燃煤機組尾部煙道三氧化硫脫除數(shù)值模擬研究

劉宏芳,吳賢豪,張光學(xué),陳子越,余文南

(1.浙江浙能電力股份有限公司,浙江 杭州 310000; 2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司,浙江 杭州 311121;3.中國計量大學(xué) 能源工程研究所,浙江 杭州 310018; 4.杭州全信科技有限公司,浙江 杭州 310000)

近年來,隨著我國大力推進(jìn)社會主義生態(tài)文明建設(shè),各類環(huán)境問題逐漸成為社會的焦點議題。造成各類環(huán)境問題的因素眾多,煤的開采及燃燒是其中一個主要因素。煤炭在開采和運輸過程中會產(chǎn)生大量煤塵,不僅危害作業(yè)人員的健康,還會對周邊環(huán)境造成一定影響[1]。同時,煤在燃燒過程中會產(chǎn)生大量污染物[2],在這些污染物中,不僅有氮氧化物NOx,還有一定量的SO3[3]。早期燃煤煙氣中的SO3濃度較低,一直不為人們所重視。但隨著選擇性催化還原脫硝技術(shù)(Selective Catalytic Reduction,SCR)的普及,燃煤煙氣中的SO3濃度大幅增高,使得SO3的危害不容忽視[4]。SO3作為一種危害極大的污染物,會凝結(jié)為腐蝕性極強的硫酸,對燃煤電廠附近的建筑造成損害,而且一旦被人體吸入,還會對人體呼吸系統(tǒng)造成較大傷害[5]。此外,SO3還會對電廠的日常運行帶來諸多不利影響,是造成低溫腐蝕和催化劑失活的主要因素[6-7]。

目前,國內(nèi)外燃煤電廠通常采用爐內(nèi)摻燒石灰石、濕法脫硫、濕式靜電除塵和堿性吸收劑噴射等技術(shù)脫除煤燃燒過程中產(chǎn)生的SO3。爐內(nèi)摻燒石灰石的技術(shù)原理是在燃燒中降低SO3的生成量,雖然該技術(shù)應(yīng)用成本較低,但會影響鍋爐效率,因此主要應(yīng)用在高硫煤機組[8];濕法脫硫技術(shù)是在脫除煙氣中SO2的同時,協(xié)同脫除一部分SO3,但SO3脫除效率一般不高于50%[9];濕式靜電除塵技術(shù)對SO3脫除效率較高,但因布置在脫硫塔后部,雖然可以保證最終煙氣清潔排放,但是無法消除SO3對前端脫硝裝置、空氣預(yù)熱器等設(shè)備的危害[10]。此外,隨著除塵技術(shù)的發(fā)展,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)與除塵器進(jìn)行結(jié)合,有望彌補現(xiàn)有除塵技術(shù)的不足,但仍需要研發(fā)時間[11]。堿性吸收劑噴射技術(shù)是一種專用于脫除燃煤煙氣中SO3的新技術(shù),噴槍常布置在燃煤鍋爐后端溫度為120～400 ℃的煙道段內(nèi),并可在煙道各個位置噴射,具有較強的適應(yīng)性,有望在未來成為主流的脫硫技術(shù)[12]。

堿性吸收劑噴射脫除SO3技術(shù)通過噴槍將堿性吸收劑噴入煙道中,利用酸堿中和原理,實現(xiàn)對煙氣中SO3的脫除[13]。該技術(shù)一經(jīng)問世,便引發(fā)了許多學(xué)者的研究興趣。Steward等[14]將金屬氧化物作為堿性吸收劑,獲得了良好的脫除效果,驗證了這一技術(shù)的可行性;Wang等[15]研究發(fā)現(xiàn)在實際鍋爐煙道溫度范圍內(nèi),堿性吸收劑對SO3的脫除效率顯著,為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供了重要依據(jù);Galloway等[16]使用多種堿性吸收劑對SO3進(jìn)行脫除,得出相應(yīng)的反應(yīng)順序,為堿性吸收劑的選擇提供了依據(jù);Zheng等[17]研究了不同堿性吸收劑在各種條件下對SO3脫除效率的影響,為該技術(shù)走向?qū)嶋H工程應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步;秦剛?cè)A等[18]以自制多孔碳酸鈣CaCO3為堿性吸收劑,脫硫效果明顯,為堿性吸收劑的選擇提供了新思路;陳朋[19]發(fā)現(xiàn)堿性吸收劑噴入燃煤機組后,燃煤機組的熱效率得到提升,為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供了參考。此外,徐紹平等[20]發(fā)現(xiàn)Na2CO3溶液對SO3的脫除效率高達(dá)85%以上,且對脫硝催化劑的影響很小,使Na2CO3溶液成為堿性吸收劑的較佳選擇之一。

雖然堿性吸收劑噴射脫除SO3技術(shù)在SO3排放控制領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景,但大多數(shù)研究僅停留在實驗室簡單氣氛下,中間試驗很少[21]。為進(jìn)行SO3脫除系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計并為實際工程應(yīng)用制訂合理的運行策略,需要掌握堿性吸收劑吸收煙氣中SO3的基本特性,以及各項參數(shù)對SO3脫除效率的影響規(guī)律。筆者通過深入的理論分析后,以Na2CO3溶液為堿性吸收劑,建立堿性吸收劑溶液吸收煙氣中SO3多相流全過程反應(yīng)的數(shù)值模型;通過該模型,研究堿性吸收劑溶液吸收煙氣中SO3的物理和化學(xué)過程,并獲得各項參數(shù)對SO3脫除效率的影響,為SO3濕法脫除系統(tǒng)的設(shè)計及運行提供理論指導(dǎo)。

1 模擬對象及數(shù)值模型

1.1 模擬對象概述

以浙能長興電廠330 MW燃煤機組為研究對象,燃煤鍋爐為亞臨界參數(shù)汽包爐,采用自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式。機組配套有選擇性催化還原系統(tǒng),配置2個SCR反應(yīng)器,脫硝后煙氣接入空氣預(yù)熱器。此外,由于SCR反應(yīng)器對SO2轉(zhuǎn)化成SO3具有催化作用,所以煙氣的SO3濃度會在經(jīng)過SCR反應(yīng)器后顯著升高,而空氣預(yù)熱器較易發(fā)生硫酸鹽堵塞,因此在SCR反應(yīng)器下游、空氣預(yù)熱器上游的尾部煙道噴射堿性吸收劑是較為理想的方法[22]。以燃煤機組尾部煙道為計算區(qū)域開展數(shù)值模擬,其幾何模型如圖1所示,其中有3個彎頭,每個彎頭均布置導(dǎo)流板。

圖1 燃煤機組尾部煙道幾何模型示意圖

1.2 多相流反應(yīng)數(shù)值模型

建立一種全新的堿性吸收劑溶液噴霧吸收SO3多相流反應(yīng)數(shù)值模型,其涵蓋了堿性吸收劑溶液霧滴在煙道中蒸發(fā)、沸騰、干化、擴散、吸附及表面氣固反應(yīng)的全過程,如圖2所示。

圖2 堿性吸收劑溶液吸收SO3多相流反應(yīng)數(shù)值模型

當(dāng)堿性吸收劑溶液霧滴噴入煙道時,在高溫?zé)煔獾膶α骷盁醾鲗?dǎo)作用下,細(xì)小的液滴急劇升溫。單個液滴的能量平衡方程如下:

mpcpdTp/dt=hAp(T∞-Tp)-hfgdmp/dt+

(1)

當(dāng)液滴溫度未達(dá)到沸點時,首先發(fā)生蒸發(fā),液滴中的水分轉(zhuǎn)化為氣相進(jìn)入煙氣。假設(shè)液滴受梯度擴散的控制,液滴蒸氣進(jìn)入氣相的通量與液滴表面和本體氣體的蒸氣質(zhì)量濃度差異有關(guān),傳質(zhì)方程如下:

Ni=kc(ρi,s-ρi,∞)

(2)

式中:Ni為蒸氣摩爾通量,mol/s;kc為傳質(zhì)系數(shù),kg/(m2·s);ρi,s為液滴表面的蒸氣質(zhì)量濃度,mg/m3;ρi,∞為煙氣中的蒸氣質(zhì)量濃度,mg/m3。

當(dāng)液滴達(dá)到當(dāng)?shù)貧鈮合聦?yīng)的飽和溫度(沸點)時,并且顆粒仍然含有可以蒸發(fā)的水分時,產(chǎn)生對流沸騰,此時的傳質(zhì)方程如下:

d(dp)/dt=2k∞(2+0.6Re1/2Pr1/3)ln[1+cp∞(T∞-

Tp)/hfg]/(ρpcp∞dp)

(3)

式中:k∞為煙氣的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Re為煙氣的雷諾數(shù);Pr為煙氣的普朗特數(shù);cp∞為煙氣比熱容,J/(kg·K);ρp為液滴密度,kg/m3。

水分全部蒸發(fā)后,形成由堿性吸收劑組成的多孔固相顆粒。此時進(jìn)入固相反應(yīng)階段,首先是堿性顆粒附近的SO3通過擴散到達(dá)固相堿性顆粒表面,擴散過程由Fick擴散及對流過程決定,控制方程如下:

?(ρYi)/?t+·(ρvYi)=-·Ji+Ri+Si

(4)

式中:Yi為某化學(xué)組分i的質(zhì)量比例,如SO3;v為速度矢量,m/s;Ji為擴散項;Ri為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的源項;Si為其他源項。

對于湍流過程,擴散項Ji的表達(dá)式如下:

Ji=-(ρDi,m+μt/Sct)Yi-Di,TT/T

(5)

式中:Di,m、Di,T為湍流擴散率,m2/s;μt為湍流黏度,Pa·s;Sct為湍流施密特數(shù)。

由于質(zhì)量守恒,因此顆粒表面反應(yīng)程度R由擴散吸附速率和表面反應(yīng)速率共同決定,且兩者相等,即:

R=D0(ρg-ρs)=Rc(ρs)N

(6)

式中:D0為表觀擴散系數(shù),m2/s;ρg、ρs分別為煙氣和顆粒表面SO3質(zhì)量濃度,mg/m3;Rc為表面反應(yīng)速率,g/(cm2·s);N為反應(yīng)級數(shù)。

單個固相堿性顆粒表面反應(yīng)數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 單個固相堿性顆粒表面反應(yīng)數(shù)值模型

顆粒表面物質(zhì)消耗率Rj,r由以下公式計算:

Rj,r=ApηrYjR

(7)

Rj,r=(pn-Rj,r/D0,r)NRkin,r

(8)

式中:ηr為有效性因子;Yj為j組分在顆粒表面的質(zhì)量分?jǐn)?shù);R為摩爾氣體常數(shù),取8.314 J/(mol·K);pn為氣相物質(zhì)的體積分壓,Pa;D0,r為反應(yīng)擴散速率系數(shù),m2/s;Rkin,r為反應(yīng)的動力學(xué)速率,mol/(L·s)。

采用阿雷尼烏斯定律計算Rkin,r:

Rkin,r=ApTpβre-(Er/RTp)

(9)

式中:βr為頻率因子;Er為活化能,kJ/mol。

對于不同的堿性吸收劑,表面反應(yīng)的具體形式不同,例如,Na2CO3顆粒吸收SO3時的反應(yīng)如下:

(10)

1.3 噴槍系統(tǒng)設(shè)計

噴槍系統(tǒng)是影響SO3脫除效率的一個重要因素[23]。只有選擇合適的噴槍數(shù)量與布置位置,才能保證吸收劑與煙氣良好混合,確保SO3的脫除效率。研究了5種不同的噴槍系統(tǒng)布置方式:

1)噴槍布置于緊靠SCR反應(yīng)器出口,位于第一個彎頭上游,共3支噴槍,每支噴槍1個噴頭。

2)噴槍布置于緊靠SCR反應(yīng)器出口,位于第一個彎頭上游,共5支噴槍,每支噴槍3個噴頭,共計15個噴頭。

3)噴槍布置于第一個彎頭下游,緊靠著導(dǎo)流板,共3支噴槍,每支噴槍1個噴頭。

4)噴槍布置于第一個彎頭下游,緊靠著導(dǎo)流板,共5支噴槍,每支噴槍1個噴頭。

5)噴槍布置于第一個彎頭下游,位于導(dǎo)流板的上下兩側(cè),共6支噴槍,每支噴槍1個噴頭。

5種布置方式的噴射位置及噴槍布置方式如圖4所示。

為了對數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證,在浙能長興電廠330 MW機組上進(jìn)行試驗,采用Na2CO3溶液為SO3脫除劑。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 堿性吸收劑溶液吸收煙氣中SO3的基本特性

數(shù)值模擬采用Ansys Fluent 2019R3平臺完成。以鍋爐100%負(fù)荷為典型計算工況,總煙氣量為1 003 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,以下類同)、SCR反應(yīng)器后部SO3的質(zhì)量濃度為46 mg/m3、Na2CO3與SO3摩爾比(n(Na2CO3)∶n(SO3))為2.0、Na2CO3的質(zhì)量濃度為100 g/L時,堿性吸收劑溶液顆粒噴入尾部煙道后的軌跡如圖5所示。

(a)液相

從圖5(a)可以看出,顆粒在尾部煙道中的狀態(tài)以固相為主,處于液相狀態(tài)的時間極短,最大只有0.23 s。也就是說,雖然堿性吸收劑以液相狀態(tài)噴入煙道,但由于急劇的高溫閃蒸作用,實際上其在煙道內(nèi)主要的存在形式仍為固相顆粒。由圖5(b)可以看出,固相顆粒在煙道中的停留時間長達(dá)3 s左右,固相時的軌跡遠(yuǎn)長于液相時的軌跡。而當(dāng)堿性吸收劑溶液顆粒處于液相狀態(tài)時,顆粒未與煙道及導(dǎo)流板發(fā)生撞擊,沒有液滴貼壁情況,這就避免了堿性物質(zhì)在煙道內(nèi)壁及導(dǎo)流板表面發(fā)生沉積和腐蝕,保證了噴射系統(tǒng)的安全性。

煙道截面上的煙氣中SO3摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖如圖6所示。在吸收劑溶液顆粒噴入的初期,SO3被迅速脫除,但是范圍較小,僅限于顆粒軌跡附近;在后期,隨著未反應(yīng)的SO3逐步擴散至吸收劑溶液顆粒附近,煙道中更大范圍的SO3被脫除。從圖6中不難看出,前期SO3脫除效果較好,部分區(qū)域的SO3摩爾分?jǐn)?shù)降低至0左右,但是范圍很小,僅限于顆粒軌跡附近;隨著停留時間的增加,未反應(yīng)的SO3逐步擴散至吸收劑顆粒附近,煙道中更大范圍的SO3被脫除。這也表明堿性吸收劑脫除SO3的過程需要2個方面的要素:一個是吸收劑液滴應(yīng)盡量分散至煙氣中;另一個是應(yīng)有足夠的停留時間用于顆粒分散、SO3擴散及化學(xué)反應(yīng)。

(a)中間剖面分布

2.2 摩爾比對SO3脫除效率的影響

Na2CO3與SO3摩爾比(簡稱“摩爾比”)越高,SO3的脫除效率越高,燃煤機組運行越安全,但運行成本也會顯著增高。不同SO3初始質(zhì)量濃度時的摩爾比對SO3脫除效率的影響如圖7所示。

圖7 不同SO3初始質(zhì)量濃度時的摩爾比對SO3脫除效率的影響

由圖7可見,SO3脫除效率與摩爾比之間并非線性相關(guān),當(dāng)摩爾比較小時,增大摩爾比對提高SO3脫除效率幫助較大,而當(dāng)摩爾比已經(jīng)較高時,進(jìn)一步增大摩爾比對提高SO3脫除效率的影響減小。試驗中,初始SO3質(zhì)量濃度為46 mg/m3,試驗結(jié)果與模擬值比較吻合,表明數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性較高。

摩爾比對煙氣溫降的影響如圖8所示。由于煙氣溫降主要受堿液總量的影響,SO3脫除化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)幾乎可以忽略不計,因此煙氣溫降基本上都與摩爾比呈線性增長關(guān)系。

圖8 摩爾比對煙氣溫降的影響

2.3 堿液質(zhì)量濃度對SO3脫除效率的影響

堿液質(zhì)量濃度是設(shè)計時需要考慮的問題。若堿液質(zhì)量濃度較低,就會導(dǎo)致噴入煙道中的液體流量過大,降低空氣預(yù)熱器入口溫度,對鍋爐效率有一定的影響;若堿液質(zhì)量濃度較高,則一方面每支噴槍流量過小,噴槍不易選型,另一方面冬季低溫時堿性溶液有飽和析出的風(fēng)險。

不同堿液質(zhì)量濃度對SO3脫除效率及煙氣溫降的影響模擬結(jié)果如圖9所示。

(a)對SO3脫除效率的影響

由圖9(a)可見,當(dāng)Na2CO3的質(zhì)量濃度由50 g/L提高至100 g/L時,SO3脫除效率有一定程度的降低,但是降幅不大,進(jìn)一步提高堿液質(zhì)量濃度時,脫除效率下降比較明顯。從試驗結(jié)果對比來看,數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。由圖9(b)可見,堿液質(zhì)量濃度降低時,溫降增大,尤其是堿液質(zhì)量濃度從100 g/L降低至50 g/L時,煙氣的溫降比較明顯。綜合這兩方面因素,Na2CO3的質(zhì)量濃度為100 g/L比較合理。

2.4 噴槍布置方式對SO3脫除效率的影響

不同噴槍布置方式的SO3脫除效率如圖10所示。可以看出,方案2的效果最佳,SO3脫除效率達(dá)到65%以上,并發(fā)現(xiàn)噴嘴數(shù)量越多,顆粒與煙氣混合越好,SO3脫除效率越高,這一點通過對比方案1和方案2、方案3和方案4可以發(fā)現(xiàn)。此外,還發(fā)現(xiàn)噴槍應(yīng)盡量布置在煙道的上游,以便延長顆粒停留時間,通過對比方案1和方案3可以發(fā)現(xiàn)該規(guī)律。對比5個方案,方案2應(yīng)作為噴射系統(tǒng)的首選。

圖10 不同噴槍布置方案的SO3脫除效率

2.5 煙氣溫度對SO3脫除效率的影響

當(dāng)燃煤鍋爐變負(fù)荷運行時,SCR反應(yīng)器出口煙溫也會變化,一般變化范圍為300～375 ℃,此時也需要對SO3脫除系統(tǒng)的效果進(jìn)行詳細(xì)評估。煙氣溫度對SO3脫除效率的影響情況如圖11所示?？梢钥闯?煙氣溫度越高,對應(yīng)的煙氣流速越大,顆粒停留時間縮短,使SO3脫除效率降低,但是幅度非常小,對SO3的脫除效率影響不大。

圖11 煙氣溫度對SO3脫除效率的影響

此外,還研究了不同煙氣溫度下的堿性吸收劑液態(tài)時的軌跡分布,具體情況如圖12所示。不難發(fā)現(xiàn),雖然煙氣溫度在300～375 ℃內(nèi)變化,但是顆粒液態(tài)時的軌跡變化不大,也未見液態(tài)顆粒出現(xiàn)貼壁現(xiàn)象。

(a)煙溫300 ℃

2.6 霧化參數(shù)對SO3脫除效率的影響

為進(jìn)一步優(yōu)化噴射系統(tǒng),還需要探索更合適的吸收劑霧化參數(shù),為噴槍的選型提供理論指導(dǎo)。霧化粒徑、霧化角度對SO3脫除效率的影響如圖13所示。

(a)霧化顆粒直徑的影響

由圖13(a)可以看出,霧化粒徑越小,SO3脫除效率越高。不過,當(dāng)粒徑降低至40 μm以下時,脫除效率反而略微降低,這是因為過小的液滴對煙氣的穿透力降低所致?？偟膩砜?霧化粒徑為40～70 μm時,SO3脫除效果都比較好,這也是一般氣動霧化噴槍可以達(dá)到的霧化粒徑范圍。

由圖13(b)可見:霧化角度較小時,液滴顆粒初期無法較好分散開,難以與煙氣良好混合,因此SO3脫除效果略差;當(dāng)霧化角度達(dá)到60°以上時,SO3脫除效率較高;進(jìn)一步增大霧化角度,對SO3脫除效率的影響較小。

2.7 初始質(zhì)量濃度對SO3脫除效率的影響

當(dāng)進(jìn)入爐內(nèi)的煤質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時,尤其是含硫量不同時,煙氣中的SO3初始質(zhì)量濃度也有所不同,從而導(dǎo)致SO3脫除率發(fā)生變化[24]。不同SO3初始質(zhì)量濃度對SO3脫除效率的影響如圖14所示。

圖14 SO3初始質(zhì)量濃度對脫除效率的影響

由圖14可以看出,當(dāng)摩爾比相同時,SO3初始質(zhì)量濃度越高,其脫除效率越高。這可以用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行解釋,即反應(yīng)速率與反應(yīng)物質(zhì)量濃度成正比。

3 結(jié)論

1)將堿性吸收劑Na2CO3溶液噴入燃煤機組尾部煙道內(nèi)高溫?zé)煔庵泻?急速升溫,很快發(fā)生蒸發(fā)和沸騰,全部水分在0.23 s內(nèi)蒸發(fā)完畢,變成固相顆粒,不存在發(fā)生貼壁的風(fēng)險。

2)噴霧在粒徑為40～70 μm、霧化角度為60°時,SO3脫除效率較好。同時,噴射系統(tǒng)應(yīng)以方案2進(jìn)行布置。

3)堿液質(zhì)量濃度越低,SO3脫除效率越高,但是煙氣溫降也顯著,帶來爐效降低問題。此外,摩爾比與SO3脫除效率并非線性相關(guān)關(guān)系。