数值模拟在燃煤电厂废水零排放中的应用

毛 霖，张金成，秦福初，马孝栋

（1.国家电投集团远达环保工程有限公司重庆科技分公司，重庆 401122；2.通辽第二发电有限责任公司，内蒙古 通辽 028000）

为满足居民对电力逐年增加的需求，国家大力提升电力建设速度。截至2021年5月底，全国发电装机容量达到22.4 亿kW，我国发电装机容量和发电量已连续多年位居世界第一，其中，火力发电厂的装机容量仍占50%左右。目前，火力发电厂几乎都采用湿式石灰石-石膏法烟气脱硫技术（FGD）减少二氧化硫的排放。在应用过程中，为了降低吸收塔被腐蚀的速度，该技术需要控制塔内脱硫浆液的氯离子浓度小于20 000 mg/L，因此必须外排一部分废水，即脱硫废水。随着环保政策的收紧，国家要求新建火力发电厂必须实现废水零排放。目前，我国电力行业脱硫废水零排放思路较为一致，技术路线大体可分为预处理+浓缩+蒸发结晶三部分。很多火力发电厂新建、在建的脱硫废水零排放项目废水预处理和浓缩方式各有不同，但是最终的浓缩废水都需要进行蒸发结晶处理，实现水和盐的分离，进而实现废水零排放。

针对蒸发结晶工艺，国内学者已经开展了大量的数值模拟研究，解决了部分理论问题。翟明等[1]利用标准k（湍动能）-ε（湍流耗散率）模型，结合脉动燃烧器尾管的试验参数，进行湍流脉动与换热的数值模拟。冉景煜等[2]建立了液滴在低温烟气中运动和蒸发的数学模型，获得了液滴温度、直径随时间的变化规律，分析了液滴直径、速度和烟气速度对蒸发的影响；吴帅帅等[3]建立了烟道内气液两相流动、传热传质和雾化液滴蒸发的数学模型，并利用该模型对不同机组锅炉空气预热器后主烟道内雾化液滴的蒸发过程进行模拟研究。本文对内蒙古东部地区某660 MW机组旁路烟道废水蒸发过程进行数值模拟，分析相关参数对系统蒸发性能的影响，用以指导废水蒸发系统的工艺设计。

1 物理模型和数值方法

1.1 建立物理模型

该600 MW 机组的脱硫废水零排放工程设计处理能力为8 m3/h，不包括电厂生活污水等其他废水。按1 ∶1的比例对旁路蒸发器进行建模，在烟道和蒸发器直接的变径处设置2 层多孔板导流，在蒸发器变径结束后 200 mm 处布置废水喷射点，每支喷枪设2 个喷嘴，每个喷嘴流量为500 kg/h，共需要4 支喷枪、8 个喷嘴，同层环形布置。喷嘴喷口与烟气方向相同，液滴顺流喷射。

1.2 数值方法

首先，采用混合网格划分上述物理模型。由于四面体网格在节点排列方式上没有特定的规则，比较适用于流场变化较大的工况，多数结构采用四面体网格划分，部分结构采用六面体网格划分。其次，设定相邻网格节点的间距（50 mm），得到网格单元355 324个。再次，根据液滴在气流中破碎的结构特点，受液滴变形破碎过程影响较大的区域进行了局部网格加密，加密后，网格单元增加到860 035 个。然后，针对纯气相的流场迹线图采用标准k-ε模型，模拟液滴蒸发时采用可形变部件模型（DPM），分别建立连续性方程、能量方程、动量方程等。最后，利用FLUENT 软件求解。当计算气体流动方程时，若相关控制方程残差值小于10-4，则认为结果收敛；当计算液滴蒸发时，若相关控制方程残值差小于10-3，则认为结果收敛。

2 结果分析与讨论

数值模拟结果显示，在蒸发器入口加装两层多孔板可以有效均匀蒸发器内部流场，减少偏流带来的影响。通过分析多孔板后200 mm 处（喷嘴安装位置）的速度云图可知，安装多孔板后整流效果明显。加装多孔板前后检测平面的速度云图对比如图1所示。

图1 加装多孔板前后的速度云图对比

经过多孔板整流后，蒸发器内的流场较为均匀，没有偏流现象，液滴没有碰壁现象。为保证液滴在蒸发器内蒸发完毕，不会穿过蒸发器进入下游主烟道中，本研究通过数值模拟分析了不同粒径液滴的蒸发距离。结果显示，当液滴粒径小于120 μm 时，液滴皆能在8 m 以内蒸发完毕，不会有液滴进入主烟道中。

3 工程验证情况

数值模拟结果对工程设计有重要的指导作用，也需要实际工程运行来进行验证。该600 MW 机组脱硫废水零排放项目已于2019年3月完成168 h 试运行，交付业主单位。经过1年多的运行，系统装置于2020年5月机组停运期间进行了检修，蒸发器内壁如图2 和图3 所示。经过长时间运行，蒸发器内壁上部和下部都没有明显的积灰和堵塞现象，说明液滴在触碰内壁之前已经完全蒸干，与数值模拟结果相吻合。如果数值模拟结果有偏差，没有完全蒸发的液滴会裹挟飞灰粘在蒸发器内壁，形成大面积的污垢，污垢在长时间累积下会板结，最终造成蒸发器的堵塞。

图2 蒸发器内壁上部（含喷枪与多孔板）

图3 蒸发器内壁下部（含温度计）

4 结论

数值模拟技术在燃煤电厂废水零排放领域发挥着不可或缺的作用，主要优势体现在成本低、速度快、周期短、信息完整、具有模拟真实条件的能力等方面。本文以燃煤发电机组旁路烟道脱硫废水零排放项目为例，阐述了数值模拟工作流程，分析了蒸发过程中烟道和蒸发器内的气液分布情况。经过导流装置和烟道的调整，液滴颗粒在蒸发器内完全蒸发且不碰壁。经过长时间的运行，蒸发器内壁光滑，没有积灰和堵塞现象，证明数值模拟结果与实际工程相一致，也证明数值模拟技术在燃煤电厂废水零排放工程中的可靠性。