脱硫废水烟道蒸发零排放处理的可行性分析

康梅强，邓佳佳，陈德奇，潘良明

（重庆大学 动力工程学院，低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室；重庆 400044）

中国是以火力发电为主的国家，火电厂燃煤产生的大气污染严重危害自然环境和人类健康。为了减少二氧化硫排放，中国大部分火电厂都安装了烟气脱硫系统，其中石灰石石膏湿法烟气脱硫系统应用最为广泛，约占已安装FGD机组容量的90%。该系统在运行时会产生一定量的脱硫废水，废水中含有多种污染物，排放前必须进行处理［1］。脱硫废水的处理方法有多种［2－4］，应用最广泛的是物理化学处理方法［5－7］，但该方法工艺复杂，运行成本高，且无法去除氯离子［8－9］。而烟道处理技术［10］可采用雾化喷嘴将电厂脱硫废水进行雾化，喷入电厂空预器与电除尘器之间的烟道内，利用烟道内高温烟气将雾化后的废水液滴蒸干，形成细小固体颗粒结晶随烟气灰尘进入电除尘器被电极捕捉，进入除尘器灰斗随灰外排，达到脱硫废水零排放的目的；而该方法由于担心如液滴蒸干等问题对电除尘可能潜在的危害而在工程上还未广泛应用，国外仅见美国Bailly电站使用该方法的少量报道［11］。文章采用数值模拟方法，对脱硫废水的烟道蒸发过程进行了研究，确定了合理的喷雾粒径和烟气温度范围，为工程实际应用提供了支持。

1 数学模型

通过CFD方法模拟喷雾以及喷雾液滴在空预器与静电除尘器之间的烟道内的运动以及蒸发过程。在模型中，烟气与废水液滴之间的运动、传热、传质过程通过流体连续性方程、动量方程和能量方程描述；而液滴的相变过程则通过带液滴表面蒸发以及液滴沸腾的颗粒轨道模型来描述。在CFD计算中用到的数学模型包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组份方程，如式（1）～（4）所示。

式（2）中，因为雾滴与的烟气流场的相互影响，文章采用颗粒随机轨道模型描述烟气与雾滴颗粒相互之间的作用。

能量守恒方程：

式（3）中计入了因为雾滴颗粒蒸发所导致的能量输运。

计算中采用标准k-ε 湍流模式，其数学表达为［12－13］：

单个颗粒或液滴的运动方程可直接从牛顿第二定律得出［14］：

当液滴的温度低于液滴沸点时，液滴的相变过程主要表现为液滴的蒸发过程，液滴的蒸发模型可表示为式（8）：

式中，mp（t＋Δt）表示液滴相变后的质量，mp（t）表示相变前质量，Ni表示液滴的单位面积蒸发率，Ap为液滴的表面积，Mwi为蒸发组分的分子量，Δt为时间步长。

其中液滴的单位面积蒸发率与液滴的饱和蒸汽压以及来流气相中的组分浓度有关，其计算公式如式（9）：

式中：Ni为蒸发量，k为传质系数，Ci，s为液滴的饱和蒸汽压，Ci，∞为来流气相中的水蒸气浓度。

当液滴的温度高于液滴沸点时，液滴的相变过程主要表现为液滴的沸腾过程，液滴的沸腾模型如式（10）所示［15］：

式（10）中，cp，∞表示气体定压比热容，ρp表示液滴密度，k∞表示气相导热率。

2 关键工艺参数对脱硫废水蒸发的影响

某电厂600 MW火力发电机组静电除尘器烟道结构如图1所示。从空预器出来的烟气在进入除尘器之前被分成两个烟道，分别为连接除尘器1的弯曲长烟道和连接除尘器2的直短烟道。该除尘器弯曲长烟道长度为28.5 m，直短烟道长度为11.4 m，宽度为5.4m，高度为4.2 m。该电厂600 MW机组总烟气量2.16×106Nm3／h，空预器出口烟气温度为150℃，脱硫废水排放量为6.75 m3／h。

图1 烟道结构及喷雾液滴在不同烟道内的运行轨迹图

由于喷雾液滴一旦进入除尘器，就有可能改变除尘器的电场及粉尘的特性，从而影响除尘器效率，因此需要保证液滴在进入除尘器之前能够完全蒸发。而喷雾液滴能否完全蒸发受到烟道结构、烟气入口温度和喷雾粒径的影响，有研究表明，烟气速度和液滴初速度的改变对液滴蒸发速度的影响都较小［16］。以下分别研究了不同烟道结构、烟气入口温度和喷雾粒径的喷雾液滴蒸发过程。

为了便于定量分析，定义R0为撞击到烟道壁面的液滴数量所占总的液滴数量百分数，R1为通过除尘器进气烟箱入口截面的液滴占总液滴的质量分数，R2为通过除尘器进气烟箱出口截面的液滴占总液滴的质量分数。

2.1 烟道结构的影响

本研究中，分别对在两个烟道内安装喷嘴进行模拟，模拟结果如图1所示。结果表明，直短烟道流场较平稳，但液滴在进入除尘器后仍有大量的废水液滴未蒸发完，未蒸发液滴质量分数约为10%；弯曲长烟道由于烟道较长，液滴在烟道中的停留时间较长，液滴在进入除尘器之前已被完全蒸发，因此后续计算中均把喷嘴布置在弯曲长烟道上；但由于其烟道结构相对复杂，需要对喷嘴的安装位置进行精确的控制。

2.2 雾化颗粒粒径的影响

喷嘴雾化的颗粒直径对液滴的蒸发有着非常重要的影响。图2为不同液滴直径下除尘器进气烟箱入口和出口未蒸发液体质量分数的模拟结果，喷嘴安装位置边距固定为1.5 m，入口烟气温度固定为为135℃，雾化粒径分别为150、140、130、120、110和100μm。从图中可以看出，在液滴粒径在雾化粒径为150μm时，除尘器进气烟箱入口残留未完全蒸发的液滴质量分数约为3.4%，除尘器进气烟箱出口残留液体量约为1.4%，与烟道壁面碰撞的液滴数量约为33.2%；在液滴粒径在雾化粒径为110μm时，液滴在进入除尘器进气烟箱前能够完全蒸发，与烟道壁面碰撞的液滴数量约为17.4%。雾化粒径越大，残留未完全蒸发的液滴越多，与烟道壁面碰撞的液滴也越多，这是因为液滴直径越小，液滴的比表面积越大，蒸发所用时间越少，蒸发的速率也就越快，部分液滴在到达烟道壁面前已经蒸发。

在上述的计算工况下，R1和R2随雾化颗粒直径的变化可表示为式（11）和式（12）：

通过对这两相关系式的计算发现当喷雾液滴最大粒径为105.6μm时，除尘器进气烟箱入口未完全蒸发液滴的质量约为0.2%，除尘器进气烟箱出口未完全蒸发液滴的质量分数小于0.01%，因此不会对除尘器的运行产生负面影响。

随着雾化液滴粒径越来越小，雾化废水液滴所需的能耗越来越大，雾化成本也将不断增加。同时，考虑到电厂除尘器的运行安全和系统的运行成本，液滴最大直径可定为100μm。

图2 不同雾化颗粒直径下的液滴蒸发状况

2.3 烟气入口温度的影响

图3为不同烟气温度下除尘器进气烟箱入口和出口未蒸发液体量的模拟结果。喷嘴布置在弯曲长烟道，边距为1.5 m，雾化粒径为100μm，入口烟气温度分别为110、115、120、125、130和135℃。从图3可以看出，当烟气温度为110℃时，除尘器进气烟箱入口残留液体量为约17%，除尘器进气烟箱出口残留液体量约为13%，与烟道壁面碰撞的液滴数量约为37%；当烟气温度为135℃时，液滴在进入除尘器进气烟箱入口前已经蒸发完毕，与烟道壁面碰撞的液滴数量约为17.4%。烟气初始温度越低，未完全蒸发液滴的质量分数越大。该电厂烟气最低温度为135℃，可以保障系统的安全稳定运行。

通过对数据的分析可得到R1和R2与烟气入口温度可表示为：

通过以上关系式的计算发现当烟气入口温度为127.4℃时，除尘器进气烟箱入口未完全蒸发液滴的质量分数约0.2%，除尘器进气烟箱出口未完全蒸发液滴的质量分数为0。

因此，为保证系统安全稳定运行，需要在该系统中设置低温保护措施，确保温度低于130℃时系统自动停止运行。

3 结 论

文章建立了脱硫废水烟道蒸发零排放处理的数学模型，研究了不同烟道结构、烟气温度和喷雾粒径下的废水蒸发状态，得到以下主要结论。

图3 不同烟气入口温度下的液滴蒸发状况

1）直烟道流场较平稳，但长度不足，在进入静电除尘器前不能完全蒸发；而弯曲长烟道长度足够，可以保证废水在进入静电除尘器前完全蒸发；

2）雾化颗粒越小，完全蒸发所需时间越少，所需长度越短，综合考虑蒸发效果和运行成本，确定雾化粒径定为100μm；

3）烟气入口温度越高，颗粒蒸发速度越快，烟气温度为130℃时，废水在进入除尘器前可完全蒸发；

4）由于有少量液滴会在完全蒸发前碰撞到烟道壁面，所以需要对烟道内壁面采取防腐措施。

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（编辑欧阳雪梅）