燃煤機組尾部煙道三氧化硫脫除數值模擬研究

劉宏芳,吳賢豪,張光學,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.浙江浙能技術研究院有限公司,浙江 杭州 311121;3.中國計量大學 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,隨著我國大力推進社會主義生態文明建設,各類環境問題逐漸成為社會的焦點議題。造成各類環境問題的因素眾多,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生大量煤塵,不僅危害作業人員的健康,還會對周邊環境造成一定影響[1]。同時,煤在燃燒過程中會產生大量污染物[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(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,國內外燃煤電廠通常采用爐內摻燒石灰石、濕法脫硫、濕式靜電除塵和堿性吸收劑噴射等技術脫除煤燃燒過程中產生的SO3。爐內摻燒石灰石的技術原理是在燃燒中降低SO3的生成量,雖然該技術應用成本較低,但會影響鍋爐效率,因此主要應用在高硫煤機組[8];濕法脫硫技術是在脫除煙氣中SO2的同時,協同脫除一部分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、空氣預熱器等設備的危害[10]。此外,隨著除塵技術的發展,將神經網絡等新技術與除塵器進行結合,有望彌補現有除塵技術的不足,但仍需要研發時間[11]。堿性吸收劑噴射技術是一種專用于脫除燃煤煙氣中SO3的新技術,噴槍常布置在燃煤鍋爐后端溫度為120～400 ℃的煙道段內,并可在煙道各個位置噴射,具有較強的適應性,有望在未來成為主流的脫硫技術[12]。

堿性吸收劑噴射脫除SO3技術通過噴槍將堿性吸收劑噴入煙道中,利用酸堿中和原理,實現對煙氣中SO3的脫除[13]。該技術一經問世,便引發了許多學者的研究興趣。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,驗證了這一技術的可行性;Wang等[15]研究發現在實際鍋爐煙道溫度范圍內,堿性吸收劑對SO3的脫除效率顯著,為該技術的工程應用提供了重要依據;Galloway等[16]使用多種堿性吸收劑對SO3進行脫除,得出相應的反應順序,為堿性吸收劑的選擇提供了依據;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,為該技術走向實際工程應用邁出了關鍵一步;秦剛華等[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]發現堿性吸收劑噴入燃煤機組后,燃煤機組的熱效率得到提升,為該技術的工程應用提供了參考。此外,徐紹平等[20]發現Na2CO3溶液對SO3的脫除效率高達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技術在SO3排放控制領域具有良好的應用前景,但大多數研究僅停留在實驗室簡單氣氛下,中間試驗很少[21]。為進行SO3脫除系統的優化設計并為實際工程應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,以及各項參數對SO3脫除效率的影響規律。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多相流全過程反應的數值模型;通過該模型,研究堿性吸收劑溶液吸收煙氣中SO3的物理和化學過程,并獲得各項參數對SO3脫除效率的影響,為SO3濕法脫除系統的設計及運行提供理論指導。

1 模擬對象及數值模型

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汽包爐,采用自然循環、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,配置2個SCR反應器,脫硝后煙氣接入空氣預熱器。此外,由于SCR反應器對SO2轉化成SO3具有催化作用,所以煙氣的SO3濃度會在經過SCR反應器后顯著升高,而空氣預熱器較易發生硫酸鹽堵塞,因此在SCR反應器下游、空氣預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域開展數值模擬,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 多相流反應數值模型

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

圖2 堿性吸收劑溶液吸收SO3多相流反應數值模型

當堿性吸收劑溶液霧滴噴入煙道時,在高溫煙氣的對流及熱傳導作用下,細小的液滴急劇升溫。單個液滴的能量平衡方程如下:

mpcpdTp/dt=hAp(T∞-Tp)-hfgdmp/dt+

(1)

當液滴溫度未達到沸點時,首先發生蒸發,液滴中的水分轉化為氣相進入煙氣。假設液滴受梯度擴散的控制,液滴蒸氣進入氣相的通量與液滴表面和本體氣體的蒸氣質量濃度差異有關,傳質方程如下:

Ni=kc(ρi,s-ρi,∞)

(2)

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

當液滴達到當地氣壓下對應的飽和溫度(沸點)時,并且顆粒仍然含有可以蒸發的水分時,產生對流沸騰,此時的傳質方程如下:

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

Tp)/hfg]/(ρpcp∞dp)

(3)

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

水分全部蒸發后,形成由堿性吸收劑組成的多孔固相顆粒。此時進入固相反應階段,首先是堿性顆粒附近的SO3通過擴散到達固相堿性顆粒表面,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為某化學組分i的質量比例,如SO3;v為速度矢量,m/s;Ji為擴散項;Ri為化學反應產生的源項;Si為其他源項。

對于湍流過程,擴散項Ji的表達式如下:

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。

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

R=D0(ρg-ρs)=Rc(ρs)N

(6)

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

單個固相堿性顆粒表面反應數值模型如圖3所示。

圖3 單個固相堿性顆粒表面反應數值模型

顆粒表面物質消耗率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量分數;R為摩爾氣體常數,取8.314 J/(mol·K);pn為氣相物質的體積分壓,Pa;D0,r為反應擴散速率系數,m2/s;Rkin,r為反應的動力學速率,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,表面反應的具體形式不同,例如,Na2CO3顆粒吸收SO3時的反應如下:

(10)

1.3 噴槍系統設計

噴槍系統是影響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種不同的噴槍系統布置方式:

1)噴槍布置于緊靠SCR反應器出口,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,位于導流板的上下兩側,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。

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

2 仿真結果與分析

2.1 堿性吸收劑溶液吸收煙氣中SO3的基本特性

數值模擬采用Ansys Fluent 2019R3平臺完成。以鍋爐100%負荷為典型計算工況,總煙氣量為1 003 000 m3/h(標準狀態下,以下類同)、SCR反應器后部SO3的質量濃度為46 mg/m3、Na2CO3與SO3摩爾比(n(Na2CO3)∶n(SO3))為2.0、Na2CO3的質量濃度為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以固相為主,處于液相狀態的時間極短,最大只有0.23 s。也就是說,雖然堿性吸收劑以液相狀態噴入煙道,但由于急劇的高溫閃蒸作用,實際上其在煙道內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3 s左右,固相時的軌跡遠長于液相時的軌跡。而當堿性吸收劑溶液顆粒處于液相狀態時,顆粒未與煙道及導流板發生撞擊,沒有液滴貼壁情況,這就避免了堿性物質在煙道內壁及導流板表面發生沉積和腐蝕,保證了噴射系統的安全性。

煙道截面上的煙氣中SO3摩爾分數分布云圖如圖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,部分區域的SO3摩爾分數降低至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盡量分散至煙氣中;另一個是應有足夠的停留時間用于顆粒分散、SO3擴散及化學反應。

(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,當摩爾比較小時,增大摩爾比對提高SO3脫除效率幫助較大,而當摩爾比已經較高時,進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質量濃度為46 mg/m3,試驗結果與模擬值比較吻合,表明數值模擬的準確性較高。

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脫除化學反應產生的熱效應幾乎可以忽略不計,因此煙氣溫降基本上都與摩爾比呈線性增長關系。

圖8 摩爾比對煙氣溫降的影響

2.3 堿液質量濃度對SO3脫除效率的影響

堿液質量濃度是設計時需要考慮的問題。若堿液質量濃度較低,就會導致噴入煙道中的液體流量過大,降低空氣預熱器入口溫度,對鍋爐效率有一定的影響;若堿液質量濃度較高,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險。

不同堿液質量濃度對SO3脫除效率及煙氣溫降的影響模擬結果如圖9所示。

(a)對SO3脫除效率的影響

由圖9(a)可見,當Na2CO3的質量濃度由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,進一步提高堿液質量濃度時,脫除效率下降比較明顯。從試驗結果對比來看,數值模擬結果具有較高的準確性。由圖9(b)可見,堿液質量濃度降低時,溫降增大,尤其是堿液質量濃度從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?？梢钥闯?方案2的效果最佳,SO3脫除效率達到65%以上,并發現噴嘴數量越多,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可以發現。此外,還發現噴槍應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可以發現該規律。對比5個方案,方案2應作為噴射系統的首選。

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

當燃煤鍋爐變負荷運行時,SCR反應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脫除系統的效果進行詳細評估。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時的軌跡分布,具體情況如圖12所示。不難發現,雖然煙氣溫度在300～375 ℃內變化,但是顆粒液態時的軌跡變化不大,也未見液態顆粒出現貼壁現象。

(a)煙溫300 ℃

2.6 霧化參數對SO3脫除效率的影響

為進一步優化噴射系統,還需要探索更合適的吸收劑霧化參數,為噴槍的選型提供理論指導。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;當霧化角度達到60°以上時,SO3脫除效率較高;進一步增大霧化角度,對SO3脫除效率的影響較小。

2.7 初始質量濃度對SO3脫除效率的影響

當進入爐內的煤質數據發生變化時,尤其是含硫量不同時,煙氣中的SO3初始質量濃度也有所不同,從而導致SO3脫除率發生變化[24]。不同SO3初始質量濃度對SO3脫除效率的影響如圖14所示。

圖14 SO3初始質量濃度對脫除效率的影響

由圖14可以看出,當摩爾比相同時,SO3初始質量濃度越高,其脫除效率越高。這可以用化學反應動力學進行解釋,即反應速率與反應物質量濃度成正比。

3 結論

1)將堿性吸收劑Na2CO3溶液噴入燃煤機組尾部煙道內高溫煙氣中后,急速升溫,很快發生蒸發和沸騰,全部水分在0.23 s內蒸發完畢,變成固相顆粒,不存在發生貼壁的風險。

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,噴射系統應以方案2進行布置。

3)堿液質量濃度越低,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關系。