所示。

圖4 局部網格模型

2.2 控制方程

質量守恒方程：

其中，u、v、w分別表示x、y、z方向的速度分量。

動量守恒方程：

其中，p為流體壓力，μ為流體動力黏度，ρ為流體密度，g為重力加速度。

能量守恒方程：

式中 cp——定壓比熱容；

T——流體溫度；

λ——流體傳熱系數。

標準k-ε模型方程：

式中 c1、c2、cε、cμ——實踐經驗系數， 工程實踐中c1=1.44，c2=1.92，cε=1.3，cμ=0.09；

k——湍動能；

xk——空間坐標；

ε——湍動耗散率；

μk——速度分量；

μt——湍動黏度；

σk——湍動能普朗特數，σk=1；

σε——耗散率普朗特數，σε=1.3。

2.3 邊界條件及物性參數

基于蒸發段煙氣側翅片管仿真模型的相應參數和運作工況，初始條件設置如下：

a.入口邊界條件。 選取速度入口邊界，入口處煙氣溫度設定為553.15 K， 速度設定為5 m/s，湍流強度為5%，入口水的溫度為333.15 K，速度為0.5 m/s。

b.出口邊界條件。 選擇壓力出口邊界條件。

3 翅片管結構對傳熱性能的影響

通過設定翅片管的結構參數， 改變翅片的高度和間距， 研究和分析各因素對殼程煙氣流動和傳熱性能的影響。 適當調整模型的結構尺寸，煙氣入口速度取5 m/s， 分析翅片管結構參數對傳熱和阻力的綜合影響。 具體的翅片管結構參數見表1。

表1 翅片管結構參數

傳熱因子j的計算式為：

式中 h——煙氣與管間的對流換熱系數，

W/（m·℃）；

pr——普朗特數；

u′——最小流通截面的平均流速，m/s；

ρ′——煙氣密度，kg/m3。

摩擦因子f的計算式為：

式中 A——翅片管的總傳熱面積，m2；

Amin——最小流通截面積，m2；

Δp——流動阻力，Pa。

3.1 翅片間距對傳熱阻力性能的影響

圖5為不同翅片間距sf下煙氣入口速度與煙氣出口溫度的關系曲線。 可以看出，當煙氣入口速度不變時，隨著翅片間距的增大，煙氣出口溫度不斷上升；當翅片間距為6、10 mm時，不同煙氣入口速度下的煙氣出口溫度增長范圍在6.4%～7.7%；當翅片間距固定時，煙氣出口溫度隨煙氣入口速度的增大而增大，當煙氣入口速度為3、9 m/s時，各翅片間距下煙氣出口溫度的增長范圍在5.6%～6.4%；當翅片間距為8、10 mm時，兩條曲線較為接近，兩者傳熱性能相近，此時翅片間距的改變對傳熱性能的影響較小。

圖5 不同翅片間距下煙氣入口速度與煙氣出口溫度的關系曲線

圖6為不同翅片間距下煙氣入口速度與煙氣壓降的關系曲線。 可以看出，當煙氣入口速度一定時，隨著翅片間距的增加，煙氣壓降減小。 煙氣入口速度在3～9 m/s范圍內時， 翅片間距6 mm的煙氣壓降增幅最大，由65 Pa增大到501 Pa；翅片間距12 mm的煙氣壓降增幅最小，由38 Pa增大到279 Pa。當煙氣入口速度一定時，增加翅片間距會使蒸發段管束煙氣的流通截面積增加，但煙氣所經過的表面摩擦減小，翅片對煙氣流動的阻力降低，同時煙氣的湍流強度有所減弱，因此在分離式熱管換熱器蒸發段管束的進出口壓降減小。 當翅片間距一定時，增大煙氣入口速度，煙氣的湍流強度增加，導致煙氣壓降增大，流體阻力增加?？紤]到風機能源能耗的問題，應將翅片間距控制在合理范圍內。

圖6 不同翅片間距下煙氣入口速度與煙氣壓降的關系曲線

圖7為不同煙氣入口速度下翅片間距與綜合傳熱性能指標 （傳熱因子j與摩擦因子f的比值）的關系曲線。 可以看出，當翅片間距為6～8 mm時， 綜合傳熱性能指標隨翅片間距的增大而增大， 即翅片管的傳熱性能增幅大于阻力增幅， 各煙氣入口速度下綜合傳熱性能指標增長范圍在24.2%～53.5%； 當翅片間距為8～12 mm時， 綜合傳熱性能指標隨翅片間距的增大而減小，即翅片管的傳熱性能增幅小于阻力增幅，各煙氣入口速度下綜合傳熱性能指標下降范圍在8.7%～74.3%；當煙氣入口速度為7 m/s時，曲線的上升和下降幅度最小，在此工況下，翅片間距對傳熱性能的影響最小。綜上所述，翅片間距選擇8 mm時，傳熱性能最好。

圖7 不同煙氣入口速度下翅片間距與綜合傳熱性能指標的關系曲線

3.2 翅片高度對傳熱阻力性能的影響

圖8為不同翅片高度H下煙氣入口速度與煙氣出口溫度的關系曲線。 可以看出，當煙氣入口速度為3、9 m/s時，各翅片高度下煙氣出口溫度的增長范圍在1.9%～3.5%；當煙氣入口速度一定時，煙氣出口溫度隨翅片高度的增加而減小，不同入口速度下煙氣出口溫度的增長范圍在1.6%～3.2%；當煙氣入口速度在5～7 m/s范圍內，翅片高度為8、10 mm時，兩條曲線增幅平緩，同一煙氣入口速度范圍下當翅片高度為12、15 mm時，曲線增幅明顯變大。 綜上，當翅片高度在一定范圍內時，隨著翅片高度的增加，傳熱性能逐漸增加。

圖8 不同翅片高度下煙氣入口速度與煙氣出口溫度的關系曲線

圖9為不同翅片高度下煙氣入口速度與煙氣壓降的關系曲線。 可以看出，隨著煙氣入口速度的增加煙氣壓降平穩增加；當煙氣入口速度一定時，煙氣壓降隨著翅片高度的增加而減?。划敓煔馊肟谒俣仍?～7 m/s 范圍內，翅片高度在8～12 mm之間時，3條曲線較為接近， 說明在此范圍內煙氣壓降受翅片高度因素的影響較小。 為降低成本和風機功耗，翅片高度不宜選擇過小，且煙氣入口速度應在5～7 m/s范圍內較為適宜。

圖9 不同翅片高度下煙氣入口速度與煙氣壓降的關系曲線

圖10為不同煙氣入口速度下翅片高度與綜合傳熱性能指標的關系曲線。 可以看出，當煙氣入口速度一定時，隨著翅片高度的增加，綜合傳熱性能指標先上升后下降。 翅片高度在8～10 mm范圍內，綜合傳熱性能指標呈上升趨勢，在煙氣入口速度7 m/s時其平均增長率最大， 增長了298.34，在煙氣入口速度9 m/s時其平均增長率最低，增長了165.28。 翅片高度在10～12 mm范圍內，綜合傳熱性能指標呈下降趨勢，在煙氣入口速度為7 m/s時其平均降低率最大， 減少了251.82，在煙氣入口速度為9 m/s時其平均降低率最小，減少了93.71。 翅片高度在12～15 mm范圍內，綜合傳熱性能指標趨于穩定狀態。 由此得出，適當增加翅片高度可以強化換熱管內流體的綜合傳熱性能，當翅片高度為10 mm、煙氣入口速度為3 m/s時達到最佳綜合傳熱性能。

圖10 不同煙氣入口速度下翅片高度與綜合傳熱性能指標的關系曲線

4 結論

4.1 不同的翅片間距在一定范圍內對蒸發段殼程的煙氣流動與傳熱有影響， 翅片間距過小時，會增大煙氣的壓降，使風機功耗過大，成本增高；翅片間距過大時，傳熱阻力過小，使傳熱性能降低；當翅片間距為8 mm時，翅片管的傳熱性能最佳。

4.2 不同的翅片高度在一定范圍內對蒸發段殼程的傳熱性能也有較大影響， 當翅片高度過大時，傳熱阻力過大，當翅片高度過小時，會增大煙氣壓降，使風機功耗過大，成本過高；當翅片高度為10 mm時，翅片管的傳熱性能最佳。

4.3 不同的煙氣入口速度也會對煙氣流動與傳熱產生影響，速度越大，翅片管的傳熱性能越差，但是速度過小會使煙氣壓降升高，從而增加風機功耗，增大成本，所以煙氣入口速度應結合實際耗能情況取最小值。