李璐璐，姚宣，肖凡，張縵，金燕，楊海瑞

(1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原，030024；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084；3.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司，北京，100039)

我國(guó)大部分燃煤發(fā)電機(jī)組采用石灰石?石膏濕法脫硫技術(shù)，脫硫后飽和濕煙氣攜帶大量水資源及低溫余熱，濕煙氣的直接排放不僅造成資源浪費(fèi)，而且會(huì)引發(fā)一系列環(huán)保問題，如“石膏雨”“白煙”等[1?5]。脫硫濕煙氣中的水蒸氣含量高是引發(fā)上述問題的原因，因此，降低脫硫系統(tǒng)出口煙氣含濕量是解決以上問題的重要方法[6?8]。噴淋塔作為最早的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一，具有氣液接觸面積大、煙氣流動(dòng)阻力小、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[9?10]。噴淋設(shè)備與冷凝技術(shù)聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)水資源與低溫?zé)煔庥酂岬幕厥誟11?13]，減少因煙氣含濕量高而造成的環(huán)境問題[14?15]。因此，合理優(yōu)化冷凝室結(jié)構(gòu)、正確理解濕煙氣噴淋冷凝過程的傳熱、傳質(zhì)及相變規(guī)律，對(duì)于提高噴淋冷凝效果、降低設(shè)備成本具有重要意義[16]。

大量學(xué)者對(duì)直接接觸熱質(zhì)交換進(jìn)行了研究[17?22]。蔡全福等[23]對(duì)煤氣洗凈塔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著液氣比增加，出口煤氣溫度降低幅度逐漸減緩。鮑玲玲等[24]研究了噴淋室噴水方向?qū)馑疅豳|(zhì)交換的影響，發(fā)現(xiàn)向上噴淋比向下噴淋的傳熱傳質(zhì)效率更高。林瑜等[25]對(duì)大型脫硫塔內(nèi)不同噴淋層的運(yùn)行方式進(jìn)行數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)隨著噴淋層數(shù)增加，煙溫與原煙氣初始溫相比下降速度加快。XU 等[26]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)液滴尺寸分布的差異隨液滴半徑的增加而減小。上述研究大多集中在冷凝室運(yùn)行參數(shù)。目前，對(duì)噴淋冷凝室內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化尚存在一些不足，如：因噴嘴個(gè)數(shù)過少造成噴淋密度過小，導(dǎo)致氣液傳熱傳質(zhì)不均勻；或因冷凝室高度不合理，造成氣液接觸時(shí)間少，兩相換熱難度增加：或因噴淋層布置結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致噴淋層之間湍流流動(dòng)弱。

本文作者以噴淋冷凝室為研究對(duì)象，利用Fluent 軟件，基于湍流擴(kuò)散理論、傳熱傳質(zhì)理論[27?29]等，充分考慮氣液兩相耦合作用，對(duì)冷凝室內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)不同噴嘴密度、噴淋層間布置、冷凝室高度進(jìn)行數(shù)值模擬和性能分析，并提出容積冷凝負(fù)荷的概念，從而確定脫硫濕煙氣冷凝優(yōu)化條件，以期為噴淋冷凝室的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

本文采用三維穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用k?ε雙方程模型描述氣相湍流模型，氣液兩相流模擬采用歐拉?拉格朗日方法，即在歐拉系下處理連續(xù)相(氣相)，在拉格朗日系下處理離散相(液滴)。對(duì)煙氣和液滴的兩相流進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：1)經(jīng)脫硫后進(jìn)入冷凝室的氣體為飽和濕煙氣；2)假設(shè)液滴為球形，不考慮液滴的碰撞、破碎及合并，不考慮液滴夾帶；3)將煙氣視為不可壓縮黏性流體，忽略其溫度變化對(duì)密度的影響；4)假定冷凝室壁面絕熱，煙氣與噴淋液滴進(jìn)行對(duì)流換熱。

1.1 煙氣連續(xù)相湍流模型

本文將煙氣視為連續(xù)、定常、不可壓縮流體，湍流黏性系數(shù)和k?ε模型方程表達(dá)式分別為：

式中：μt為湍流黏度系數(shù)，kg/(m·s)；ρ為氣體密度，kg/m3；Cμ為常數(shù)，k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能，m2/s2；ε為耗散率；t為時(shí)間，s；ui為速度矢量u在直角坐標(biāo)系i方向上的分量；xi和xj為位移坐標(biāo)；μ為流體黏度，Pa·s；Gk為由層流速度梯度而引起的湍流動(dòng)能，kJ；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，kJ；YM為可壓縮湍流中擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，kJ；C1ε，C2ε和C3ε為常量，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk和σε為方程中的湍流Prandtl數(shù)，σk=1.0，σε=1.3，Sk和Sε為用戶自定義參數(shù)。

1.2 液滴離散相模型

通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程即可獲得離散相顆粒的軌道。本文模擬忽略次要作用力，故顆粒的作用力平衡方程在笛卡兒坐標(biāo)系下可表示為

式中：up為顆粒速度，m/s；u為連續(xù)相速度，m/s；gx為外力對(duì)液滴顆粒的加速度，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；fx為附加加速度項(xiàng)，m/s2；fD(u?up)為液滴顆粒的曳力作用項(xiàng)，m/s2。

1.3 氣液傳熱傳質(zhì)模型

由熱量傳遞方程可知?dú)庖洪g熱傳遞由煙氣與液滴表面的對(duì)流顯熱傳熱和煙氣中水蒸氣冷凝潛熱共同決定。

式中：mp為液滴質(zhì)量，kg；Cp為離散相比熱容，J/(kg·K)；Tp為離散相溫度，K；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ap為液滴表面積，m2；T∞為遠(yuǎn)離液滴的煙氣溫度，K；hfg為汽化潛熱，J/kg。

由質(zhì)量傳遞方程可知連續(xù)相中水蒸氣的冷凝量由梯度擴(kuò)散決定，即從氣相向離散相液滴的擴(kuò)散率和氣流與液滴之間的蒸汽濃度梯度相關(guān)聯(lián)。

式中：D為水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；dp為液滴直徑，m；M為水蒸氣摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為通用氣體常數(shù)，J/(mol·K)；P∞為遠(yuǎn)離液滴的水蒸氣分壓，Pa；Ps(Tp)為液滴表面水蒸氣分壓，Pa；Re為雷諾數(shù)；Sc為施密特?cái)?shù)。

對(duì)于氣相與顆粒之間的耦合模型，本文采用雙向耦合模型。離散相與連續(xù)相的雙向耦合是通過求解連續(xù)相控制方程和離散相運(yùn)動(dòng)方程來實(shí)現(xiàn)的，直到兩相不再隨著迭代的進(jìn)行而變化為止。

2 計(jì)算方法

本文針對(duì)煙氣在冷凝室內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬。在中試試驗(yàn)中，冷凝室煙氣量為7 500 m3·h?1，冷凝室直徑為1 m，氣液兩相接觸部分高度為3.2 m，兩噴淋層間距為1 m，噴嘴角度為30°，噴淋液速度為21 m·s?1，液氣比為2 L·m?3，入口煙氣溫度為323 K，噴淋水溫度為303 K，填料高度為0.6 m，材質(zhì)為PP，型號(hào)為Y250。

2.1 模型簡(jiǎn)化及邊界條件

對(duì)冷凝室設(shè)定作以下基本假設(shè)：1)只研究煙氣與噴淋水接觸部分的傳熱傳質(zhì)；2)忽略冷凝室內(nèi)小阻件對(duì)流場(chǎng)的影響；3)漿池部分不納入計(jì)算區(qū)域；4)將填料部分簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型。

簡(jiǎn)化后的冷凝室模型如圖1所示。濕煙氣由底部進(jìn)入，入口速度為3 m/s。采用雙層噴淋布置，噴嘴類型為cone，噴射方向與煙氣流動(dòng)方向相反，360°噴射液滴。頂層噴淋布置最高處距底面3.2 m，底層噴淋布置在頂層噴淋下方1 m處，每個(gè)噴嘴質(zhì)量流量為0.11 kg/s，噴霧液滴平均粒徑為210 μm，粒徑分布采用Rosin?Rammler方式。冷凝室底部為速度入口，頂部為壓力出口，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面，液滴在壁面處設(shè)置為Reflect。噴淋水由噴嘴進(jìn)入冷凝室后，為延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間，達(dá)到更好換熱效果，還在距離煙氣入口0.4 m處布置填料層進(jìn)行換熱。

圖1 冷凝室簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of condensation chamber

2.2 模型驗(yàn)證

采用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型均采用六面體網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，各模型網(wǎng)格數(shù)大約為70 萬個(gè)。表1所示為出口煙氣溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，由表1可知，在液氣比范 圍 為0.5～4.0 L·m?3時(shí)，相對(duì)誤差絕對(duì)值為3.61%～9.13%。由表1還可知，在噴淋液溫度為298～313 K 時(shí)，相對(duì)誤差絕對(duì)值為3.23%～4.07%。由于出口煙氣溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值總體相差不大，故認(rèn)為建模合理。

表1 不同條件下出口煙氣溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Table 1 Comparison of simulated and experimental values of outlet flue gas temperature under different conditions

3 模擬結(jié)果與分析

經(jīng)濕法脫硫后煙氣中水蒸氣含量迅速增加，通過氣液兩相直接接觸，降低氣相溫度，使得其達(dá)到露點(diǎn)溫度，從而降低煙氣中水蒸氣含量。為優(yōu)化冷凝室結(jié)構(gòu)，對(duì)比研究不同噴嘴密度、不同噴淋層間布置、不同冷凝室高度下的冷凝結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1 不同噴嘴密度下冷凝結(jié)果

在其他運(yùn)行參數(shù)不變的情況下，液氣比為2 L/m3時(shí)，不同噴淋密度下冷凝結(jié)果分別如圖2～3 所示，由圖2～3可知；隨著噴淋層中噴嘴數(shù)量的增加，在冷凝室中經(jīng)填料部分后，出口煙氣溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)；當(dāng)噴嘴密度約為19個(gè)/m2時(shí)，熱流體溫度效率達(dá)到70%，出口煙氣溫度最低，氣液之間換熱效果最好。熱流體溫度效率即為熱流體溫降與兩流體進(jìn)口溫差的比值，這項(xiàng)指標(biāo)直觀地從能量利用角度反映了冷凝室的傳熱性能。當(dāng)噴嘴密度小于19個(gè)/m2時(shí)，隨著噴嘴密度增加，出口煙氣溫度降低，熱流體溫度效率升高，這是因?yàn)樵龃髧娮烀芏仁沟脟娏芩采w面積增加，氣液接觸面積增加，為傳熱傳質(zhì)創(chuàng)造了有利條件；當(dāng)噴嘴密度大于19個(gè)/m2時(shí)，噴淋密度過大，大量液滴對(duì)煙氣造成強(qiáng)烈沖擊，使得煙氣流動(dòng)方向發(fā)生改變，煙氣流場(chǎng)不均勻，能量損失增加，熱質(zhì)交換效果惡化，熱流體溫度效率隨之降低。因此，合理的噴淋密度有利于氣液傳熱傳質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到更好的冷凝效果。

圖2 不同噴嘴密度下冷凝結(jié)果Fig.2 Condensation results under different nozzle densities

圖3 不同噴嘴密度下煙氣流場(chǎng)Fig.3 Flue gas streamline under different nozzle densities

3.2 不同噴淋層相對(duì)位置下冷凝效果

在噴嘴密度為19個(gè)/m2時(shí)，考察在冷凝室中經(jīng)填料部分后，噴淋層相對(duì)位置對(duì)冷凝效果的影響。噴淋層不錯(cuò)層時(shí)頂部與底部噴淋層布置均如圖4(a)所示，上下兩噴淋層除布置高度外，其他條件完全一樣；噴淋層錯(cuò)層時(shí)頂部噴淋層布置如圖4(a)所示，底部噴淋層布置如圖4(b)所示，即底層噴淋是以頂層噴淋為基準(zhǔn)，定圓心旋轉(zhuǎn)30°而得到。圖5所示為噴淋層布置對(duì)流場(chǎng)分布的影響。從圖5可見：發(fā)生錯(cuò)層現(xiàn)象后，噴淋水覆蓋率增加，使得氣液接觸更均勻，煙氣降溫速度加快，錯(cuò)層后出口煙氣溫度可以再降低0.32 K。由于錯(cuò)層布置不需額外花費(fèi)資金，操作簡(jiǎn)單，故在可能的條件下，錯(cuò)層布置可達(dá)到良好的冷凝效果。

圖4 噴淋層間相對(duì)布置圖Fig.4 Relative arrangement of spray layers

3.3 不同冷凝室高度下冷凝結(jié)果

圖5 噴淋層間相對(duì)布置流場(chǎng)圖Fig.5 Flow field diagram of relative arrangement between spray layers

分別將冷凝室總高度設(shè)置為2.2，2.7，3.2，3.7和4.2 m，即頂層噴淋布置在冷凝室最高處，兩噴淋層相對(duì)位置為1 m，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可見：在冷凝室中經(jīng)填料部分后，當(dāng)冷凝室高度增加時(shí)，出口煙氣溫度先降低后增加，故在此模型中存在最佳冷凝室高度，此高度為3.2 m；在冷凝室高度由2.2 m 增加至3.2 m 時(shí)，出口煙氣溫度降低，這是因?yàn)殡S著冷凝室高度的增加，使得煙氣與液滴之間的接觸時(shí)間增加，煙氣的顯熱和潛熱更多釋放給液滴，煙氣溫度降低，含濕量降低；在冷凝室高度由3.2 m增加至4.2 m 時(shí)，雖然煙氣在冷凝室中停留時(shí)間長(zhǎng)，但由于冷凝室高度的增加使得煙氣在冷凝室中流場(chǎng)不均勻，煙氣形成了局部渦流，導(dǎo)致部分煙氣與液滴接觸不均勻，最終造成出口煙氣溫度較高的現(xiàn)象。故在其他條件不變的情況下，將冷凝室高度布置為3.2 m，可達(dá)到最佳的冷凝效果。

圖6 不同冷凝室高度下冷凝結(jié)果Fig.6 Condensation results under different condensation chamber heights

由圖6還可知，容積冷凝負(fù)荷隨冷凝室高度增加而降低，但降低幅度逐漸變緩。容積冷凝負(fù)荷即單位體積內(nèi)所能處理的換熱量。此項(xiàng)指標(biāo)過小，煙氣在冷凝室中停留時(shí)間過短，不能保證氣液兩相充分接觸，從而影響冷凝效果。此項(xiàng)指標(biāo)過大，會(huì)增加金屬消耗量，投資成本增加。在本次模擬中，當(dāng)冷凝室高度為3.2 m 時(shí)，容積冷凝負(fù)荷適中，既不需投入大量成本，又可增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)效果。故結(jié)合冷凝效果和經(jīng)濟(jì)性，將冷凝室高度設(shè)置為3.2 m最合理。

4 結(jié)論

1)對(duì)于600 MW鍋爐煙氣量的試驗(yàn)裝置，冷凝室內(nèi)每層噴嘴最佳密度為19個(gè)/m2，每小時(shí)至少可回收95 t水量。當(dāng)噴嘴密度太小時(shí)，噴淋覆蓋面積小造成氣液兩相換熱面積小，最終出現(xiàn)出口煙氣溫度較高和熱流體溫度效率低的情況；當(dāng)噴嘴密度過大時(shí)，不僅投資成本增加，氣液兩相強(qiáng)烈撞擊造成煙氣流場(chǎng)的不均勻以及能量損失，最終使傳熱傳質(zhì)效率降低，出口煙氣溫度高。故選擇合適的噴淋密度，不僅可以節(jié)約成本，而且可以帶來良好的冷凝效果。

2)在其他運(yùn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，兩噴淋層間錯(cuò)層布置，有效增加了噴淋密度，使得氣液兩相接觸面積增加，有利于熱質(zhì)交換，出口煙氣溫度再降低0.32 K，在不額外耗費(fèi)資金的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水資源和熱能的回收。

3)當(dāng)冷凝室高度增加時(shí)，出口煙氣溫度先降低后增加，故存在最佳冷凝室高度。在此模型中，最佳高度為3.2 m。當(dāng)冷凝室高度太小時(shí)，煙氣與液滴之間的接觸時(shí)間過短，煙氣的顯熱和潛熱難以在短時(shí)間內(nèi)釋放給液滴；當(dāng)冷凝室高度太大時(shí)，煙氣形成了局部渦流，導(dǎo)致部分煙氣與液滴接觸不均勻，最終出現(xiàn)出口煙氣溫度較高和容積冷凝負(fù)荷太小的現(xiàn)象。結(jié)合容積冷凝負(fù)荷與出口煙氣溫度雙重指標(biāo)，在此模型中將冷凝室高度布置為3.2 m最合理。