电厂脱硫废水烟道喷雾蒸发过程的流程模拟

收稿日期:２０１５Ｇ０３Ｇ０９基金项目:中国华能集团公司总部科技项目(HNKJ１４ＧH１１)作者简介:吴帅帅(１９９０－),男,硕士研究生,主要研究方向为锅炉节能环保改造、烟气余热的回收与利用.EＧmail:[e-mail]脱硫废水烟道喷雾蒸发过程的数值模拟吴帅帅１,２,李红智２,陈鸿伟１,穆兴龙１,李　凡１(１．华北电力大学能源与动力工程学院,河北保定　０７１００３;２．西安热工研究院有限公司,陕西西安　７１００３２)[摘　　　要]针对脱硫废水处理问题,建立了烟道内气液两相流动、传热传质和雾化液滴蒸发的数学模型,并利用该模型对某３３０MW机组锅炉空气预热器后接烟道内雾化液滴的蒸发过程进行模拟研究,分析了烟气温度、雾化液滴初始直径、初始温度和初始速度对其完全蒸发时间的影响.结果表明:烟气温度越高,雾化液滴完全蒸发所需要的时间越短;雾化液滴初始直径越大,其完全蒸发时间越长;雾化液滴初始速度和初始温度对其完全蒸发时间的影响不大;雾化液滴完全蒸发过程中,烟气温度最佳值为１３４℃及以上,雾化液滴初始直径最佳值为１０~６０μm.该结果可为脱硫废水烟道蒸发处理系统的设计及运行优化提供参考.[关　键　词]脱硫废水;烟道;烟气;雾化;蒸发;液滴直径;温度;速度[中图分类号]X５２　[文献标识码]A　[文章编号]１００２Ｇ３３６４(２０１５)１２Ｇ００３１Ｇ０６[DOI编号]１０．３９６９/j．issn．１００２Ｇ３３６４．２０１５．１２．０３１NumericalstudyonsprayevaporationprocessofdesulfurizationwastewaterinflueductWUShuaishuai１,LIHongzhi２,CHENHongwei１,MUXinglong１,LIFan１(１．SchoolofEnergyandPowerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding０７１００３,China;２．Xi＇anThermalPowerResearchInstituteCo．,Ltd．,Xi＇an７１００３２,China)Abstract:AmathematicalmodeldescribinggasＧliquidtwophaseflow,heatandmasstransferandatomＧizeddropletevaporationinflueductwasestablishedanditsreliabilitywasverifiedcombingwiththeactualoperatingdataofautilityboiler．Moreover,takinga３３０MWunitastheexample,thismodelwasappliedtosimulatetheevaporationprocessoftheatomizeddropletsintheflueductafterthepreheater．Theeffectsoffluegastemperature,atomizeddropletdiameter,initialdroplettemperatureandvelocityonthedroplets＇lifetimewereanalyzed．Theresultsshowthatthesimulationresultsagreewellwiththeexperimentaldata,inＧdicatingthismodelcansatisfytherequirementsofthermalcalculationfordesulfurizationwastewaterflueductsprayingsystem．Thedroplets＇lifetimegetsshorterwithanincreaseinthefluegastemperature．Thelargerthedropletssize,themoreviolentthechangesinthedroplets＇lifetime．TheinitialdroplettemperaＧtureandvelocityhaslittleeffectsonthedroplets＇lifetime．Duringthedropletsevaporation,theoptimumfluegastemperatureis１３４℃andtheaboveandthemostsuitabledropletdiameterisbetween１０μmand６０μm．TheconclusioncanprovidebasisforthesystemdesignfordesulfurizationwastewatersprayevapoＧrationandoperationoptimizationofthewastewatertreatment．Keywords:desulfurizationwastewater,flueduct,fluegas,atomization,evaporation,dropletdiameter,temＧperature,velocity第４４卷　第１２期２０１５年１２月热　力　发　电THERMALPOWERGENERATIONVol􀆰４４　No􀆰１２Dec．２０１５􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉　http:∥．rlfd．com．cn　http:∥rlfd．periodicals．net．cn　　　石灰石Ｇ石膏湿法烟气脱硫工艺已在国内外得到广泛的应用.该工艺的脱硫用水在反复循环之后,由于可溶盐不断浓缩,会产生部分脱硫废水.脱硫废水成分复杂,具有浊度高、盐分高、腐蚀性强及易结垢等特点,根据DL/T９９７—２００６«火电厂石灰石Ｇ石膏湿法脱硫废水水质控制指标»中对各项污染物排放指标的规定,脱硫废水必须经过一定的处理方可排放.目前,常用的脱硫废水处理方法有物理化学沉淀法、水力除灰系统处理法、粉煤灰处理法、蒸发结晶法等[１Ｇ４],其均存在系统设计复杂、水中氯离子无法有效去除、可靠性差、易结垢、成本较高等缺点.脱硫废水烟道蒸发处理技术是将脱硫废水喷入空气预热器与电除尘器之间的烟道中,利用高温烟气将雾化后的废水液滴蒸干,所形成的固体颗粒随烟气进入电除尘器被捕捉去除,从而达到脱硫废水零排放的目的.该技术具有工艺简单、脱除率高、运行改造费用较低和可提高电除尘器效率等优点[５Ｇ１２].但实际应用发现,该技术可能会造成烟道壁面结垢,影响机组正常运行.因此,要求脱硫废水在尽可能短的时间内完全蒸发,以免废水液滴团聚烟气中的灰粒,增加烟道壁面的积灰.研究脱硫废水在烟气中的喷雾干燥过程,了解主要运行参数对喷雾干燥过程的影响,对脱硫废水喷雾干燥处理系统的设计具有重要意义.本文使用数值模拟软件Fluent,建立了脱硫废水喷雾蒸发过程的数值模型,并利用该模型对某电厂３３０MW机组锅炉的脱硫废水烟道喷雾蒸发过程进行了模拟,研究了烟气温度、雾化液滴初始直径、初始温度和初始速度等参数对脱硫废水蒸发过程的影响.１　物理模型本文以某３３０MW机组锅炉空气预热器后接烟道为研究对象,其计算区域几何边界条件为:垂直烟道高１７．１０m,烟道横截面长３．８２m,宽２．３０m(图１a)).使用Gambit软件对模型进行分区网格划分,生成质量较高的六面体网格,总网格数约为３３．３万(图１b)).脱硫废水３排平行布置的喷嘴布置在高６．１８m处、雾化方向朝上,喷口直径为５０mm喷嘴布置如图２所示.气液两相流场的各个参数及边界条件见表１.　　　　图１　脱硫废水烟道喷雾模型Fig．１　Thedesulphurizationwastewatersprayingmodel图２　喷嘴布置(m)Fig．２　Thearrangementofspraynozzles(m)表１　气液两相流场参数及边界条件Table１　TheoperatingparametersandboundaryconditionsofthegasＧliquidtwophaseflowfield流场参数内容气相烟气流量Qi/(m３􀅰h－１)烟气温度Ti/℃烟气黏度/(kg􀅰(m􀅰s)－１)入口条件出口条件壁面条件５０９５０３１３４１．７９×１０－５速度入口压力出口标准壁面函数液相喷嘴数量喷嘴型式喷射角度/(゜)喷嘴出口直径/m喷射方向液滴颗粒平均粒径ΦW/μm喷射速度vW/(m􀅰s－１)单个喷嘴流量QWi/(kg􀅰s－１)烟道壁面６实心锥形９００．０２５与烟气流向相同６０１２．７０．０５７８捕捉２　数学模型液滴颗粒蒸发过程均采用离散相模型(DPM)进行模拟.Aggarwal等人[１３]的研究表明,在很宽泛的周边环境与液滴粒径条件下,可以利用合适的２３热　力　发　电２０１５年　http:∥．rlfd．com．cn　http:∥rlfd．periodicals．net．cn　单组份液滴的蒸发过程模拟双组份液滴的蒸发过程.本文所模拟的烟气环境接近于大气环境,且脱硫废水液滴是由极其微小的盐分颗粒和水分组成[１４Ｇ１６],而废水喷入烟道内的蒸发过程只涉及到水分的蒸发,故离散相材料选用水分液滴.计算雾化液滴流动蒸发过程时,假设:１)烟气流动的马赫数不高,可将其视为不可压缩流体;２)忽略喷嘴、喷管等构件布置对烟气流场的影响;３)认为雾化液滴接触烟道壁面即被捕捉,液滴终止轨道计算,其全部质量瞬间转化为蒸汽相并进入与壁面相接的网格中;４)忽略烟道壁面与烟气的传热,其边界条件设为“绝热”;５)液滴颗粒可以近似为球形,且忽略液滴内部的传热热阻,以及液滴颗粒之间因碰撞造成的融合、破碎.２．１　烟气相流动控制方程在欧拉坐标系下,烟道内的流场可以视作连续相处理.烟气的连续性控制方程为∂∂t(ρΓ)＋div(ρΓV)＝div(μgradV)＋SΓ(１)式中,Γ为变量,ρ为密度,V为速度矢量,SΓ为气液两相流场中雾化液滴对烟气流场的作用力源项.将式(１)变换为时均形式后,雷诺方程不封闭,考虑到烟道内气液两相流动的实际情况,采用Launder和Spalding[１１]提出的标准κＧε湍流模型对雷诺应力项进行封闭.２．２　颗粒相流动控制方程液滴颗粒的动量方程可描述为[１２]dupdt＝FD(ug－up)＋g(ρp－ρg)ρp(２)式中:ug,up分别为烟气和液滴颗粒的速度;ρg,ρp分别为烟气和液滴颗粒的密度;g为重力加速度;FD(ug－up)为单位质量的液滴颗粒受到的烟气曳力,其中曳力系数FD为FD＝１８μρpd２pCDRed２４(３)Red＝ρgdp|up－ug|μ(４)式中:dp为颗粒直径;CD为曳力系数;μ为气相的动力黏度;Red为颗粒雷诺数.根据气固两相流理论,作用在流场中运动颗粒上的力有曳力、重力、虚拟质量力、热泳力、布朗力和Saffman升力等.对气流中运动的微小液滴而言,除曳力和重力外,其他作用力均可忽略[１１].２．３　颗粒相传热、传质控制方程液滴颗粒雾化后喷入高温烟气中的传热、传质过程可以分为以下３个阶段.１)液滴颗粒温度Tp小于液滴颗粒蒸发温度Tvap时.该阶段液滴颗粒温度较低,在烟气中以惰性粒子的特性吸收烟气热量,烟气与液滴之间不发生传质.该阶段液滴颗粒的热平衡方程为mpcpdTpdt＝hAp(T∞－Tp)(５)式中:mp为液滴颗粒的质量;cp为液滴颗粒的比热容;Ap为液滴颗粒的表面积;T∞,Tp分别为烟气温度和液滴颗粒温度;h为烟气与液滴颗粒之间的对流换热系数,其值采用Ranz和Marshall给出的建议值[１４]:Nu＝hdpk∞＝２．０＋０．６Re１２dPr１３(６)式中,k∞为烟气的导热系数,Pr为烟气的普朗特数.２)液滴温度Tp小于液滴颗粒沸腾温度Tbp时.该阶段液滴的吸热量可以