脫硫濕煙氣噴淋冷凝過程數值模擬研究
大中型燃煤電廠多采用濕法脫硫技術，脫硫過程導致大量水分蒸發，600 MW機組經濕法脫硫后排放的煙氣中攜帶水蒸氣超過200 t/h。脫硫濕煙氣中的水蒸氣及低溫余熱是燃煤電廠水資源和能量損耗的重要部分。
研究表明，脫硫后煙氣中的液滴含量越少，煙囪出口煙塵含量越低，因此減少脫硫系統出口含濕量是提高脫硫系統協同除塵能力的關鍵。正確理解濕煙氣噴淋冷凝過程的傳熱、傳質及相變規律，對于提高噴淋冷凝效果，降低水資源浪費具有重要意義。
前人研究大多為噴淋方向及噴淋層組合方式，但噴淋冷卻系統設計優化還不完善，如因噴淋層布置高度、噴嘴角度設置不合理而達不到理想的冷卻效果；或因噴淋水流量和溫度不合適導致水資源和能量的浪費；或因霧化程度過低，導致液滴粒徑過大，造成氣液接觸面積小。
本文對濕法脫硫后煙氣的冷凝過程進行數值模擬研究，采用雙層噴淋布置，為增加氣液接觸時間在煙氣入口上方布置填料，從冷凝室裝置結構以及氣液兩相參數等方面進行了數值模擬和性能分析。研究噴淋層不同間距、噴嘴角度、液滴直徑、液氣比、液滴溫度、煙氣流速對于冷凝效果的影響，從而確定脫硫濕煙氣冷凝優化條件，以期為工程實踐提供參考，進而達到節水節能、消白、除塵一體化的目的。
1 模型建立及驗證
采用雙層噴淋布置，頂層噴淋距煙氣入口截面3.2 m，底層噴淋距煙氣入口截面2.2 m。填料層高度為0.6 m，布置在煙氣入口截面上方0.4 m處。
圖1 冷凝室簡化模型
氣相與顆粒之間的耦合模型，本文采用的是雙向耦合模型。離散相與連續相的雙向耦合是通過求解連續相控制方程和離散相運動方程來實現，直到兩相不再隨著迭代的進行而變化為止。
在5次改變液氣比中，試驗均重復3次，并采用多個測點，故試驗值為多次試驗的平均值。模擬值與試驗值最大絕對誤差為4.29 K，最大相對誤差為9%；模擬值與試驗值最小絕對誤差為2.73 K，最大相對誤差為3.61 %。兩者總體相差不大，故認為建模合理。
圖2 模型驗證
2 模擬結果與分析
當底層噴淋布置在距離煙氣入口2.2 m、噴淋層間距為1 m時，出口煙氣溫度最低，冷凝效果最好。噴淋層間距對于流場均勻性和換熱有重要影響。尋找合適的間距，不需額外過多耗費資金，可達到相對較好的冷凝效果，是一種切實可行的提高氣液之間傳熱傳質的方法，以600 MW機組為例，出口煙氣溫度降低1 ℃，每小時可回收至少0.34 t水資源。
圖3 不同噴淋層間距下出口煙氣溫度
圖4 不同噴淋層間距下煙氣流線
60°前增大噴嘴角度的傳熱傳質效果強于60°后噴嘴角度增大。找到合適的噴嘴角度，可使液滴盡可能多地覆蓋在整個煙氣流動截面上，保證流場的均勻性，增大氣液接觸面積，以低成本來得到較大的經濟效益。
圖5 不同噴嘴角度下出口煙氣溫度
圖6 不同噴嘴角度下兩噴淋層溫度
在其他運行參數不變的情況下，不考慮液滴夾帶，液滴粒徑越小，氣液接觸面積越大，傳熱傳質越強烈，煙氣的冷卻速度越快，冷卻后的煙氣溫度分布越均勻。而液滴直徑對于冷凝室出口溫度的影響并不呈現為一次函數。霧化條件較好時，不考慮液滴夾帶條件下，將液滴直徑減小到210 μm以下，可將濕煙氣從323 K至少冷凝至311.75 K，600 MW機組每小時可回收至少80 t水資源及6.59 MW能量，環保、經濟效益顯著。
圖7 不同液滴直徑下出口煙氣溫度
液氣比大于3 L/Nm3時，繼續增大液氣比，冷凝效果增強程度不明顯。液氣比的增加意味著需要耗費大量的冷凝水以及更多的電能，所以實際應用中應該結合經濟性綜合考慮。
圖8 不同液氣比下出口煙氣溫度
圖9 不同液氣比下煙氣流場分布
溫差與水蒸氣分壓差是驅動氣液熱質交換的動力，故而加大溫差有利于氣液傳熱傳質的進行。煙氣放出顯熱的同時，還釋放了大量潛熱。因此，液滴溫度越低，氣液之間的熱濕交換效率越高。
圖10 不同液滴溫度下出口煙氣溫度
圖11 不同噴淋水溫度下出口煙氣含濕量
煙氣流速為3.5 m/s時，出口溫度最低。改變煙氣流速，使煙氣停留時間與湍流強度處在合適的條件下，帶來較好的換熱效果。
圖12 不同煙氣流速下出口煙氣溫度
圖13 不同煙氣流速下煙氣流場分布
3結論
1）本文針對600 MW鍋爐(試驗裝置)尾部濕法脫硫系統出口煙氣溫度高、含濕量大造成的水資源與熱能浪費等問題。對脫硫煙氣的冷凝過程進行數值模擬研究，討論了冷凝室本身結構和氣液兩相參數對傳熱傳質的影響。隨噴淋層間距的增大，出口煙氣溫度先降低后增加，最佳間距為1 m。兩噴淋層間距對于煙氣流場和液滴在冷凝室停留時間有重要影響，所以選擇合適的噴淋層間距可用較小的經濟成本獲得較好的冷凝效果。
2）在一定范圍內，噴嘴角度越大，液滴覆蓋面積越大，氣液接觸越充分，但依靠增大噴嘴角度提高冷凝率的效果有限。噴嘴張角為60°時冷凝達到較好水平，若繼續增大張角，冷凝程度提高幅度小。
3）液滴的直徑對熱濕交換有重要影響。在不考慮液滴夾帶條件下，液滴直徑越小，氣液接觸面積越大，冷凝效果越好，出口煙氣溫度和含濕量越低。在霧化程度可達到的情況下，盡可能選用霧化程度好的噴嘴有利于冷凝。若霧化程度有限，應盡量使液滴直徑在210 μm以下，可將濕煙氣從323 K至少冷凝到311.75 K，對于600 MW機組每小時可回收至少80 t水資源及6.59 MW能量。
4）液氣比增大，煙氣與水的接觸面積增大，為換熱創造了有利條件。但液氣比增大的代價是耗費水資源。液氣比為3 L/Nm3時，可將出口煙氣溫度降至309.32 K，達到較為理想的冷凝效果，應結合經濟性與冷凝程度綜合選定合適的液氣比。
5）加大氣液兩相的溫差與水蒸氣分壓差可有效提高熱濕交換動力，有利于煙氣顯熱與潛熱的釋放。因此在其他運行參數不變的條件下，冷凝水溫度越低，出口煙氣溫度越低，可回收的冷凝水和熱量越多。
6）在其他運行參數不變的情況下，煙氣最佳流速為3.5 m/s。合理選擇煙氣速度可使煙氣在冷凝室的停留時間和單位時間、單位面積對流質量處于較高水平，進而促進氣液兩相的傳熱傳質。
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