脱硫废水烟气蒸发技术数值模拟研究的现状与发展

摘要: 随着我国法律法规和电力行业标准的日益严格，热电厂脱硫废水的零排放迫在眉睫. 烟气蒸发技术工艺简单，投资和运行成本低，已成为终端废水零排放的主流方法. 随着计算机技术的飞速发展，计算流体力学（CFD）技术越来越广泛地应用于烟气蒸发技术中烟气流体和液滴蒸发的数值模拟. 总结了液滴的蒸发机理，气液两相流及其数值研究现状，总结了烟气蒸发技术中的CFD数值方法和结果，为后续的烟道工程实践提供了理论依据和技术支持. 气体蒸发技术，并提出该技术的未来发展方向.

关键词: 脱硫废水零排放烟气蒸发CFD数值模拟；低温烟气蒸发技术

0简介

2018年，全国全口径发电量为6994. 0 TW·h，火力发电量为492.33.1 TW·h，占全国发电量的70.4％. 可以看出，中国的电力供应结构仍然以火力发电为主，但是火力发电厂燃烧大量的化石燃料，并向环境中释放大量的二氧化硫，这不仅对人体健康造成危害，而且作为前体，例如酸雨和雾霾，会造成严重损害. 环境问题. 石灰石-湿法脱硫工艺技术成熟，脱硫效率高，可靠性高，应用范围广，约占脱硫总装机容量的90％. 在烟气脱硫系统运行过程中产生的脱硫废水具有腐蚀性强，含盐量高，重金属含量高的特点. 其复杂的成分使其成为火力发电厂中最难处理的废水之一. 2015年，国家先后发布了《水污染防治行动计划》（又称《水十》），《火电厂污染防治技术政策》和《火电厂污染防治可能性技术指南》，要求加强对各类水污染的处理力度，明确指出: “脱硫废水应采用中和，化学沉淀，絮凝，澄清等传统工艺处理，并鼓励利用废热蒸发干燥，结晶等. 处理程序. ”随着国家法律法规和行业标准的日益严格，火力发电厂实施零脱硫废水排放项目迫在眉睫.

2017年6月1日，国务院发布《火力发电厂最佳污染预防最佳技术规范》，建议采用烟气蒸发干燥，结晶等工艺实现近零排放. 发电厂脱硫废水.

其中，烟气蒸发工艺过程具有系统简单，安全高效，不会造成二次污染，投资成本低，运行费用低的特点，已逐渐成为主流的脱硫废水零排放工艺. 烟道中的喷嘴及其布置，液滴大小，烟道气温度和速度等因素会影响脱硫废水的雾化和蒸发效果，需要根据电厂和锅炉的实际情况进行模拟和优化.

随着计算机技术和流体力学的发展，二次计算流体力学（CFD）的跨分支学科在工业领域中的应用越来越广泛. CFD使用计算机作为工具来解决一系列问题，例如当人们研究复杂的流动现象时，测量精度偏差，外部干扰，人力和物力不足以及复杂的方程式（例如偏微分方程式）的求解不准确. 操作简单，快捷，结果显示直观，图像已成为工程公司设计和科研仿真必不可少的工具.

近年来，越来越多的研究使用CFD来模拟烟气蒸发过程中液滴和烟气流体的行为，这大大简化了实际的实验操作和理论分析，并促进了烟气蒸发的快速发展. 技术. 总结了液滴蒸发机理，气液两相流及其数值研究的研究现状，总结了烟气蒸发技术的数值方法和结果，并提出了其未来的发展方向.

1理论基础

1.1液滴蒸发特性

单个液滴的雾化过程和蒸发特性决定了液滴组的蒸发过程. 因此，烟气蒸发技术中液滴群蒸发的轨迹，传热和传质机理与单液滴蒸发机理相同. 液滴组蒸发的研究是基于单个液滴的研究. 当液滴与热烟气流接触时，液滴温度远低于烟气温度，并且其蒸发经历了两个阶段: 非稳态阶段和稳态阶段. 初始阶段是不稳定状态. 在此阶段，液滴从烟道气吸收的热量主要用于提高液滴的温度. 液滴与烟道气之间的温差逐渐减小，从而削弱了烟道气. 同时，随着液滴温度的升高，液滴表面的蒸发加速，并且在蒸发过程中液滴吸收的蒸发潜热也增加，使得液滴中的温度场分布更加均匀. 当液滴的温度达到某个温度值时，即达到稳态阶段时，液滴的温度不再改变. 液滴从烟道气吸收的所有热量都用于蒸发液滴. 液滴在此温度下继续蒸发，直到蒸发结束.

文献提出了经典的液滴蒸发模型. 该模型假定: （1）液滴是球形对称的； （2）辐射被忽略； （3）气体边界层是准稳定的； （4）烟气和水蒸气为理想气体； （5）液滴温度场均匀； （6）符合菲克扩散定律. 还提出了温度周围液滴蒸发和单个液滴周围化学成分的双膜模型. 文献首先提出了D2定律来估计液滴的蒸发过程，但是该模型没有适当考虑液相的传热和传质，它是纯气相模型. 文献考虑了液滴内部循环的影响，应用层流气相方程，建立了液滴蒸发的纯理论模型，并提出了蒸发液滴表面上的气相流动是非稳定流动. 文献提出，在一定温度范围内，当液滴尺寸大时，需要考虑高温气体对液滴蒸发的辐射作用. 根据蒸汽守恒方程和热传递方程，文献推导了燃料液滴的蒸发速率与高压下温度变化率之间的关系. 文献提出，在非稳态阶段，蒸发仅取决于扩散，这是不平衡蒸发. 在稳态阶段，蒸发平衡了扩散和传热，并根据能量平衡，分别建立了两个阶段: 介质扩散形式的水滴蒸发关系和蒸发过程中的水滴蒸发关系. 传热形式. 文献建立了液滴的温度关系，分析了液滴在气流中的作用力，并建立了液滴运动方程. 文献从数学上分析了无相对运动和水滴与烟气之间的相对运动的两个条件，并建立了在这两个条件下水滴直径与蒸发时间之间的关系. 文献计算了高温气体中初始速度为零的单个液滴的运动和蒸发.

1.2数值研究进展

文献对环境压力对液滴蒸发的影响进行了数值研究，提出相平衡由环境压力和液滴温度共同决定，环境温度越高，环境压力对液滴喷雾的影响越大. 蒸发. 文献研究结果表明，环境压力对液滴蒸发的影响也与气流的相对速度有关，但温度是主要原因. 文献使用零维液滴模型研究在强和弱对流条件下环境压力对液滴蒸发的影响. 文献使用离散的多组分液滴模型来数值模拟多组分燃油喷雾的蒸发，得出的结论是，液滴的初始温度主要影响蒸发的早期阶段，并且得出结论，后期的蒸发速率与蒸发速率无关. 液滴的初始温度. 文献中介绍了非平衡动力学，考虑了液滴相变中的非平衡过程对蒸发的影响，弥补了随着液滴相变过程中液滴尺寸的减小，蒸汽速度无限增大的缺陷. 文献认为，液滴内部的传热由液滴内部的内部对流和液滴与气体之间的摩擦引起的内部水平对流组成. 认为气相传热和传质是准稳态过程. 文献对包括蒸发的喷雾过程进行了三维数值模拟，并获得了喷雾液体蒸气浓度场的云图和等电位图. 文献建立了描述液滴之间碰撞和聚集过程的新数学模型，从而提高了计算效率和准确性. 用欧拉-拉格朗日法进行喷雾蒸发的三维数值模拟.

结合液滴蒸发特性的现有研究，建立了多种液滴蒸发模型，并采用多种数值方法使液滴蒸发过程更加直观，直观，为后续的烟气蒸发数值研究提供了规范和指导技术. 规范和指导.

1.3气液两相流的数值研究

烟气蒸发过程中的烟气和脱硫废水液滴的流是气液两相流. 目前，对气液两相流的研究还不够深入，大多数工程设计都需要通过试验，通过研究，模拟或现场测量建立经验关系. 由于测试设备的局限性以及缺乏人力和物力，仅通过实验研究或现场测量就难以充分，准确地收集有关气液两相流流动特性的有用信息. 因此，可以利用CFD数值模拟获取气液两相流的所有信息，然后通过实验数据验证模拟结果的准确性，并进一步优化工程设计.

气液两相流的数值模拟是气相，液相和气液两相之间相互作用的模拟. 目前，以下两种数值方法主要用于研究.

（1）欧拉-欧拉二流体模型: 该模型使用气相作为连续介质，将液滴用作准流体. 液滴和气相是并存且互穿的连续介质.

（2）Euler-Lagrange离散粒子模型: 该模型使用气相作为连续相，在Euler坐标系中求解Navier-Stokes（NS）方程，将液滴作为离散相，液滴运动是在拉格朗日坐标系中研究的.

目前，已经对脱硫废水烟气蒸发技术进行了大量研究，包括对液滴蒸发特性和液滴气动破坏特性的研究. 随着计算机技术的不断发展，烟气蒸发技术和气液两相流的理论研究迅速发展并逐渐成熟.

2烟气蒸发技术的数值模拟

当前研究最广泛的烟气蒸发技术是低温烟气蒸发. 该过程如图1所示. 将脱硫废水泵入空气预热器（以下称为空气预热器）和集尘器之间的烟道中，并使用压缩空气通过气液雾化脱硫废水. 两相流雾化喷嘴. 液滴和雾化液滴在120〜140℃与烟道中的烟道气接触并交换热量，并迅速蒸发. 原始脱硫废水中的盐，重金属和其他物质由集尘器与烟气中的灰尘一起收集. 图中，SCR代表选择性催化还原技术，AH代表空气预热器角蒸发器的优势，ESP代表静电除尘器，FGD代表脱硫吸收塔. 但是，低温烟气蒸发技术受电厂负荷的影响很大.

目前，火力发电厂的负荷通常较低，在较低负荷下降低预热器后，烟气温度降至110℃，这使得难以完全蒸发废水的雾化液滴. 为了克服该技术的这一缺点，高温旁路蒸发技术已逐渐引起人们的关注，如图2所示. 该技术建立了一个独立的高温旁路蒸发器，从燃烧室的前部抽出部分热烟气. 在300〜350℃后进行SCR干燥，以雾化废水中的雾滴，蒸发器的出口与原烟道相连，蒸发产物的盐进入除尘装置. 根据雾化器和蒸发器的结构，高温旁路烟气蒸发技术可分为旁路蒸发塔技术和旁路烟气蒸发技术.

2.1数学模型

文献研究表明，在大气环境中，单组分替代液滴可以在很宽的范围内模拟2组分液滴的蒸发过程，因此在许多研究中，水滴被用来替代酸，碱和盐溶液液滴模拟烟气蒸发过程. 流场中的液滴流必须遵循三个守恒定律: 质量守恒，动量守恒和能量守恒.

2. 1. 1个液滴轨迹模型

根据气液两相流理论，在流场中运动的粒子会受到阻力，重力，虚拟质量力，热泳力等的影响. 对于小液滴，只有阻力和重力需要考虑，其他力量都是无知的. 根据牛顿第二定律，液滴的动量方程可描述为

粒子轨迹的特定解方程可描述为

其中: z是粒子位置，求解方程（4）可以获得粒子位置轨迹.

如果在每个较小的时间间隔中体积力和其他项保持恒定，则公式（4）可以缩写为

2. 1.2液滴的传热传质计算

为便于计算，可以对此模拟进行以下假设:

（1）液滴为对称球形，蒸发均匀，内部温度场均匀，忽略了液滴之间的碰撞；

（2）烟气速度相对较小，被视为不可压缩的流体；

（3）对流传热仅发生在液滴与烟气之间，并且烟道壁被视为“绝热壁面”；

（4）不考虑热辐射效应；

（5）设置在烟道中的喷嘴被视为点源，忽略了其体积对烟道气的影响；

（6）液滴周围的环境压力远低于液滴的临界压力，从而忽略了气体的溶解度.

（1）当Tp（液滴瞬时温度）

对流换热系数h由Ranz-Marshell关系得出

（2）当Tp

当液滴开始发生相变时，液滴蒸气进入烟道气的扩散速率，即液滴与气相之间的蒸气梯度，将影响液滴的蒸发，这可能是由于描述为

传质系数ki由舍伍德数Sh推导

（3）当Tp≥Tpbp（液滴沸腾温度）时，液滴的温度保持不变，并且液滴吸收的热量用于液滴的沸腾和蒸发，直到蒸发结束. 此时，液滴的沸腾蒸发速率方程为

2. 1. 3气相控制方程

气体连续性方程:

标准的气相流体k-ε湍流模型通常用于脱硫废水烟气蒸发技术的数值模拟. 湍流方程如下. 湍流能量方程

扩散方程

CFD数值模拟主要通过离散求解上述方程式和大量迭代来获得烟道内的液滴轨迹，连续温度场和速度场的结果.

2.2物理模型和数值方法

低温烟气蒸发技术的数值模拟需要与火力发电厂的实际烟气尺寸结构，锅炉负荷和烟气条件结合起来. 以特定单元的进气道为1: 1的模型，并将喷嘴布置在适当的位置，并在一定负载下根据实际烟道气流量，烟道气温度，速度等设置边界条件.

网格划分是建立物理模型的重要部分. 在仿真过程中，应尽可能划分更高质量的网格，以满足项目所需的计算精度和计算收敛性. 因此，在导出网格进行计算之前，有必要检查所生成网格的网格扭曲（EquiSize Skew）. 只有通过检查后，才能执行计算. 在废水蒸发技术的数值模拟中，通常使用Gambit或ICEM CFD（网格生成软件）将模型划分为六面体网格或一部分六面体网格和一部分四面体网格.

使用CFD软件求解连续性方程，动量方程和其他相关控制方程. 通常，选择适用于低速不可压缩流体的基于压力的求解器. 有限体积法用于执行方程的二阶迎风弥散. 压力和速度耦合使用SIMPLE算法（压力连接方程的半隐式方法）. 墙设置为隔热墙. 相关控制方程的残值一般应小于10-6〜10-4，并且算法收敛. 湍流模型广泛使用标准k-ε湍流模型，标准k-ξ模型，标准k-ζ模型等. 使用欧拉-拉格朗日离散粒子模型（DPM），在欧拉坐标系中求解烟气作为连续相. 液滴作为离散相在拉格朗日坐标系中求解. 喷嘴类型设置为实心锥，粒子类型为液滴，因此需要选择组件模型作为组件传输模型. 在计算中，可以选择离散相和连续相耦合计算，可以设置迭代步数，还可以选择稳态跟踪方法来更精确地显示液滴轨迹.

在对高温旁路烟气蒸发进行数值模拟时，仍需要对实际喷雾干燥塔，蒸发塔或电厂烟道的1: 1蒸发器进行建模并根据实际烟气条件进行设置发电厂的边界条件. 相关的控制方程与低温烟气蒸发技术相同，求解方法和湍流模型基本相同. 不同之处在于，如果使用旋转雾化器雾化脱硫废水，则Fluent软件的嵌入式模型中没有相应的模型. 您需要重塑旋转雾化器并更改液滴类型.

2.3影响因素及数值模拟的讨论

利用烟气余热蒸发热电厂脱硫废水的过程，液滴群的蒸发质量特性，液滴的完全蒸发时间和蒸发距离是制约该过程的关键问题

2. 3. 1个液滴雾化粒径

文献中的模拟结果表明，液滴的雾化粒径越小，废水液滴的蒸发时间越短，完全蒸发所需的距离越短. 通过拟合数值模拟数据，可以得出结论，液滴的蒸发时间和蒸发距离与雾化粒径呈负线性关系.

液滴的雾化粒径越小，达到临界蒸发温度所需的加热时间越短，蒸发所需的热量就越少. 根据传热传质的理论，雾化粒径越小，液滴的比表面积越大，这更有利于液滴与热烟气之间的传热，因此速度越快蒸发速率. 但是，由于废水被雾化成较小的颗粒，因此消耗的能量越多角蒸发器的优势，运行成本就越高. 因此，在实际工程应用中，有必要结合电厂的最大允许液滴蒸发距离，综合考虑成本，选择具有合适粒径的喷嘴.

2.2.2喷嘴喷雾锥角

喷嘴的雾化锥角是喷雾液滴边界之间的角度. 文献中的仿真结果表明，当雾化锥角从15°变为120°时，液滴的完全蒸发时间逐渐减小，当雾化锥角为90°时，液滴的蒸发距离最小. 这是因为随着雾化锥角的增加，烟道中的液滴覆盖范围变得越来越大，液滴群更充分地接触烟道气，并且气液热交换效率更高. 但是，由于不同的喷射角度，液滴在运动过程中的速度也会不同，这使得液滴的蒸发距离和雾化锥角不是线性的.

同时，当雾化锥角为15°〜50°时，由于雾化锥角小，液滴群太密，气液接触不充分，液滴无法完全蒸发在烟道中. 当雾化锥角增加到60°〜65°时，废水可以在烟道中完全蒸发. 当雾化锥角为70°〜90°时，由于雾化锥角大，可能会出现液滴撞击烟道壁的现象，可能导致烟道壁表面结垢或腐蚀. 当雾化锥角大于90°时，由于气体和液体的充分接触，液滴的蒸发速率加快，液滴撞击壁的可能性也逐渐降低.

2.3.3锅炉负荷（烟气温度和速度）

根据文献中的模拟，锅炉负荷越小，液滴的蒸发速率越小并且蒸发距离越长. 如果烟道的长度太短，则可能会蒸发不完全. 锅炉的负荷决定了烟气的温度和速度. 然而，烟气速度和液滴初始速度的变化对液滴蒸发速率的影响很小，因此归根到底是烟气温度对液滴蒸发的影响.

文献模拟了烟气温度单因素对液滴蒸发的影响. 结果表明，烟气温度越高，液滴蒸发速度越快，完全蒸发时间越短. 根据对流传热的相关原理，在较高的烟气温度下，液滴与烟气之间的温差较大. 液滴每单位时间吸收的热量越多，其达到沸腾温度的速度就越快. 许多学者模拟了更多影响液滴蒸发的因素，如喷嘴的位置，布局，喷雾方向，废水流量等. 文献模拟了高温旁路蒸发技术对脱硫废水的相关影响因素.

研究组的3部分烟气蒸发模拟结果

3.1. 雾化粒径对液滴蒸发的影响

研究组模拟了当雾化的雾化粒径分别为20、50、100和150 µm时的雾滴蒸发时间，并获得了不同雾化粒径下粒径分布随时间变化的结果. . 显示了3个.

从图中可以看出，加热过程中不同粒径液滴的粒径分布以及完全蒸发的时间分别为20、50、100和150 µm，分别对应于完全蒸发至0.38的时间. ，0. 74，1. 18，1. 24 s. 可以看出，液滴尺寸越大，完全蒸发时间越长，液滴需要吸收的热量越多.

3.2. 烟气温度对液滴蒸发的影响

在383〜433 K范围内模拟烟气温度对液滴蒸发的影响，获得不同烟气温度下液滴的运动轨迹. 仿真结果如图4所示.

从图中可以看出，烟气温度越高，雾化液滴的蒸发量越大. 因此，空气预热器后的烟气温度越高，烟道中废水液滴的蒸发就越完全.

3.3. 使用数值模拟优化高温旁路蒸发

对于直径为2.0、2.2、2.4 m的旁路蒸发器，烟气速度为3、4、5 m / s，在150〜360℃不同烟气温度下的气体速度“两个因素”对烟气的影响对蒸发时间进行了模拟和探索，将蒸发时的温度作为临界蒸发温度. 仿真结果如图5所示.

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