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脱硫废水旁路塔雾化蒸发数值模拟


电力产业网讯,脱硫废水成分复杂难以回用,一些电厂已开始采用烟道雾化蒸发处理技术对其进行处理。脱硫废水直接喷入烟道会带来腐蚀、积灰、堵塞等问题,设置旁路蒸发塔对脱硫废水进行干燥是一种较好的选择。

为研究此项技术,以某330MW机组为例,通过计算脱硫废水与烟气的热质平衡,确定了烟气抽取量,建立了物理模型,利用数值模拟的方法对烟气流场进行优化,对喷嘴布置方式、液滴直径、烟气温度等的选择进行稳态模拟。

结果表明:抽取烟气量仅占总烟气量的2.27%,烟气流场即能够充满整个蒸发塔;三喷嘴的雾化蒸发效果可以使蒸发塔出口温度达到设计值120℃;液滴直径80μm以下,液滴颗粒无贴壁,液滴直径60μm时蒸发效果好。为延长颗粒停留时间,使颗粒无贴壁、少团聚,宜采用烟气旋流方式、三喷嘴、60μm雾化粒径以及600K以上的入口烟气温度。

火力发电厂是工业耗水和排水大户,节水潜力较大。当前燃煤电厂脱硫废水“中和-沉降絮凝”三联箱处理方法已越来越难以满足未来中国对废水零排放的要求。

脱硫废水主要通过预处理、浓缩、固化3个环节实现零排放,膜法浓缩加蒸发器结晶虽然技术成熟,但系统设计复杂,流程冗长,预处理要求高且能耗高,一般电厂难以承受;直接烟道蒸发,利用空气预热器(空预器)后的余热蒸干废水的方法已在中国多家电厂进行试验,但也存在烟道约1/3的通流面积堵塞及导流板腐蚀积灰严重等问题。

鉴于烟道蒸发实现起来比较困难,为达到更好的蒸发结晶效果,可布置废水蒸发塔对脱硫废水进行雾化干燥,即将浓缩后的脱硫废水送至蒸发塔顶部的雾化装置并喷洒到蒸发塔内,雾化粒径在40~120μm之间;从空预器前端抽出体积分数为2%~5%烟气通入蒸发塔,烟气与雾化的废水充分混合后一并进入除尘器之前的烟道,使废水蒸发结晶。

此装置利用烟气的热量,能耗低,易改造;流程简单,操作方便,投资小、运行维护费用低;对于抽取空预器前端约340℃的烟气对机组本身供电煤耗的影响和粉煤灰的综合利用还有待更进一步研究。

文献对废水蒸发进入烟尘系统的物料迁移和平衡进行分析,湿度增加不会造成系统额外的负担,且进入脱硫系统的Cl–质量浓度减少约5%。文献[8]研究发现,脱硫废水烟道蒸发促进了颗粒凝并,提高了电除尘效率。

文献通过热重分析和扫描电镜等手段研究了脱硫废水的蒸发和结晶过程。本文以某330MW机组为研究对象,根据蒸发塔内热质平衡计算,确定所需烟气量;结合雾化蒸发的特点,建立了模拟蒸发塔内气体-液体颗粒两相湍流流动的CFD模型,并模拟了塔内流场和废水的雾化蒸发过程,得到塔内废水蒸发的主要影响因素,研究结果对废水零排放具有一定的参考意义。

1蒸发塔模型的建立

1.1计算依据

脱硫废水经过预处理、膜浓缩之后,高浓度脱硫废水需经旁路烟道蒸干处理。取锅炉脱硝后空预器前的热烟气作为热源,脱硫废水处理量为2.16t/h,处理后的干渣水分小于2%。本文以20%的NaCl溶液替代研究对象,具体设计依据如表1所示。

表1高浓度脱硫废水计算初参数

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1.2干燥过程热质平衡计算

根据干燥理论[11],脱硫废水干燥过程物料守恒,则有

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某330MW机组,负荷为80%额定工况时,根据煤质分析可计算出空预器进口烟气量(标准状态)约1798869m3/h。

由系统热、质平衡计算可得需要抽取22664.7kg/h绝干空气,蒸发塔出口烟气含湿量(水质量(kg)/干空气质量(kg))为0.11,那么共需要抽取标准状态烟气40830m3/h,占烟气总流量的2.27%。通过煤质的元素分析、工业分析、机组相关性能参数,计算出抽取的烟气热量致使锅炉效率降低约0.27%。

1.3物理模型

参照干燥设备设计手册,设计的脱硫废水蒸发塔如图1所示。

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图 1脱硫废水蒸发塔网格示意

柱体高6.5m,椎体高1.5m,2股烟气分别从顶部和斜向下的“哨子口”进入,顶部烟气入口直径0.8m,“哨子口”宽、高分别为0.6m和0.8m,塔体内径3.8m,出口直径0.6m,喷嘴类型为fluent自带的实心锥(solidcone)喷嘴。

网格划分时,哨子口上端面和下端面非规则形状,在划分网格时采用通用性较强的pave类型,以最大限度地减少伪扩散系数,哨子口整体网格采用Cooper类型。为了使整体网格质量更好,将柱体进行分区,和“哨子口”相连的区域采用Grid四面体网格,下半部分以及椎体采用正六面体网格,网格总数约为60万。


2数值模拟

2.1边界条件

根据上述计算的烟气量以及各风管的参数,确定进入哨子口的烟气速度为12m/s,进入顶部圆管的烟气速度为10m/s。这一参数也符合电厂实际烟气流速,具体如表2所示。

表2气液两相流场参数

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模拟过程中,首先计算无脱硫废水的烟气相流场,待收敛后加入离散项液滴雾化颗粒进行耦合计算。黏性模型采用Realizablek-ζ湍流模型[13],本模拟涉及一种存在于连续相气流中的液滴颗粒,需激活组分模型中组分输运模型。

2.2数学模型

数学模型采用离散项模型,在欧拉?拉格朗日坐标系下研究液滴群的蒸发现象。

2.2.1连续相控制方程

塔内烟气根据质量、动量、能量和组分守恒,统一为

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2.2.2液滴运动轨道模型

在fluent的DPM模型中,可以追踪颗粒的运动轨迹,通过流场变量计算颗粒的受力状况获得颗粒速度,从而确定雾化液滴最大蒸发的关键参数。在Lagrange坐标系下给出液滴运动轨道模型,颗粒运动方程可描述为

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2.2.3气液两相间的传热传质模型

蒸发塔中气体-液体颗粒两相间的传热传质模型是雾化蒸发过程中必不可少的模型。

文献综合考虑FMX090喷嘴的废水液滴蒸发效果和能耗成本,指出将液滴直径控制在60μm为宜,由于颗粒直径很小,可以认为液滴内部温度相同,即不考虑内部传热,雾化后的小液滴经过加热、蒸发、沸腾至蒸干,这些过程中的气、液间热、质传递模型如式(13)~(18)所示。

(1)雾化颗粒与热烟气刚接触时,颗粒处于升温阶段,没有质量变化。

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由液滴的热平衡计算得出其自身的温度,通过把液滴的焓变与两相间的对流传热、气化潜热 联系起来得到热平衡的计算式为

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上述控制方程、颗粒轨道模型和气、液两相间的传热传质模型构成了模拟喷雾干燥过程的CFD模型。

2.3模型验证

为验证该模型的可靠性,对浙江某电厂脱硫废水旁路塔雾化干燥设备进行调研考察。限制条件为:进口烟温350℃,出口烟温不低于120℃,固体产物水分不高于2%,以此进行最大出力研究。理论计算、数值模拟与现场试验最大出力的比较结果如图2所示。

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图2理论计算、数值模拟与现场试验最大出力结果比较

由图2可见,现场试验的废水处理量较理论计算和数值模拟稍大一些,总体上理论计算和数值模拟符合试验规律,表明所建立的模型能够满足脱硫废水旁路蒸发塔系统的热力特性计算要求。

3模拟结果与分析

3.1喷雾干燥塔内连续相流场分析

本文在原有顶部进烟的基础上,增加一个倾斜向下的“哨子口”,使得烟气流场以旋流的方式充满整个塔内,同时带动顶部进入的烟气旋转,以此增加烟气与废水热质交换的时间,确保烟气离开蒸发塔前完全蒸发。液滴加入与否烟气速度轨迹线如图3所示。

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图3烟气速度轨迹线(单位:m/s)

图3a)为只有烟气进入蒸发塔的迹线,可以看出烟气在进口结构和方向的控制下,以直流和旋流的方式在蒸发塔内向下流动,流场基本分布均匀,到达干燥塔底部时,根据能量守恒定律,此处的截面积最小,速度达到了最大值。

图3b)为加入粒径为60μm的雾化液滴后的烟气迹线。随着塔内烟气与液滴的热质交换,速度相较于未喷液滴时变小。这是由于液滴的存在给烟气的流动造成了阻力,部分动能转化为热能,液滴向周围雾化扩散,促进烟气产生更多的径向速度,离心力增加,旋流特性更加明显。

3.2单喷嘴与多喷嘴对雾化蒸发的影响

采用随机轨道模型,对单喷嘴与多喷嘴情况下液滴的运动情况进行了模拟,以了解液滴与旋转流动的烟气流场充分接触的情况。单喷嘴布置在蒸发塔顶部中心,三喷嘴布置在以半径为0.4m的圆环边上,各相距约0.7m;在脱硫废水总流量、温度等参数相同的情况下,模拟及计算结果如表3和图4所示。

表3蒸发塔出口参数模拟计算结果

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图4单喷嘴与三喷嘴时液粒轨迹(单位:s)


由表3可见,出口烟气中含湿量(水质量(kg)/干空气质量(kg))设计计算值为0.112,与单喷嘴模拟结果(0.108)和三喷嘴模拟结果(0.100)分别相差3.57%和10.71%,可认为计算与模拟有着一致的对应关系。

由图4a)、图4b)可见,液滴在塔内旋转流动,三喷嘴情况下液滴蒸发很快,几乎在塔的中部即蒸发完全,出口温度达到设计要求,烟气回到烟道后对静电除尘无影响;单喷嘴情况下,出口温度与设计值相差约5℃,仍有约3.34%的液滴未完全蒸干即逃逸出去。三喷嘴的蒸发塔中,单个喷嘴所需的雾化量越少,液滴在烟气流场的带动作用下越容易散开,根据对流传热学分析可知,其增大了与烟气的换热面积,液滴完全蒸干也越容易。

3.3烟气温度对雾化蒸发的影响

考虑到负荷波动对烟气温度的影响,考察了550~650K时烟气温度对液滴群蒸发质量的影响。

由3.2节可知,600K时三喷嘴蒸发塔可满足设计要求。由传热理论可知,温度越高,蒸发越容易,在温度超过600K时,可完全满足设计要求。通过数值模拟得到初始粒径相同时液滴粒径随烟气温度的变化关系(见图5)。

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图5烟气温度变化对蒸发时间的影响

液滴粒径为60μm时,随着热量的不断传输,液滴粒径首先平稳减小,后快速蒸干消失,随着加热的进行,液滴颗粒直径越来越小,比表面积变大,烟气的热量吸收更快,导致液滴直径变化加快,蒸发所用时间减少。追踪300个液滴颗粒,发现温度越高,蒸干所需要的时间越短,平均蒸发时间从550K时的1.47s减少到650K时的0.48s;烟温低于600K,液滴蒸干所需的时间明显变长。

这是因为温度梯度越大,气体环境向液滴传热能力越强,其蒸发速度也就越快;质量扩散系数随着气流温度的下降而变小,雾化液滴与烟气间的传质能力也变小,造成烟温600K以下时初始的蒸发较慢[23]。

3.4液滴直径对雾化蒸发的影响

为研究颗粒直径对雾化蒸发的影响,选择三喷嘴相距约0.7m布置,每个喷嘴流量0.2kg/s,对粒径为60μm、80μm、100μm、120μm的颗粒轨迹进行模拟,结果如图6所示。

研究结果表明,颗粒越细,液滴在蒸发塔里运动轨迹越少,雾化效果越好,蒸发时间也越短。粒径60μm时,液滴在塔中完全蒸发,80μm时,几乎在塔底出口处完全蒸发,随着粒径的进一步增大,出口逃逸的液滴颗粒越来越多,最高达总液滴颗粒数的13.67%。由此可见,液滴直径对液滴的雾化蒸发影响显著。图6不同直径液滴在烟道烟气中的运动轨迹(单位:s)

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图6中,液滴以160m/s的初始速度从实心


锥喷嘴向下喷出,在强烈的拽力下,液滴随烟气一起以旋流的方式在蒸发塔中运动,增加了与烟气的热质交换时间,有利于蒸发;当液滴颗粒大于80μm时,液滴更容易受到重力和烟气的拽力,液滴运动会出现明显的贴壁现象,烟气中的飞灰溶于液滴后粘性快速增加,会腐蚀、磨损塔壁,最终落下将堵塞出口;当锥角过小时,易发生颗粒的团聚,导致颗粒中水分蒸发率快速降低,因此需要通过合理控制雾化角、雾化粒径以及喷嘴之间的距离等,尽量避免贴壁和颗粒团聚现象。

温度为600K时平均蒸发时间和蒸发效率随液滴颗粒直径的变化如图7所示。

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图7烟温600K时平均蒸发时间和蒸发效率随液滴颗粒直径的变化液滴蒸发速度

很快,总体上符合粒径越大,蒸发时间越长及颗粒越细,蒸发效率越高的特点;液滴颗粒大于60μm时,蒸发时间陡然上升,液滴不能完全蒸发。液滴雾化粒径越小,功耗越大,从电除尘和蒸发塔系统稳定安全运行方面来看,选择雾化液滴平均直径为60μm较为适宜。

4结论

本文研究结果表明:(1)增加倾斜向下的烟气进口,流场分布更优。

(2)相比于单喷嘴大流量的雾化效果,三喷嘴小流量具有更好的雾化特性,可得到更高的出口烟温和液滴蒸发效率,适用于处理大流量的脱硫废水

(3)烟气温度和液滴粒径对雾化蒸发影响很大,烟温越高、液滴粒径越细越有利于干燥过程。考虑到能耗成本及静电除尘器的安全运行,宜选择进口烟温600K以上,雾化粒径60μm。

(4)对于330MW机组,需蒸发2.16t/h的脱硫废水,所抽取的烟气量占空预器进口总烟气量的2.27%左右,受此影响,锅炉效率约降低0.27%。




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