作者：周 川1，2，3* 吴其荣1 喻江涛1 秦福初1 ( 1． 国家电投集团远达环保工程有限公司，重庆 401122; 2． 清华大学 环境学院，北京 100084; 3. 宜宾学院 资源与环境工程学院，四川 宜宾 644000)

摘要: 针对某 2×350 MW 燃煤发电机组主烟道脱硫废水蒸发过程进行了 CFD 数值模拟，分析了蒸发过程中烟道内的 气液分布和变化规律，喷嘴参数对蒸发性能的影响，以及蒸发过程随着负荷降低的变化规律。结果表明: 液滴颗粒可 在烟道内完全蒸发; 粒径从 40 μm 增加到 80 μm 时，液滴蒸发时间从 0. 26 s 增加到 0. 62 s，蒸发距离从 6. 15 m 增加到 13. 41 m; 蒸发时间和蒸发距离与液滴粒径近似呈线性关系; 蒸发时间随着喷射角度的增加而减小; 喷射角度为 90° 时，蒸发距离最短; 喷射角度为 120°时，蒸发距离最大; 3 种喷射方向中，逆流喷射方式蒸发时间最长，但蒸发距离最 短; 负荷降低，蒸发时间增加; 负荷由 75%降低至 50%时，蒸发距离有显著提升。

关键词: 燃煤机组; 脱硫废水; 蒸发; 数值模拟

0 引 言

随着环保排放要求的不断提高，脱硫废水从达标 排放向零排放是工业污水治理发展的重要方向之一。 目前废水零排放技术，存在多种技术路线，如多效蒸 发、MVＲ、烟气余热蒸发等多种路线，其中烟气余热 蒸发由于其投资和运行成本具有显著优势，近年来得 到广泛关注［1-4］。 在废水烟道蒸发零排放技术中，理想情况下，废 水蒸发出的盐颗粒，将被烟气携带走，进入后端除尘 器，与烟气中的粉尘一起被除尘器捕获; 但是，在实际 运行中，由于废水蒸发不完全、喷枪布置不合理等原 因，使得盐颗粒和粉尘在烟道沉积，进而诱发烟道结 垢、堵塞等问题，严重影响机组的稳定运行。该问题 是目前限制废水蒸发技术路线应用的重要因素［5，6］。 废水烟道蒸发零排放技术的实质是，含盐废水经雾化 喷枪加压和雾化后，以离散态喷入烟道与烟气充分接 触，利用烟气的热量使得液态水蒸发为气态水的过 程。如何利用现有烟道结构，匹配布置合适的喷枪位 置，选用合适的喷嘴参数是实现系统稳定运行，防止 堵塞、结垢等问题出现的前提条件。 利用 CFD 模拟废水蒸发过程，对于指导相关的 参数设计，预测系统性能，具有重要意义［7-15］。王晓 焙等［7］针对旁路烟道废水喷雾干燥过程进行了数值 模拟，分析了喷雾干燥塔内烟气流动、温度分布和变 化规律; 马双忱等［8］针对某 300 MW 机组提出的脱硫 废水喷雾蒸发处理技术和方案进行 CFD 模拟验证， 分析了雾化粒径、入口温度对蒸发性能的影响; 张子 敬等［9］对燃煤电厂脱硫废水烟气蒸发过程进行了气 液两相模拟，获得了烟道内气液变化规律及各组分浓 度和颗粒群分布; Deng 等［10］利用 CFD 系统分析了 DEWETS 系统内操作条件对蒸发性能的影响，提出优 化优案。 本文针对某 2×350 MW 机组主烟道废水蒸发过 程进行了气液两相模拟，分析了烟道内的气液两相变 化特征，以及相关操作参数对系统蒸发性能的影响， 用以指导废水蒸发系统工艺的设计。

1 物理模型和边界条件

1. 1 物理模型

按 350 MW 机组入口烟道 1 ∶1进行建模，入口矩 形烟道尺寸为 7628 mm×2708 mm，圆形烟道直径为 3920 mm。分别在烟道 1 和烟道 2 竖直段布置废水 喷射点，喷射点位于所在截面中心; 如无特殊说明，喷 嘴喷口竖直向上，液滴沿烟气方向喷射。相关烟道物 理结构和喷射点如图 1 所示。 1. 2 边界条件 不同负荷下烟道入口的烟气参数如表 1 所示。

烟道入口采用质量入口边界条件，出口采用压力 出口边界，喷枪采用实心锥形喷枪，单支喷枪喷射流 量为 1000 kg /h。

2 数值方法 计算模型采用混合网格，根据烟道当地结构分别 采用六面体和四面体网 格，相邻网格结点间距为 100 mm，网格单元数为 681263，将网格进行加密，网 格单元数增加到 1020024，模拟结果无明显变化。 采用商业软件 FLUENT 求解连续性方程、动量方 程、能量方程等相关控制方程。采用有限容积法对基 本方程进行二阶迎风离散，速 度 压 力 耦 合 采 用 SIMPLE 算法，压力修正采用 PＲESTO 方案。当相关 控制方程残差值分别＜10－4 时，认为计算结果收敛。

3 结果和分析

3. 1 气液流动及温度变化和分布规律 图 2 比较了有无喷水工况下，烟道内的烟气流动 情况。可知: 有/无喷水情况下，烟气迹线几乎完全一 致，这表明从喷枪喷射出的废水液滴对烟气总体的流动情况影响较小。在计算模型中，总负荷工况下烟气 的质量流率为 254 kg /s，而废水的质量流率仅为 0. 55 kg /s，约占烟气质量的 0. 22%，因此废水的喷入对系 统的质量和动量守恒影响都较小。另外可注意到，在 烟道入口水平段和竖直段烟气迹线整体较为规则，但 烟气到达上部圆形烟道时，由于多次转向，烟气存在 明显的偏流和旋转趋势。烟气的旋转一方面有利于 促进气液混合，强化传质; 但另一方面易使未蒸发的 液滴向壁面撞击，诱发壁面结垢等不利影响。 液滴在烟道内的蒸发过程和运动迹线如图 3 所 示，在此工况条件下，液滴喷入烟道后逐步蒸发，在上 部烟道转角处蒸发完全。另外，粒子追踪统计数据显 示( 表 2) ，此工况条件下未出现液滴碰壁现象。

图 4 展示了离喷口竖起距离为 4 m 的截面和出 口截面水蒸气质量分数分布。  由图 4a 可看出: 液滴经喷嘴喷出后，由于喷射角 度较小，在较短距离内无法使得水蒸气迅速扩散在整 个截面，而是局限在截面的 1 个较小区域; 待水滴完 全蒸发，且经过较长距离混合后，水蒸气基本在烟道 内扩散完全; 同时由于烟气旋转使得在靠近边缘的局 部区域水蒸气浓度较高，局部区域浓度较低，整个烟 道截面水蒸气分布不均匀。烟道中水蒸气浓度不均， 意味着烟道各处烟气的局部含湿量有差异，其所对应 的水( 酸) 露点温度不同，水蒸气浓度高对应的露点 温度高，水蒸气浓度低对应的露点温度低。在烟道保 温较理想的情况下，烟道壁温与烟气温度基本相同， 水蒸气在烟道内始终是以气态形式存在，此情况下水 蒸气浓度分布对系统运行无显著影响。但是，除尘器 与烟道连接处，以及烟道转折处，通常采用软性材料 ( 金属膨胀节) 连接，普遍存在保温不良或漏风情况，此区域烟道壁温度较低，若在靠近烟道壁附近区域水 蒸气浓度较高，此时在烟道壁存在更高的结露风险， 可能诱发酸腐蚀等问题。

3. 2 喷枪参数的影响

3. 2. 1 喷射粒径的影响 图 5 展示了液滴运动轨迹随粒径 dp 的变化规律。 可知: 随着粒径的增加，液滴的运行轨迹变长; 在粒径＜ 60 μm 时，液滴蒸发距离较短，离上部烟道顶面距离较 远，发生碰壁可能性较小; 而当粒径＞60 μm 时，液滴运 动终点靠近上部烟道顶面，存在碰壁风险。颗粒统计 数据表明，当粒径为 80 μm 时，烟道壁发生了碰壁现 象，碰壁液滴数占总液滴数的 1. 4%。

不同粒径下液滴蒸发时间及蒸发距离如图 6 所 示。可知: 随着液滴粒径从 40 μm 增加到 80 μm，液 滴完全蒸发所需的时间( 蒸发时间) 从 0. 26 s 增加到 0. 62 s; 液滴完全蒸发所需的距离 ( 蒸 发 距 离) 从 6. 15 m 增加到 13. 41 m。由图 6 可知: 蒸发时间 t 和 蒸发距离 L 与液滴粒径 dp 近似呈线性关系。 3. 2. 2 喷射角度的影响 图 7 所示为不同喷嘴角度下喷射液滴的运动轨 迹。可知: 随着喷嘴角度的增加，液滴在烟道中的覆 盖范围增加，气液接触更充分，液滴蒸发完成时间略 有下降; 液滴喷射角度从 45°增加到 120°时，烟气蒸 发时间从 0. 434 s 减小到 0. 418 s。但是，由于喷射角 度的不同会带来液滴运动过程中的速度差异，使得上 述过程中蒸发距离并未随着蒸发时间的下降而下降 ( 图 8) ，在喷射角度为 90°时，蒸发距离最短，其值为 9. 38 m; 在喷射角度为 120°时，蒸发距离最大，其值 为 9. 71 m。 3. 2. 3 喷射方向的影响 图 9 分别为顺流、逆流和垂直于烟气运动方向 3 种工况的液滴颗粒运动轨迹。可知: 顺流和垂直于烟 气喷射时液滴的运动轨迹较为接近; 而逆流喷射相对 于上述 2 种工况，粒子运动轨迹覆盖面积较小，和烟 气的接触相对不充分。因此，使得 3 种喷射方式中， 其需要的蒸发时间最长达 0. 506 s，而顺流和垂直烟 气运动方向喷射时所需的蒸发时间分别为 0. 426， 0. 422 s( 图 10a) 。但是，逆向喷射时，液滴和烟气存 在逆向接触和减速过程，使得其在蒸发过程中的平均 速度较小，从而造成三者中其蒸发距离最小，其值为 9. 29 m; 而顺流和垂直烟气运动方向喷射时蒸发距离 分别为 9. 47，9. 50 m( 见图 10b) 。

3. 3 锅炉负荷响应特性 图 11 为不同锅炉负荷下液滴蒸发过程轨迹。随 着负荷下降，烟气温度和速度随之降低，蒸发相变过程 减缓，液滴蒸发完全所需时间增加。如图 12a 所示，当 负荷从 100%减少到 50% 过程中，液滴蒸发时间从 0. 426 s 增加到 1. 07 s。但是，随着烟气流速的下降，液 滴颗粒的平均运动速度也下降，使得液滴蒸发完全所 需的距离并未随着蒸发时间的延长而线性增加。如图 12b 所示，100%负荷和 75%负荷时蒸发距离基本相同， 分别为 9. 39，9. 47 m; 负荷由 75%减少到 50%时，蒸发 距离显著增加，从 9. 47 m 增加到 11. 39 m。

4 结 论 1) 液滴喷射对烟气流动影响较小; 在适当条件 下可使液滴颗粒在烟道内完全蒸发; 滴液蒸发产生的 水蒸气需要较长距离才能在整个烟道内充分扩散。 2) 随着喷射粒径增加，蒸发时间从 0. 26 s 增加 到 0. 62 s; 蒸发距离从 6. 15 m 增加到 13. 41 m; 蒸发 时间 t 和蒸发距离 L 近似与液滴粒径 dp 呈线性关 系; 当粒径为 80 μm 时，可发生液滴碰壁现象。