脱硫湿烟气喷淋冷凝过程中的参数优化研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21064

脱硫湿烟气喷淋冷凝过程中的参数优化研究

刘文斌¹, 李璐璐²^,³, 李晓金¹, 姚宣¹^,³, 杨海瑞³

1.北京国电龙源环保工程有限公司，北京市海淀区 100039

2.太原理工大学电气与动力工程学院，山西省太原市 030024

3.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学能源与动力工程系)，北京市海淀区 100084

Study on Parameter Optimization of Desulfurized Wet Flue Gas in Spray Condensation Process

LIU Wenbin¹, LI Lulu²^,³, LI Xiaojin¹, YAO Xuan¹^,³, YANG Hairui³

1.Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co. , Ltd. , Haidian District, Beijing 100039, China

2.College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi Province, China

3.State Key Laboratory of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment (Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China

收稿日期: 2022-05-23

基金资助:

国家重点研发计划项目. 2019YFE0102100

Received: 2022-05-23

作者简介 About authors

刘文斌(1967)，男，高级工程师，主要从事污染物控制技术研究，wenbin.liu.aa@chnenergy.com.cn；

李璐璐(1995)，女，硕士研究生，主要从事脱硫湿烟气冷凝技术研究，1879770510@qq.com；

李晓金(1972)，男，硕士，教授级高工，主要从事大气污染物控制、固废处置技术研究，xiaojin.li@chnenergy.com.cn；

姚宣(1987)，男，硕士，高级工程师，主要从事污染物控制技术、热力系统研究，xuan.yao@chnenergy.com.cn；

杨海瑞(1972)，男，博士，教授，主要从事循环流化床锅炉技术、煤燃烧及污染物控制研究，本文通信作者，yhr@mail.tsinghua.edu.cn。

摘要

湿法脱硫技术的广泛使用将脱硫效率提高到90%以上，但脱硫后烟气含湿量大，增加了雾霾和微细颗粒物形成的可能性。以喷淋塔作为研究对象，基于Fluent软件对塔内的气液两相流场进行了三维稳态数值模拟。结果表明：喷淋液滴粒径对烟气冷凝除湿具有关键作用，液滴粒径越小，气液两相接触面积越大，换热效果越明显，当液滴粒径小于700 μm时，烟气温降可达到6 K以上；当入口烟气温度为319~335 K时，所引起的冷凝水量的比值基本不变；喷淋液滴速度对烟气流场具有整合作用，选择合适的液滴速度可减小烟气回流区、提高塔内空间利用率，当液滴速度增加至40 m/s时，出口烟气温降可提升1.9 K左右。

关键词： 湿法烟气脱硫 ; 喷淋塔 ; 气液两相流 ; 除湿 ; 三维稳态数值模拟

Abstract

The wide application of wet desulfurization technology makes the desulfurization efficiency reach more than 90%, but the high moisture content of flue gas after desulfurization increases the possibility of smog formation. The spray tower was the main body of research, and the three-dimensional steady-state numerical simulation of gas-liquid two-phase flow field in the tower was carried out based on Fluent software. The results show that the spray droplet diameter plays a key role in flue gas condensation and dehumidification. The smaller the droplet diameter, the larger the gas-liquid two-phase contact area, the more obvious the heat transfer effect. If the droplet diameter is less than 700 μm, the flue gas temperature drop above 6 K can be achieved. When the inlet flue gas temperature is in the range of 319-335 K, the ratio of condensed water caused by this temperature is basically unchanged. The spray droplet velocity has an integration effect on the flue gas flow field. Choosing the appropriate droplet velocity can reduce the flue gas reflux area, and improve the space utilization rate in the tower. When the droplet velocity increases to 40 m/s, the temperature drop of outlet flue gas can increase by about 1.9 K.

Keywords： wet flue gas desulfurization ; spray tower ; gas-liquid two-phase flow ; dehumidification ; three-dimensional steady state numerical simulation

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本文引用格式

刘文斌, 李璐璐, 李晓金, 姚宣, 杨海瑞. 脱硫湿烟气喷淋冷凝过程中的参数优化研究. 发电技术[J], 2023, 44(1): 107-114 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.21064

LIU Wenbin, LI Lulu, LI Xiaojin, YAO Xuan, YANG Hairui. Study on Parameter Optimization of Desulfurized Wet Flue Gas in Spray Condensation Process. Power Generation Technology[J], 2023, 44(1): 107-114 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.21064

0 引言

随着环保标准的严格化和湿法烟气脱硫技术^[1]应用的广泛化，燃煤锅炉通常都配备脱硫塔^[2-3]。脱硫时，高温烟气与浆液直接接触并进行热质交换，浆液中的水分蒸发，此过程增加了烟气含湿量，使烟气变为湿饱和状态，即液态水与气态水共存于烟气之中^[4-5]。当脱硫湿烟气不经处理，直接从烟囱排放时，烟气温度较低，能够携带的水蒸气含量便会降低^[6-8]。

由于湿饱和烟气温度较低，所以其抬升高度低，烟气的抬升高度对其周围环境的最大污染物浓度和落地范围产生直接影响。脱硫饱和湿烟气流经烟囱后，烟气温度不断降低，水蒸气不断地从饱和湿烟气中析出，析出的水分吸收烟气中HF、SO₃、SO₂、HCl等酸性气体，因此，不经处理的饱和湿烟气大量排放会腐蚀烟道和烟囱^[9]。另外，携带大量潜热的湿烟气直接排放，使排烟损失增加，降低了锅炉的热效率。有效解决湿法脱硫后烟气除湿问题，能降低雾霾形成的可能性^[10]。有研究^[11-13]表明，液滴冷凝兼具协同除尘作用，降低脱硫后烟气含湿量具有环保意义；而且湿烟气中携带大量水分和余热，对其进行回收并利用，可将低品位潜热转换为高品位热能，具有经济意义。

为回收锅炉排烟余热，降低排烟含湿量，查小波^[14]基于空气与水直接接触式热湿交换原理，采用空气与水逆流传热传质的数学模型进行计算。薄佳燕等^[15]对比了有喷淋和无喷淋2种情况，发现引入喷淋后对于塔内烟气流场的均匀性具有改善作用，在一定程度上保证了塔内浆液的相应持有量。马如等^[16]研究发现，喷淋塔内的阻力随着锅炉负荷、喷淋层数及液气比的增加而增大，其中喷淋层数对阻力的影响最为显著。卜奔等^[17]采用双面对切结构可使烟气均匀经过喷淋塔，使脱硫效率得以提高。杨丁等^[18]在吸收塔进出口烟道布置导流板，使流场得到了明显改善。然而，以上研究关注点大多为喷淋结构，对于脱硫系统后喷淋塔的运行参数设计及优化还没有明确具体的方案。

基于此，本文以喷淋塔作为研究对象，根据传热传质原理、湍流扩散理论，分别对不同液滴粒径、入口烟气温度、液滴速度进行模拟研究，重点分析脱硫饱和湿烟气的流场分布和出口烟气状态，以期为工程实践提供参考。

1 物理模型

与本模拟研究对应的中试实验台参数如表1所示，其中本文所提及的液气比均为标准状态下。喷淋水自上而下与由底部进入的烟气逆流接触，对其进行冷却。在喷淋塔中布置有2层喷淋层，以增强烟气流场均匀性；在喷淋塔内部布置有填料，以增加喷淋水与烟气接触时间。

表1 实验参数

Tab. 1 Experimental parameters

参数	数值
塔径/m	0.5
塔高/m	5.4
填料高度/m	0.6
喷嘴张角/(°)	30
液气比/(L⋅m^-3)	2
喷淋层间距/m	1
入口烟气量/(m³⋅h^-1)	7 500
入口烟气温度/K	323
喷淋液滴温度/K	303
喷淋液滴速度/(m⋅s^-1)	21

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根据研究重点，对喷淋塔内部结构进行如下简化：

1）只研究烟气与液滴接触部分的传热传质；

2）忽略喷淋塔内部小阻件对流场的影响；

3）忽略浆池部分及烟气流经浆池部分时液面产生的扩容流动，不对这部分进行计算。

图1为喷淋塔简化后的模型，第1层喷淋层布置在最高处，比烟气入口处高3.2 m，第2层喷淋层布置在顶部喷淋层下方1 m处。填料层厚度为0.6 m，布置在烟气入口截面上方0.4 m处。

图1

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图1 喷淋塔简化模型

Fig. 1 Simplified model of spray tower

喷嘴排布形式如图2所示，每层喷淋层布置有19个喷嘴，类型为实心锥形喷嘴。

图2

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图2 喷嘴排布形式

Fig. 2 Nozzle arrangement

2 数值计算模型

充分考虑质量、动量、能量方程，气相流动采用标准k- $ε$ 湍流模型，饱和湿烟气与液滴冷凝模拟采用欧拉-拉格朗日方法，动量、湍流动能、湍流耗散率均采用一阶迎风格式，基于三维稳态的SIMPLE算法，使用标准初始化和分离式求解器进行计算。

2.1 数学模型的建立

2.1.1 烟气相湍流模型

喷淋塔内流动属于湍流状态，采用标准k- $ε$ 模型，湍流速度方程为

μ_{t} = ρ C_{μ} k^{2} / ε

(1)

式中： $μ_{t}$ 为湍流黏度系数，kg⋅m^-1⋅s^-1； $ρ$ 为烟气密度，kg⋅m^-3； $C_{μ}$ 为常数；k为湍流脉动动能，J； $ε$ 为耗散率。

k、 $ε$ 方程分别表示如下：

\begin{matrix} \frac{\partial (ρ k)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ u_{i} k)}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{j}}] + \\ G_{k} + G_{b} - ρ ε - Y_{M} + S_{k} \end{matrix}

(2)

\begin{matrix} \frac{\partial (ρ ε)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ u_{i} ε)}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{ε}}) \frac{\partial ε}{\partial x_{j}}] + \\ C_{1 ε} \frac{ε}{k} (G_{k} + C_{3 ε} G_{b}) - C_{2 ε} \frac{ε^{2}}{k} + S_{ε} \end{matrix}

(3)

式中： $u$ _i 为速度矢量 u 在直角坐标系i方向上的分量；x_i 和x_j 为位移坐标； $μ$ 为湍流黏度系数，kg⋅m^-1⋅s^-1；G_k 为因层流速度梯度而引发的湍流动能，kJ；G_b为因浮升力而产生的湍流动能，kJ；Y_M为脉动扩张相，kJ； $C_{1 ε}$ 、 $C_{2 ε}$ 和 $C_{3 ε}$ 为常量， $C_{1 ε}$ =1.44， $C_{2 ε}$ =1.92， $C_{3 ε}$ =0.09； $σ_{k}$ 和 $σ_{ε}$ 为方程中的湍流Prandtl数， $σ_{k}$ =1.0， $σ_{ε}$ =1.3；S_k 和 $S_{ε}$ 为用户自定义参数。

2.1.2 液滴离散相模型

本文采用拉格朗日离散相模型来描述液滴的运动，可表示为

\frac{d u_{p}}{d t} = f_{D} (u - u_{p}) + \frac{g_{x} (ρ_{p} - ρ)}{ρ_{p}} + f_{x}

(4)

式中：u为连续相速度，m⋅s^-1；u_p为颗粒速度，m⋅s^-1； $ρ$ _p为液滴颗粒密度，kg⋅m^-3；f_x 为其他作用力(单位颗粒质量的力)，m⋅s^-2；f_D(u-u_p)为单位颗粒质量所受阻力，m⋅s^-2； $g_{x} (ρ_{p} - ρ) / ρ_{p}$ 为流体对单位液滴颗粒的重力项，m⋅s^-2。

2.1.3 气液传热传质模型

烟气与液滴之间总的换热量包括液滴表面与烟气的对流传热和烟气中水蒸气冷凝潜热2部分，可表示为

m_{p} C_{p} \frac{d T_{p}}{d t} = h A_{p} (T_{\infty}^{} - T_{p}) + \frac{d m_{p}}{d t} h_{f g}

(5)

式中：C_p为液滴比热，J⋅kg^-1⋅K^-1；m_p为液滴质量，kg；T_p为液滴温度，K；A_p为液滴表面积，m²；T_∞ 为烟气温度，K；h_fg为汽化潜热，J⋅kg^-1；h为对流换热系数，可表示为

h = \frac{λ}{d_{p}} (2 + 0.74 R e^{0.5} P r^{0.33})

(6)

式中： $λ$ 为湿烟气导热系数，W⋅m^-1⋅K^-1；d_p为离散相直径，m；Re为湿烟气雷诺数；Pr为湿烟气普朗特数。

气液两相间的冷凝量由烟气(气相)向液滴(离散相)的扩散率和烟气与液滴间的蒸汽浓度梯度两方面决定，可表示为

\frac{d m_{p}}{d t} = \frac{2 π D d_{p} M}{R} [\frac{P_{\infty}}{T_{\infty}} - \frac{P_{s} (T_{p})}{T_{p}}] (1 + 0.276 R e^{\frac{1}{2}} S c^{\frac{1}{3}})

(7)

式中：R=8.314 J⋅mol^-1⋅K^-1，为通用气体常数；M为水蒸气摩尔质量，kg⋅mol^-1；P_∞ 为远离液滴的水蒸气分压，Pa；P_s(T_p)为液滴表面水蒸气分压，Pa；Sc为施密特数：D为水蒸气扩散系数，可表示为

D = D_{0} \frac{B_{0}}{B} {(\frac{T}{T_{0}})}^{1.8}

(8)

式中：D₀=21.6×10^-6 m²⋅s^-1；B₀=101 325 Pa，为标准大气压；T₀=273 K；B为温度为T时的水蒸气分压，Pa。

2.2 初始条件及边界条件

进行喷淋塔内模拟时，对塔内条件和气液两相流模型进行如下假设：

1）喷淋塔内的气体是处理后的饱和湿烟气；

2）液滴为球形，不考虑液滴之间的碰撞、破碎以及合并等相互作用；

3）喷淋塔壁面绝热，与外界不进行热交换。

喷淋塔壁面采用标准无滑移壁面，液滴在壁面处设置为Reflect。烟气入口处为速度入口，出口处为压力出口，喷雾液滴粒径采用Rosin-Rammler分布方式，最小直径为1 μm，最大直径为3 000 μm，文中所有粒径皆为平均粒径。填料采用多孔介质模型，惯性阻力系数为261 996，黏性阻力系数为0.543 5，传热模型选择热模式为平衡态，材料为PP。此模型采用笛卡尔坐标系，通过ICEM软件进行网格划分，整个模型均采用六面体网格。先后采用40万、55万、70万、85万网格数进行网格无关性验证，为保证计算精度且不浪费计算资源，最终确定网格数为70万。

3 模拟结果与分析

3.1 喷淋液滴粒径

喷淋液滴粒径对出口烟气温度、流场的影响分别如图3、4所示。可以看出，当其他参数如表1所示，液滴粒径为210~2 400 μm时，液滴粒径越小，液滴与烟气接触面积越大，热湿交换效果越好，烟气的降温幅度越大，烟气中水分和余热回收效率越高。但液滴粒径的减小对于出口烟气温度降幅呈现递增趋势，当液滴粒径由2 400 μm减小至1 700 μm时，出口烟气温度降低约1 K；当液滴粒径由710 μm减小至510 μm时，出口烟气温度降低约2 K。由此可见，当液滴粒径达到700 μm后，减小液滴粒径是降低出口烟气温度的有效方法。

图3

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图3 液滴粒径对出口烟气温度的影响

Fig. 3 Influence of droplet diameter on outlet flue gas temperature

图4

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图4 液滴粒径对出口烟气截面温度场影响

Fig. 4 Influence of droplet size on temperature field of outlet flue gas section

表2为不同烟气温度对应的饱和水蒸气含量。当液滴粒径小于700 μm时，湿烟气温度从323 K降至316.79 K以下，烟气温度至少降低6.21 K，对600 MW机组而言，经计算，每小时至少可以回收44 t水和3.6 MW热能。

表2 不同烟气温度下饱和水蒸气含量

Tab. 2 Saturated water vapor content at different flue gas temperatures

烟气温度/K	饱和水蒸气含量/(mg/g)
309	37.48
310	39.63
311	41.20
312	44.29
313	46.78
314	49.42
315	52.17
316	55.07
317	58.08
318	61.30
319	64.65
320	68.16
321	71.84
322	74.86
323	79.96

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3.2 入口烟气温度

在其他参数不变的情况下，液气比为1、2、3 L/m³，改变入口烟气温度为319、323、327、331、335 K，进行数值模拟，结果如图5所示。

图5

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图5 不同入口烟气温度所对应的出口烟气温度

Fig. 5 Outlet flue gas temperature corresponding to different inlet flue gas temperatures

热流体温度效率为热流体温降与两流体进口温差的比值，即烟气进出口温差与进口烟气与进口喷淋液滴温差的比值。对于不同液气比，出口烟气温度均随着入口烟气温度的增加而升高。这是因为喷淋水所能带走的热量有限，当入口烟气温度升高时，出口烟气温度必然也会升高。

对于不同入口烟气温度，在液气比增加的情况下，出口烟气温度都会随之降低。入口烟气温度越高，液气比对出口烟气温度的影响越大，当入口烟气温度为319 K，液气比在1~3 L/m³变化时，出口烟气温度相差5.21 K。但是对入口烟气温度为335 K而言，液气比在1~3 L/m³变化时，出口烟气温度相差10.61 K，由此可见，对于高的入口烟气温度，增大液气比是降低出口烟气温度进而降低含湿量的有效办法。

当液气比增加时，随着入口烟气温度的增加，热流体温度效率约由42%变化到74%，变化幅度较大，即液气比的增加提高了热流体温度效率，饱和湿烟气的显热和潜热及其中的水蒸气被大量回收。

对于不同入口烟气温度，液气比一定时，热流体温度效率变化不大，基本稳定在某一值，由此可以计算出不同入口烟气温度、液气比下出口烟气温度的估计值，为工程预估提供参考。

图6为不同液气比下的冷凝水量分析，以液气比1、2、3 L/m³为例，探究在入口烟气温度增加过程中喷淋室内湿烟气冷凝水量的变化规律。由图6可知，在入口烟气总量一定的情况下，入口烟气温度越高，湿烟气在喷淋室内冷凝水量便会越多。

图6

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图6 不同液气比下冷凝水量分析

Fig. 6 Analysis of condensed water under different liquid-gas ratios

当液气比为1 L/m³，入口烟气温度由319 K增加至335 K时，冷凝水量从161.96 kg/h增长至549.26 kg/h，约增加387 kg/h，增长至原来的3.4倍。当液气比为2 L/m³，入口烟气温度由319 K增加至335 K时，冷凝水量从198.32 kg/h增长至672.01 kg/h，约增加474 kg/h，增长至原来的3.4倍。当液气比为3 L/m³，入口烟气温度由319 K升至335 K时，冷凝水量从256.17 kg/h增至823.88 kg/h，约增加了567 kg/h，增大至原来的3.2倍。以上分析表明，当入口烟气温度为319~335 K时，所引起的冷凝水量的比值基本不变。

3.3 喷淋液滴速度

液滴速度对出口烟气温度、流场速度分布的影响分别如图7、8所示。在其他参数不变的情况下，当喷淋水速度由20 m/s变为40 m/s时，出口烟气温度呈下降趋势，出口烟气温降可由11.25 K提升到13.15 K，整体温降增加1.9 K，说明改变液滴速度是降低出口烟气温度及湿度的有效方法。当喷淋水速度较大时，烟气湍流流动变强，气液之间撞击几率增加，小范围的掺混使得换热剧烈。所以在喷嘴雾化程度不高的情况下，通过增加喷淋水速度来弱化因液滴粒径过大而带来的影响，是降低出口烟气温度的有效办法。

图7

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图7 液滴速度对出口烟气温度的影响

Fig. 7 Influence of droplet velocity on outlet flue gas temperature

图8

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图8 液滴速度对烟气流场分布的影响

Fig. 8 Influence of droplet velocity on flue gas flow field distribution

4 结论

针对湿法脱硫系统因出口烟气温度高而造成的环保和能源浪费等问题，对喷淋塔中饱和湿烟气的冷凝相变过程进行了模拟研究，讨论了运行参数对热湿交换的影响，得到如下结论：

1）液滴粒径对烟气降温具有非常重要的影响。液滴粒径越小，冷凝效果越好，水能与热能回收效果越明显。在雾化程度有限的情况下，应尽量使液滴粒径在700 μm以下，从而使烟气温降达到6 K以上。

2）当液气比由1 L/m³增至3 L/m³时，随着入口烟气温度的增加，热流体温度效率约由42%变化到74%，饱和湿烟气的显热、潜热及其中的水蒸气被大量回收。当入口烟气温度为319~335 K时，所引起的冷凝水量的比值基本不变。

3）当液滴速度由20 m/s增至40 m/s时，出口烟气温降可提升1.9 K左右，在雾化程度有限，无法形成小粒径液滴的情况下，增大液滴速度可协同降低出口烟气温度。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

王润生，孔伟，杨志国，等．

湿法脱硫净烟气相变凝聚促进SO₃酸雾脱除技术研究综述

[J]．浙江电力，2022，41(6)：92-96．