脱硫废水在含尘烟气中喷雾蒸发试验研究

潘好伟，张 亮，李 伟，郜 宁，刘 寅，邹 梦

(1.新疆新能集团有限责任公司 乌鲁木齐电力建设调试所，新疆 乌鲁木齐 830011；2.国网新疆电力有限公司 电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011)

石灰石-石膏湿法脱硫技术较为成熟且脱硫效率较高，广泛用于燃煤电站锅炉烟气的SO2脱除治理。湿法脱硫工艺会产生大量脱硫废水，废水成分复杂，污染严重，不能直接外排，需要处理[1]。

脱硫废水治理技术有多种[2-3]，其中蒸发结晶法和烟道蒸发法应用较广[4]。烟道蒸发法是将脱硫废水直接喷入锅炉电除尘前的烟道中，利用烟气显热使废水迅速蒸发，蒸发结晶产物在电除尘中被一并脱除。相比蒸发结晶法，烟道蒸发法的优势在于系统简单，不需要增加专用蒸发设备，因此成本较低[5-6]；但该工艺可能存在废水在烟道内蒸发不完全或结晶物质影响电除尘效率、导致烟道腐蚀等问题：因此，研究脱硫废水雾滴在烟道内的蒸发过程对该工艺的设计和应用有重要意义。

目前，针对脱硫废水烟道蒸发技术，已研发出雾化专用喷头[7-11]；采用Fluent软件模拟烟道内废水液滴运动与蒸发过程研究了烟气温度、流速及雾滴粒径、初始速度等因素对雾滴蒸发过程的影响[9,12-14]；研发出喷雾实验台，可采用雾滴激光粒度仪研究喷嘴空气压力、水流量、风温等对空气雾化喷嘴雾化效果、蒸发特性的影响[15]；模仿烟道结构设计出烟道喷雾蒸发实验台，可用于研究喷嘴安装位置、烟气温度及流速等对液滴完全蒸发距离的影响[11]。

但目前的研究多采用无灰空气或烟气代替实际烟气，无论是模拟还是试验，多不考虑烟气中的高浓度飞灰对脱硫废水喷雾蒸发可能存在的影响；而且，已有的对飞灰与液滴相互影响的研究[16-17]主要采用数值模拟法[16]，而关于飞灰对喷雾蒸发过程的影响目前尚未见有报道。

试验通过搭建喷雾蒸发实验台，采用螺旋给粉机将飞灰注入空气中模拟含灰烟气，重点研究飞灰对喷雾蒸发过程的影响，并建立液滴蒸发模型以解释各因素对喷雾蒸发的影响机制，以求了解真实烟道内雾滴的蒸发过程及指导脱硫废水喷雾蒸发系统的设计。

1 试验系统与方法

试验系统如图1所示。模拟烟道为不锈钢圆筒，内径0.2 m，有效长度2 m，外覆5 cm厚保温棉。雾化喷嘴布置在圆筒顶部，为空气雾化喷头，喷雾角度约45°。高压空气由空气压缩机提供，液体由水泵提供并由浮子流量计控制。在泵入口管路中加装微孔滤芯以过滤脱硫废液中可能含有的固体杂质。用空气代替烟气，由风机为系统提供空气，流量由气体涡轮流量计测定。空气流经电热丝被加热，空气温度由喷嘴上方的热电偶测定并反馈至温控仪，温控精度为±1 ℃。煤灰由螺旋给粉机送入风道，给粉机输送煤灰的速度与转速成正比，范围为0.1～1.0 g/s。流经烟道的飞灰由布置在烟道尾部的布袋除尘器捕捉。

图1 喷雾蒸发实验台示意

雾滴完全蒸发距离是设计喷雾系统的重要参数。为了测定烟道内液滴的完全蒸发距离，实验台采用“测温法”(如图1所示)在喷嘴后每隔20 cm布置1个热电偶测点(共10个，T型，精度±0.5 ℃)。热电偶探头位于烟道中心轴上，采用相邻2个测点温差反映雾滴的蒸发进程。雾滴蒸发过程中吸收大量热量，相应位置的烟气温度降低，相邻测点间产生温差，当某相邻温度测点的温差较小时，说明雾滴在此之前已经蒸发[11]。考虑到烟道存在自然散热情况，以式(1)作为判断雾滴蒸发的判据。

Δt≤2Δtd。

(1)

式中：Δt—喷雾时相邻测点之间的温差，℃；Δtd—相同工况下不喷雾时相邻温度测点的平均温降，即由于烟道自然散热导致的相邻测点烟气温度下降平均值，℃。

需要说明的是，烟道内的雾滴蒸发是一个渐进过程，并不存在绝对的完全蒸发界面，因此，根据上述方法得到的完全蒸发距离仅用于本试验对比不同工况下液滴蒸发的相对速度的快慢。

试验首先测定相应工况下不喷雾时烟道自然散热温降Δtd，然后向烟道喷雾并测定喷雾过程中烟气温度，最后采用式(1)判断完全蒸发距离。每次测量前系统运行30 min，使系统温度充分稳定。试验中多次测定取平均值以降低测定误差。

试验所采用的脱硫废水和飞灰均采自某600 MW燃煤机组。废水经过滤处理，其主要污染物成分见表1。煤灰以小于60 μm粒径细灰为主。试验前，将煤灰在120 ℃干燥箱内干燥1 h。

为分析脱硫废水喷雾蒸发过程对电除尘可能产生的影响，采用高压飞灰比电阻测试仪测定喷雾前后的飞灰比电阻。测量电压2 kV，温度25 ℃。

表1 试验用脱硫废水组成 mg/L

2 模型分析

为分析烟道内雾滴蒸发过程各因素影响机制，建立了烟道雾滴蒸发动力学模型。首先，假设雾滴与烟气间无相对运动，根据液滴蒸发理论[18]，有

(2)

式中：ds—雾滴直径，m；λ—烟气导热系数，W/(m·K)；λs—液滴导热系数，W/(m·K)；cp—0.5(T+Ts)温度下水蒸气的比定压热容，J/(kg·K)；T—烟气温度，K；Ts—液滴温度，K；L—液滴汽化潜热，J/(kg·K)；ρf—液滴密度，kg/m3；t—时间，s。

将上式分离变量并积分得雾滴完全蒸发时间

(3)

式中：d0—液滴初始直径，m；k1—蒸发速度因子。

(4)

(5)

式中：Sc—施密特数；Re—雷诺数。

(6)

(7)

式中：d—液滴直径，m；ν—烟气运动黏度，m2/s；w—液滴相对烟气运动速度，m/s；D—二元扩散系数。D的计算公式为

(8)

式中：p—环境气体压力1.013×105Pa；VA—介质A扩散容积；VB—介质B扩散容积；MA—介质A摩尔质量，g/mol；MB—介质B摩尔质量，g/mol。

需要指出的是，该模型仅是单液滴在洁净烟气中蒸发的理论模型。当烟气中存在灰尘时，液滴将受到飞灰颗粒的碰撞等作用，使其蒸发变为一个复杂的过程，不易采用模型描述。但该模型定性指出了烟气温度、速度等因素对液滴蒸发的影响趋势，基于一定分析也能定性解释灰尘对液滴蒸发速度的影响，因此仍然存在参考价值。结合试验和模型的定性分析，研究了烟气灰粒浓度、温度、速度等因素对脱硫废水液滴蒸发速度的影响。

3 试验结果与讨论

3.1 飞灰质量浓度对雾滴蒸发的影响

烟气温度120 ℃，流动速度0.8 m/s，飞灰质量浓度18 g/m3。不喷雾及喷雾流量为12 mL/min、无灰和飞灰质量浓度为18 g/m3条件下烟气温度变化如图2所示。

由图2(a)看出：不喷雾时，烟气温度由入口处的120.0 ℃降到第10个测点处的118.0 ℃，总温降2.0 ℃，则相邻温度测点之间的平均温降Δtd=0.2 ℃。由图2(b)看出：飞灰加快了烟气温度下降速度。基于公式(1)和Δtd=0.2 ℃，可以得到无飞灰时的雾滴完全蒸发距离为1.6 m，而飞灰质量浓度为18 g/m3时雾滴完全蒸发距离缩短为1.2 m。可见，飞灰的存在显著加快雾滴的蒸发速度。

所建立的模型可定性解释飞灰颗粒加速液滴蒸发的原因。已有研究[16]表明，烟道内雾滴会与飞灰颗粒发生碰撞。雾滴与灰粒的碰撞有2种结果：一种是雾滴破碎，使雾滴初始粒径减小，根据式(3)，其他条件不变情况下，雾滴直径减小可缩短雾滴完全蒸发时间，加快雾滴蒸发速度；另一种可能是雾滴与灰粒碰撞后铺展到灰粒表面，液滴比表面积增大，则雾滴蒸发速度也会加快。

飞灰质量浓度对雾滴蒸发速度的影响试验结果如图3所示。

图3 飞灰质量浓度对雾滴完全蒸发距离的影响

由图3看出：烟气中喷雾完全蒸发距离与飞灰质量浓度大体上呈线性关系，随飞灰质量浓度升高，喷雾完全蒸发距离缩短。灰粒的存在会加快液滴蒸发速度，使雾滴完全蒸发距离不断缩短。飞灰质量浓度越高，飞灰颗粒与液滴之间的碰撞概率越大，灰粒对加快液滴蒸发速度效应越明显。

飞灰对雾滴的蒸发有显著影响，因此，研究脱硫废水在烟道内喷雾蒸发过程时不应忽略飞灰的作用，所以，后续试验均在含飞灰条件下进行。

3.2 烟气流动速度对雾滴蒸发的影响

锅炉负荷变化导致烟气流动速度发生变化。烟气流动速度对喷雾蒸发的影响试验结果如图4所示。烟气温度120 ℃,飞灰质量浓度18 g/m3，喷雾流量12 mL/min。

图4 烟气流动速度对雾滴蒸发的影响

由图4看出：喷雾完全蒸发距离随烟气流动速度加快而显著增加，由0.4 m/s时的0.8 m增加到1 m/s时的1.6 m。计算液滴的完全蒸发时间，0.4 m/s烟气流动速度时需要2 s蒸发完毕，而烟气流动速度1 m/s时仅需1.6 s即蒸发完毕，可见，高烟气流动速度使得实际蒸发时间缩短，蒸发速度加快。

但是，烟气流速增加也会加快雾滴移动速度。试验结果表明，烟气流动速度的增加缩短了完全蒸发时间，但却导致雾滴完全蒸发距离增大。可见，在实际脱硫废水烟道蒸发设计中，应考虑烟气流动速度对雾滴完全蒸发距离的影响。

3.3 烟气温度对雾滴蒸发的影响

不同大小的机组有不同的排烟温度，一般在110～140 ℃范围内。烟气温度对雾滴蒸发的影响试验结果如图5所示。喷雾流量12 mL/min，烟气流动速度0.8 m/s，飞灰质量浓度为18 g/m3。

图5 烟气温度对雾滴蒸发的影响

由图5看出，随烟气温度升高，雾滴完全蒸发距离显著缩短，二者之间呈显著负相关关系。烟气温度主要影响雾滴的吸热和蒸发速度，高温烟气使液态雾滴更快地升温、汽化，从而缩短完全蒸发距离。这一点由公式(4)能够定量证明，雾滴蒸发速度因子k1与烟气-雾滴温差(T-Ts)正相关，雾滴蒸发过程中，烟气温度越高则T-Ts越大，k1越大，蒸发速度越快。

锅炉的负荷会影响排烟温度，低负荷下锅炉排烟温度一般较低，以某600 MW机组为例，50%负荷的排烟温度为98.3 ℃，比100%负荷下(112.8 ℃)低15 ℃左右，如果仅从低负荷排烟温度降低上看，低负荷下雾滴的完全蒸发距离会变大，但由于低负荷下烟气流动速度也会大幅下降，根据图5可知，烟气流动速度降低则会缩短雾滴完全蒸发距离。因此，设计中计算脱硫废水雾滴完全蒸发距离时，应综合考虑不同负荷下的烟气温度、流动速度的影响。

3.4 喷雾流量对雾滴蒸发的影响

不同脱硫废水预处理工艺产生的最终废水流量有所差异，因此最终需要进行烟道喷雾蒸发处理的废水流量也可能是变化的。喷雾流量(对应600 MW锅炉约7～28 t/h脱硫废水)对雾滴蒸发的影响试验结果如图6所示。烟气流动速度0.8 m/s，温度120 ℃，飞灰质量浓度为18 g/m3。

图6 喷雾流量对雾滴蒸发的影响

由图6看出，随脱硫废水喷雾流量增大，雾滴完全蒸发距离显著增加，二者之间近似呈正向线性关系。这一规律与张天琦等[11]的研究结论一致。废水流量的增加还将影响烟道出口的烟气温度，烟道出口烟气温度(10号热电偶)与喷雾流量之间的变化关系如图7所示。

图7 不同喷雾流量下的烟道出口烟气温度

由图7看出，烟道出口烟气温度随喷雾流量增加而下降，二者之间呈显著线性关系。根据拟合公式，当喷雾流量为5.33 mL/min时，烟道出口烟气温度比不喷雾时约下降10 ℃。计算结果表明，对满负荷运行600 MW锅炉，烟道喷雾流量达10 t/h时烟气温度也会下降约10 ℃，降幅明显。喷雾流量增加会提高烟气水蒸气浓度，从而提高烟气的酸露点[19]，而喷雾流量增加导致的烟气温度降低会进一步加剧烟道酸性气体结露的可能性，因此在进行脱硫废水烟气喷雾蒸发的设计时，烟道低温腐蚀是必须考虑的问题。

3.5 喷雾流量对飞灰比电阻的影响

在脱硫废水喷雾蒸发工艺中，废水中含有的各种盐类物质会混入飞灰中，从而可能改变飞灰的物理特性。重要参数之一是飞灰比电阻，该参数影响电除尘器捕集飞灰的效率。为了分析脱硫废水喷雾对飞灰比电阻的影响，从实验台尾部的布袋除尘器内采集了不同喷雾流量下的飞灰，并进行比电阻测试，试验结果如图8所示。温度120 ℃，烟气流动速度0.8 m/s，飞灰质量浓度为18 g/m3。

图8 喷雾流量对飞灰比电阻的影响

由图8看出，随喷雾流量增加，飞灰比电阻呈上升趋势。喷雾流量增加后，飞灰中混入的脱硫废水结晶产物也增多，脱硫废水中的钙、镁离子含量一般较高，而钙、镁盐比电阻较高，从而导致喷雾流量增加时飞灰比电阻升高[20]。但从图8看出，不同喷雾流量下的飞灰比电阻差别不足一个数量级，均属于中比电阻飞灰(1×104Ω·cm <ρ<5×1010Ω·cm)，因此单纯由于废水结晶盐混入飞灰对电除尘效率的影响不大[21]。

但需要指出的是，本试验飞灰比电阻是将飞灰从烟道内取出，在室温下进行离线测量得到，工程实际中废水喷雾对烟道内烟气湿度和飞灰温度产生影响并进一步导致飞灰比电阻的变化，还需要更深入的研究。

4 结论

采用喷雾蒸发实验台，考察了含尘烟气中飞灰质量浓度、烟气温度和速度、喷雾流量等因素对脱硫废水蒸发的影响；建立了液滴蒸发动力学模型，并采用该模型揭示主要试验因素的影响机制。结果表明：飞灰颗粒与雾滴碰撞，减小雾滴直径或增加雾滴的铺展面积，加速雾滴的蒸发速度，且飞灰质量浓度越高雾滴完全蒸发距离越短；烟气流动速度增大会加大雾滴表面的流动雷诺数，促使液滴蒸发传质速度加快，但由于雾滴移动速度也加快，最终完全蒸发距离增加；烟气温度升高会增大烟气-雾滴的温差，提高雾滴蒸发速度因子，降低完全蒸发距离；雾滴完全蒸发距离随喷雾流量增加而增加，同时烟道出口温度随喷雾流量增加而降低；脱硫废水喷雾蒸发后的飞灰比电阻随喷雾流量增加而略有升高。