脱硫湿烟气喷淋冷凝过程数值模拟研究
大中型燃煤电厂多采用湿法脱硫技术，脱硫过程导致大量水分蒸发，600 MW机组经湿法脱硫后排放的烟气中携带水蒸气超过200 t/h。脱硫湿烟气中的水蒸气及低温余热是燃煤电厂水资源和能量损耗的重要部分。
研究表明，脱硫后烟气中的液滴含量越少，烟囱出口烟尘含量越低，因此减少脱硫系统出口含湿量是提高脱硫系统协同除尘能力的关键。正确理解湿烟气喷淋冷凝过程的传热、传质及相变规律，对于提高喷淋冷凝效果，降低水资源浪费具有重要意义。
前人研究大多为喷淋方向及喷淋层组合方式，但喷淋冷却系统设计优化还不完善，如因喷淋层布置高度、喷嘴角度设置不合理而达不到理想的冷却效果；或因喷淋水流量和温度不合适导致水资源和能量的浪费；或因雾化程度过低，导致液滴粒径过大，造成气液接触面积小。
本文对湿法脱硫后烟气的冷凝过程进行数值模拟研究，采用双层喷淋布置，为增加气液接触时间在烟气入口上方布置填料，从冷凝室装置结构以及气液两相参数等方面进行了数值模拟和性能分析。研究喷淋层不同间距、喷嘴角度、液滴直径、液气比、液滴温度、烟气流速对于冷凝效果的影响，从而确定脱硫湿烟气冷凝优化条件，以期为工程实践提供参考，进而达到节水节能、消白、除尘一体化的目的。
1 模型建立及验证
采用双层喷淋布置，顶层喷淋距烟气入口截面3.2 m，底层喷淋距烟气入口截面2.2 m。填料层高度为0.6 m，布置在烟气入口截面上方0.4 m处。
图1 冷凝室简化模型
气相与颗粒之间的耦合模型，本文采用的是双向耦合模型。离散相与连续相的双向耦合是通过求解连续相控制方程和离散相运动方程来实现，直到两相不再随着迭代的进行而变化为止。
在5次改变液气比中，试验均重复3次，并采用多个测点，故试验值为多次试验的平均值。模拟值与试验值最大绝对误差为4.29 K，最大相对误差为9%；模拟值与试验值最小绝对误差为2.73 K，最大相对误差为3.61 %。两者总体相差不大，故认为建模合理。
图2 模型验证
2 模拟结果与分析
当底层喷淋布置在距离烟气入口2.2 m、喷淋层间距为1 m时，出口烟气温度最低，冷凝效果最好。喷淋层间距对于流场均匀性和换热有重要影响。寻找合适的间距，不需额外过多耗费资金，可达到相对较好的冷凝效果，是一种切实可行的提高气液之间传热传质的方法，以600 MW机组为例，出口烟气温度降低1 ℃，每小时可回收至少0.34 t水资源。
图3 不同喷淋层间距下出口烟气温度
图4 不同喷淋层间距下烟气流线
60°前增大喷嘴角度的传热传质效果强于60°后喷嘴角度增大。找到合适的喷嘴角度，可使液滴尽可能多地覆盖在整个烟气流动截面上，保证流场的均匀性，增大气液接触面积，以低成本来得到较大的经济效益。
图5 不同喷嘴角度下出口烟气温度
图6 不同喷嘴角度下两喷淋层温度
在其他运行参数不变的情况下，不考虑液滴夹带，液滴粒径越小，气液接触面积越大，传热传质越强烈，烟气的冷却速度越快，冷却后的烟气温度分布越均匀。而液滴直径对于冷凝室出口温度的影响并不呈现为一次函数。雾化条件较好时，不考虑液滴夹带条件下，将液滴直径减小到210 μm以下，可将湿烟气从323 K至少冷凝至311.75 K，600 MW机组每小时可回收至少80 t水资源及6.59 MW能量，环保、经济效益显著。
图7 不同液滴直径下出口烟气温度
液气比大于3 L/Nm3时，继续增大液气比，冷凝效果增强程度不明显。液气比的增加意味着需要耗费大量的冷凝水以及更多的电能，所以实际应用中应该结合经济性综合考虑。
图8 不同液气比下出口烟气温度
图9 不同液气比下烟气流场分布
温差与水蒸气分压差是驱动气液热质交换的动力，故而加大温差有利于气液传热传质的进行。烟气放出显热的同时，还释放了大量潜热。因此，液滴温度越低，气液之间的热湿交换效率越高。
图10 不同液滴温度下出口烟气温度
图11 不同喷淋水温度下出口烟气含湿量
烟气流速为3.5 m/s时，出口温度最低。改变烟气流速，使烟气停留时间与湍流强度处在合适的条件下，带来较好的换热效果。
图12 不同烟气流速下出口烟气温度
图13 不同烟气流速下烟气流场分布
3结论
1）本文针对600 MW锅炉(试验装置)尾部湿法脱硫系统出口烟气温度高、含湿量大造成的水资源与热能浪费等问题。对脱硫烟气的冷凝过程进行数值模拟研究，讨论了冷凝室本身结构和气液两相参数对传热传质的影响。随喷淋层间距的增大，出口烟气温度先降低后增加，最佳间距为1 m。两喷淋层间距对于烟气流场和液滴在冷凝室停留时间有重要影响，所以选择合适的喷淋层间距可用较小的经济成本获得较好的冷凝效果。
2）在一定范围内，喷嘴角度越大，液滴覆盖面积越大，气液接触越充分，但依靠增大喷嘴角度提高冷凝率的效果有限。喷嘴张角为60°时冷凝达到较好水平，若继续增大张角，冷凝程度提高幅度小。
3）液滴的直径对热湿交换有重要影响。在不考虑液滴夹带条件下，液滴直径越小，气液接触面积越大，冷凝效果越好，出口烟气温度和含湿量越低。在雾化程度可达到的情况下，尽可能选用雾化程度好的喷嘴有利于冷凝。若雾化程度有限，应尽量使液滴直径在210 μm以下，可将湿烟气从323 K至少冷凝到311.75 K，对于600 MW机组每小时可回收至少80 t水资源及6.59 MW能量。
4）液气比增大，烟气与水的接触面积增大，为换热创造了有利条件。但液气比增大的代价是耗费水资源。液气比为3 L/Nm3时，可将出口烟气温度降至309.32 K，达到较为理想的冷凝效果，应结合经济性与冷凝程度综合选定合适的液气比。
5）加大气液两相的温差与水蒸气分压差可有效提高热湿交换动力，有利于烟气显热与潜热的释放。因此在其他运行参数不变的条件下，冷凝水温度越低，出口烟气温度越低，可回收的冷凝水和热量越多。
6）在其他运行参数不变的情况下，烟气最佳流速为3.5 m/s。合理选择烟气速度可使烟气在冷凝室的停留时间和单位时间、单位面积对流质量处于较高水平，进而促进气液两相的传热传质。
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