摘 要: 对某电厂 1000 MW 机组旁路烟道脱硫废水干燥塔进行了数值模拟研究,得到内部流场和液滴蒸发情 况,并探索了运行参数的影响规律。设计工况时,塔内上部存在烟气的环状射流,形成回流卷吸,促进了液滴蒸 发。蒸发过程主要在干燥塔中上部空间内完成,液轨迹分布合理,未见贴壁现象。当废水处理量增大时,所 需的烟气量增加,使干燥塔阻力升高,液滴蒸发所需的时间和距离增加。作为热源的高温烟气温度对蒸发影响 很大,当温度降低至 315 ℃时,液滴轨迹较长,约 0. 22% 液滴发生贴壁。另外,雾化参数也很重要,粒径过小时, 液滴主要集中在干燥塔中部较小空间,体积利用率低; 粒径过大则会使液滴轨迹过于水平扩展,容易发生贴壁。 研究结果可为电厂实施脱硫废水零排放提供一定的参考价值。
关键词: 脱硫废水; 干燥; 雾化; 数值模拟; 液滴
0 引 言
我国火力发电机组普遍采用石灰石 - 石膏法 烟气脱硫技术脱除烟气中的二氧化硫污染[1],然 而该系统在运行时,脱硫浆液中会不断富集各种 盐分、氯离子、颗粒物及重金属[2],使 pH 值发生 改变、水质恶化,影响脱硫效率并腐蚀设备[3],因 此,需要定期排出脱硫废水,使脱硫循环浆液中的 氯离子控制在 20 g /L 内[4,5]。此外,电厂中的锅 炉循环水、排污水、冷却水及化学车间排水通常也 汇入脱硫塔集中处理[6,7],因此脱硫废水可谓是 全厂废水梯级利用的终点,水质最为恶劣[8]。 脱硫废水的主要特点[9 - 11]: ( 1) pH 值 = 4. 5 ~ 6. 5,呈弱酸性; ( 2) 含大量 Cl - 、SO2 - 4 等阴离 子,尤 其 是 Cl - 浓 度 高,腐 蚀 性 强; ( 3 ) 含 大 量 Na + 、Ca 2 + 、Mg 2 + 等阳离子; ( 4) 固体悬浮物高; ( 5) COD 及重金属超标。 传统的脱硫废水处理手段是“三联箱”工艺, 包括中和、沉淀及絮凝等步骤,具有较好的净化效 果,能够满足废水行业排放标准[12]。但是,该方 法缺点是无法脱除氯离子,出水仍不能达到零排 放要求[13]。因此,探索合适的脱硫废水零排放处 理技术成了近几年来的研究热点之一。2016 年 9 月,国家 环 保 部 发 布《火电厂污染防治技术政 策》,明确提出: 脱硫废水应采用中和、化学沉淀、 絮凝及澄清等工艺进行处理,鼓励利用余热蒸发 干燥、结晶等处理工艺对脱硫废水进行处理[14]。 脱硫废水零排放技术一般包括预处理、浓缩 减量和转移固化等三个基本步骤[5]。每个步骤 又有多种技术方案供选择,预处理可以使用电厂 原有三联箱工艺或者双碱法,主要目的是调节脱 硫废水 pH 值,降低 Ca 2 + 和 Mg 2 + 浓度等,以免造 成设备结垢腐蚀[15]。浓缩减量包括膜浓缩和热 力浓缩两类[16],主要是为了减少后续零排放的处 理量、节能和降低运行成本。转移固化是脱硫废 水零排放处理的最后一个环节,将废水中有害成 分转移至粉尘、灰渣或结晶盐中,包括蒸发结晶、 蒸发塘及烟气余热蒸发等[17]。烟气余热蒸发指 的是以锅炉尾部中低温烟气为热源,使雾化后的 脱硫废水受热蒸发,污染物变成固态细颗粒物 进入烟气,与飞灰一起通过除尘器捕集。该方 法因投资成本低、系统简单可靠、对水质要求低 及能耗低等诸多优点,受到了国内外学者的广 泛关注。 烟气余热蒸发又可以分为主烟道蒸发和旁路 烟道蒸发两种[18]。主烟道蒸发是指利用锅炉现 有设备,采用雾化喷嘴将脱硫废水喷入电除尘器 入口烟道进行蒸发,投资成本非常低,设备改造量 很小。但是,由于受到锅炉原始烟道空间限制且 烟气温度不高,蒸发需要的时间较长,容易发生液 滴喷到烟道内壁的问题,长期运行会造成烟道腐 蚀及固体结晶堆积堵塞烟道[19]。旁路烟道蒸发 是引出一部分锅炉省煤器后中温烟气,在旋转喷 雾蒸发塔等专用设备中对脱硫废水进行蒸发处 理,与主烟道蒸发方法相比,该系统可以独立运 行,不易受锅炉负荷和烟道结构影响,蒸发效果更 好[6,20],且引入的烟温较高,可减小设备体积,因 此具有很好的应用前景。 本文以浙江省某电厂 1000 MW 机组脱硫废 水处理系统为研究对象,采用计算流体力学方法, 对干燥塔内流场进行模拟,得到速度、温度和组分 分布,以及液滴运动与蒸发情况,研究废水处理 量、烟气温度和雾化参数对干燥的影响规律,研究 结果可为脱硫废水处理技术的发展提供一定的参 考。
1 废水干燥系统
浙江省某电厂 1000 MW 燃煤机组采用石灰 石 - 石膏法烟气脱硫技术进行脱硫,产生的废水量 约为 5 ~ 15 t /h。为了响应国家目前的电厂零排 放政策,2019 年初新建了脱硫废水旁路干燥处理 项目。 该系统的核心设备是喷雾干燥塔,其结构如 图 1 和图 2 所示。干燥塔上部布置旋转式喷雾 器,由高速电机带动,将脱硫废水雾化为几十微米 的超细液滴,沿圆周切线喷出。干燥热源来自锅 炉省煤器出口烟气,通过截面积逐渐变小的蜗壳 式风室,沿周向进入干燥塔。为了使热烟气速度 分布均匀,蜗壳式风室出口布置了导流叶片。随 后,烟气经过两个锥桶型通道往下运动,通道内同 样布置了导流叶片,用于调节气流旋转强度。干 燥后,废水中的盐结晶进入烟气中,处理完毕后烟 气在电除尘器汇入主烟道。由于干燥塔及管道阻 力小于空气预热器,因此该系统无需另设高温风 机,依靠空预器进出口的烟气压差即可。
2 几何与数值模型
2. 1 几何模型及网格
如图 3 所示,数值模拟计算域的范围为干燥 塔入口至出口,使用 Solidworks 三维软件按 1 ∶ 1 尺寸建模。内部的导流叶片等简化近似为零厚度 壁面。采用 Ansys ICEM CFD 软件平台对几何模 型进行全四面体网格划分,并对雾化器、烟气进口 套筒和导流叶片周围的网格进行局部加密。经过 网格无相关性验证,最后采用的总网格数约为 450 万,网格质量优于 0.4。
3 计算结果及分析
3. 1 设计工况下的计算结果 对设计工况下的干燥塔运行过程进行数值模 拟,进口烟温为 335 ℃,平均粒径为75 μm,处理量 为 10 t /h。模拟得到的干燥塔内压力分布如图 4 所示。结果表明,干燥塔的运行阻力约为 350 Pa, 远小于机组空气预热器阻力。压力损失主要由 上部的蜗壳和旋转喷雾器外侧的烟气进口通道 引起。在干燥塔本体,由于气流速度较低,压降 很小。
5 为干燥塔内速度场分布。由速度云图和 矢量图可见,高温烟气通过蜗壳和两层气流通道 进入干燥塔,形成速度约为 30 m /s 环状射流。由 于几何模型的不对称及蜗壳周向风量分配不均, 射流并非完全对称。旋转射流卷吸附近气流,形 成大尺寸回流,加强了干燥塔内气体混合,可以促 进液滴干燥蒸发。由于喷雾器高速旋转,附近形 成了很小的局部高速区。图 6 为烟气进入干燥塔 后的气流轨迹分布。结果表明,烟气受到蜗壳导 向及导流叶片作用,进入干燥塔后产生一定的旋 流,随后大部分气流继续向下螺旋运动,另一小部 分气流回流至干燥塔上部。
图 9 是干燥塔内废水液滴轨迹分布情况。计 算结果表明,废水液滴后从旋转喷雾器出口沿径 向水平喷出,然后在高温烟气及自身重力的作用 下,转为向下螺旋运动; 同时,由于蒸发,粒径逐渐 变小; 最终,所有的液滴在干燥塔的中部位置完成 蒸发。由图可见,废水液滴轨迹分布合理,未见明 显偏斜,且主要集中于干燥塔中上部,未见液滴 “贴壁”现象,避免了盐分在干燥塔内壁面结晶沉 积及腐蚀问题。
3. 2 废水处理量的影响 由于电厂负荷及热力系统工况多变,脱硫废 水量也经常发生波动,因此在实际运行中,干燥系统处理量也会在一定的范围内变化。图 10 显示 了废水处理量对干燥塔阻力的影响,烟气进口温 度为 335 ℃、平均粒径为 75 μm。计算结果表明, 处理量较低时,由于所需的高温烟气也较少,因此 干燥塔阻力很小,废水处理量 5 t /h 时阻力不到 200 Pa。随着处理量的增加,作为干燥热源的高 温烟气流量也随之提高,设备阻力大幅增加,15 t /h 时的阻力已经达到了接近 800 Pa,加上其它 烟气管道,干燥系统的阻力可能会超过空预器阻 力,使该系统无法正常运行。 图 10 处理量对干燥塔阻力的影响 图 11 给出了不同处理量时的废水液滴轨迹。 当处理量较小时,由于高温烟气量减少,对液滴的 下压作用减弱,此时液滴主要沿径向运动,蒸发过 程主要在干燥塔上部完成。当处理量较大时,烟气 量增加,速度提高,液滴被吹至干燥塔下部,轨迹分 布与低负荷完全不同。计算结果表明,在 5 ~ 15 t/h 处理量范围内,均未见液滴发生贴壁现象。
3. 3 烟气温度的影响 当锅炉负荷变化时,作为热源的烟气温度也 会随之变化。表 1 是进口烟温对干燥塔运行情况 的影响。模拟参数为: 处理量 10 t /h、平均粒径 75 μm、烟气量为 8. 3 万 m3 /h。模拟结果表明,热 源温度的变化,对设备阻力影响不大; 但烟温降低 会使液滴干燥过程延长,当降低至 315 ℃时,由于 液滴轨迹拉长,已经开始有少量( 0. 22% ) 液滴发 生贴壁现象,虽然比例很低,但是长期运行还是会 给设备安全造成一定的隐患。
4 结 论 对浙江省某电厂 1000 MW 机组旁路烟道脱 硫废水干燥塔进行了数值模拟研究。结果表明, 在设计工况下,烟气在塔内上部形成环状射流,形 成较大尺寸的回流,促进了液滴干燥。干燥塔阻 力约为 350 Pa,压降主要由进口蜗壳和导流板产 生。液滴蒸发过程主要在干燥塔中上部完成,液 滴轨迹分布合理,未见贴壁现象。 当废水处理量增加时,所需的烟气流量增加,干燥塔阻力升高,同时,液滴蒸发所需的时间和空 间增加,模拟结果表明该设备能够适应 5 ~ 15 t /h 处理量。热源温度对蒸发影响也很大,当温度降 低至 315 ℃时,液滴轨迹过长,约 0. 22% 液滴发 生贴壁现象,有一定的运行隐患。此外,雾化粒径 也很关键,粒径过小时,液滴主要集中在干燥塔中 部,体积利用率低; 粒径过大则会使液滴轨迹过于 扩展,容易发生贴壁现象
相关文章
- 混凝-超滤组合工艺处理含油废水试验研究 2021-06-20
- 水产养殖废水快速降解研究取得新进展 2021-05-09
- 反渗透膜技术在乳品工业废水处理中的应用 2020-07-19
- 催化臭氧化法处理煤化工废水 2020-04-05
- 硫氧化细菌在废水处理中的应用 2021-07-29
最新文章
- 城镇污水处理厂全流程水质管理方法分析 2023-01-29
- 高排放标准下某高新园区污水处理厂工程实例 2023-01-16
- 一种树状多支化破乳剂的合成与应用 2023-01-14
- 地层注入水悬浮物含量偏高原因分析与治理 2023-01-13
- 浅谈胶印润版液的净化循环使用 2023-01-13