雾化器位置及半径对脱硫废液蒸发特性的影响研究

李德波 ，2，赵 宁 2，冯永新 2，谢志文

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.广东电科院能源技术有限责任公司，广东 广州 510080）

0 引言

根据《中国统计年鉴2020》数据，2019年全国全口径发电量中，煤电占比62.15%，核电占比4.76%，并网风电占比5.53%，并网太阳能发电占比3.05%［1］。由此可以得出，燃煤电厂依旧是发电主力，而煤炭的燃烧会产生大量的SO2，直接排放会对环境造成严重污染［2］。因此大多数燃煤电厂都进行了烟气脱硫处理，石灰石—石膏湿法脱硫工艺由于脱硫率高、适应性广、技术最为成熟等特点成为应用最广泛的烟气脱硫技术［3-5］。但是湿法脱硫中的循环液会不断聚集粉尘、重金属元素和氯离子，形成污染危害程度较高的脱硫废液［6］，必须进行无害化处理后才能排放。传统的处理脱硫废液的方法为“三联箱”化学沉淀工艺，需要经过中和、絮凝、混凝、沉淀等过程，虽然该工艺能处理脱硫废水中的悬浮物，胶状物质，重金属离子等绝大多数污染物，满足达标排放标准，但是不能去除废液中的一些盐分，因此这部分水无法回收利用，直接向大自然排放会引起水体和土壤盐碱化等问题［7-8］。为了解决此问题，国内外学者提出了旋转喷雾干燥技术，该技术利用高效雾化喷嘴将脱硫废水雾化为小液滴，以空预器前引出的烟气作为热源，两者在单独设置的喷雾干燥塔中充分混合，烟气余热将废水完全蒸发，使废水中的污染物转化为固态结晶物或盐类，随飞灰一起在除尘器内被捕集，实现脱硫废水的零排放［9-10］。该技术除了能实现脱硫废液的无害化处理外，还能有效提高电除尘器的除尘效率，这主要是由于脱硫废水的喷入，烟气相对湿度增加，降低了粉煤灰的比电阻，可以防止和减弱高比电阻粉尘的反电晕［11］。针对喷雾干燥技术，学者们开展了相关研究工作。DENG［12］等、JIANC等［13］研究表明脱硫废水雾化蒸发不会对除尘器产生负面影响，刘勇等［14］研究表明脱硫废水雾化蒸发对除尘器出口PM2.5浓度影响不大，这说明该技术是可行的。李响等［15］研究了氯挥发的影响规律及浓缩过程溶液中离子成分的变化规律和物质迁移规律，发现Ca、Mg含量较高的脱硫废水更容易在浓缩过程中有较多的氯离子挥发，NaC1、KCI溶液中氯离子无逃逸现象。白璐等人［16］关于脱硫废水中的氯离子的迁移转化规律的研究表明，脱硫废水蒸发后排放产物主要为含有无机盐的粉煤灰和含有HCl的气体，产物主要成分为莫来石、SiO2、Al2O3、KC1、MgSO4、CaSO4-0.5H2O。在雾化蒸发性能特性方面，吴帅帅［17］等，马双忱［18］等研究表明，烟气温度越高，液滴完全蒸发所需时间越短，液滴初始直径越大，蒸发时间越长，最佳的烟气温度为134℃以上，最佳的雾化液滴初始直径为10～60μm。张子敬［19］等人利用Rosin-Rammler粒径分布法对脱硫废水的雾化蒸发研究发现，液滴蒸发效果受到烟气的加热作用与蒸汽在烟气中的扩散作用共同影响，最大粒径为100μm且平均粒为径84μm时的雾化综合成本较低。

本文针对脱硫废液在喷雾干燥塔中的雾化蒸发性能展开模拟研究工作，采用离散相耦合的计算方法分析废液在喷雾干燥塔中的雾化蒸发过程，研究喷射点位置、喷射半径对脱硫废液雾化蒸发性能的影响。现有研究大多采用纯水的物性参数代替脱硫废水溶液［17，20-21］，与实际的脱硫废水有较大差异，因此本文利用NaCl溶液等效脱硫废水溶液进行开展模拟研究，得出了最佳的喷射点位置及雾化半径，以期为脱硫废液喷雾干燥实际应用提供相关参考。

1 研究对象与计算方法

本文研究对象为某600 MW电站燃煤机组的喷雾干燥塔（如图1），其详细尺寸外形图如图2所示，延长烟气出口以避免回流的影响。雾化器采用高速离心雾化器，有利于雾化后的液滴与烟气充分混合，强化雾化蒸发效果。烟气的物性参数如表1所示。有研究［22］表明可以利用盐水代替脱硫浓缩液进行实验，蒸发实验表明Cl离子为10万ppm浓缩液与10%NaCl溶液具有一定等效性。采用Gambit软件对几何模型使用进行划分，经过网格无关性测试后，选取网格总数为79万既能满足计算精度又能节约计算成本。

图1 喷雾干燥塔几何模型及网格划分示意图Fig.1 Schematic diagram of spray drying tower and grid division

图2 喷雾干燥塔详细尺寸外形图Fig.2 Detailed size outline drawing of spray drying tower

表1 烟气物性参数Table 1 Physical parameters of flue gas

采用Fluent 15.0开展了数值模拟研究工作。其主要计算模型如下：

气相组分的连续性（质量守恒）方程为式（1），动量方程为式（2）［23］。

式（1）中，Sm为由离散项液滴向连续项烟气蒸发产生的质量源项。

式（2）中，p为静压，ρg→为重力体积力，F→为离散项液滴产生的作用力，μ为分子粘度，I为单位张量。

离散相液滴颗粒的运动方程由式（3）控制［24］。

式（3）中，mp为液滴质量，u→为气相流体速度，u→p为液滴速度，ρ为气相流体密度。ρp为液滴的密度，F→为附加力，由于液滴的密度远大于烟气的密度，所以该项可以忽略不计。离散项液滴的加热，蒸发与沸腾过程的热量交换方程分别由式（4）、式（5）、式（6）控制［25］。

式（4）、式（5）、式（6）中，Tp(t)为液滴当前温度，Tvap为液滴气化温度，Tbp为液滴沸点，hfg为液滴的汽化潜热，cp为液滴的定压比热容，Ap为液滴的表面积，T∞为液滴当前位置对应的烟气温度，h为对流换热系数，由Ranz-Marshell提出的经验式（7）算得［26］。

式（7）中，Nu为液滴的努塞尔数；k∞为液滴所在位置烟气的导热系数；Red为液滴相对烟气的雷诺数；Pr为烟气的普朗特数。

本研究的其他模型设置如下：气相模型采用组分输运模型［27］，其主要的烟气成分为N2、CO2、O2、H2O，初始的烟气成分见表1。气相组分的湍流方程采用对射流模拟准确性更高的Realizablek-ε模型［28］，动力拖拽模型采用泰勒类比破碎（TAB）模型［29］，液滴的雾化模型采用锥形雾化中的空锥模型，其中，雾化角为89°，雾化内径0.23 m，雾化后的粒径分布遵循Rosin-Rammler分布［30］，粒径分布系数为1.2。

2 模拟结果分析与讨论

2.1 喷射点位置对雾化蒸发特性的影响

不同喷射点位置下的雾化蒸发特性如表2所示，以工况C1为基准工况，喷射点位置位于干燥塔塔顶下方1.575 m处，每增加0.075 m设置一个工况，共6个工况。其中，未完全蒸发比定义为未完全蒸发的废液流量与干燥塔输入的废液总流量之比，最大蒸发距离定义为粒子的最大蒸发位置与喷射点位置之差。从表2中可以看出，工况C1-C6的未完全蒸发比在0～0.2%之间，这说明各工况的气液两相混合充分，雾化蒸发效果良好，可以近似认为完全蒸发。

表2 不同喷射点位置下的雾化蒸发特性Table 2 Atomization and evaporation characteristics under different spray point positions

喷射点位置对雾化蒸发特性的影响如图3所示，最大蒸发距离越短，说明废液越快蒸发，雾化蒸发效果越好，因此工况C4即喷射点位置在塔顶下方1.8 m处时，雾化蒸发效果最佳。工况C1与C4在x=0截面处的湍动能云图如图4所示，从图中可以看出，相比于工况C1，C4的烟气与液滴的扰动范围更大，更均匀，因此C4的雾化蒸发效果优于C1。

图3 喷射点位置对于雾化蒸发特性影响Fig.3 Influence of spray point position on atomization and evaporation characteristic

图4 C1与C4的湍动能云图（x=0）Fig.4 Turbulent kinetic energy cloud diagrams of C1 and C4（x=0）

2.2 雾化半径对雾化蒸发性能影响

不同雾化半径下的雾化蒸发特性如表3所示，以工况C1为基准工况，喷射半径为0.115 m，以0.015 m为差值，共设置4个工况。观察表3，可以看出，C1的未完全蒸发比为0.017%，C7的未完全蒸发比为0.002%，均可认为完全蒸发。

表3 不同雾化半径下的雾化蒸发特性Table 3 Atomization evaporation characteristics under different atomization radius

图5 雾化半径对于雾化蒸发特性影响Fig.5 Influence of atomization radius on atomization and evaporation characteristic

2.3 雾化蒸发效果最佳工况

前文探究了喷射点位置、喷射半径对雾化蒸发特性的影响，采用控制变量法对喷射点位置及喷射半径进行了正交试验，喷射点位置设置6个水平，喷射半径设置4个水平，总共得到24个工况。当喷射半径为0.115 m时，C4为最佳工况，当喷射点位置为1.575 m时，C1为最佳工况。将这两个工况与其他工况进行对比，可得出最佳的喷射点位置与喷射半径的组合工况。工况设置与结果统计如表4所示。

表4 各工况下雾化蒸发效果Table 4 Atomization evaporation performance under different cases

图6为喷射点位置与雾化半径对雾化蒸发特性的协同影响，从图中可以看出，工况C17的雾化蒸发效果最好，虽然C22的最大蒸发距离为各工况下的最小值，但其未完全蒸发比最高，为0.916%，综合考虑，最佳工况为C17。

图6 喷射点位置与雾化半径对雾化蒸发特性的协同影响Fig.6 The synergistic effect of spray point position and atomization radius on the characteristics of atomization and evaporation

图7为工况C17与C22的液滴运动轨迹图，从图中可以看出，当雾化液滴喷出后，C17的气液两相扰动更为强烈，更为持久，因此其雾化蒸发效果优于C22，故最佳的喷射点位置与雾化半径组合工况为1.8 m与0.13 m。

图7 C17和C22的液滴轨迹分布Fig.7 Droplet trajectory distribution of C17 and C22

3 结论

1）当雾化半径为0.115 m时，喷射点位置布置在干燥塔塔顶下方1.8 m处，雾化蒸发效果最佳。

2）当喷射点位置在干燥塔塔顶下方1.575m处时，0.115 m的雾化半径为最佳值。

3）不同因素组合试验结果表明，喷射点位置布置在塔顶下方1.8 m处，雾化半径为0.13 m能达到最理想的雾化蒸发效果。