烟气余热蒸发浓缩技术中喷雾锥角影响分析

阮柏松，毛 霖，李 建，荆 黎，叶明君

（1.安徽淮南平圩发电有限责任公司，安徽淮南 232089；2.国家电投集团远达环保工程有限公司重庆科技分公司，重庆 401122）

当前我国燃煤电厂大多采用湿式石灰石-石膏法脱除烟气中二氧化硫，为了维持脱硫系统的正常运行以及防止脱硫塔内部材料的腐蚀，一般要求浆液中Cl-的浓度维持在12000-20 000mg/L[1-2]。为控制循环浆液中氯离子浓度，需外排出一部分废水即脱硫废水。随着环保政策的收紧，国家现已要求新建燃煤电厂实现脱硫废水的零排放。

目前，利用燃煤电厂烟气余热蒸发脱硫废水已是电厂废水零排放主流工艺路线之一。本文分析了不同角度的锥形喷嘴在蒸发浓缩脱硫废水时的蒸发效率，考察了喷嘴角度对液滴蒸发特性的影响规律。

1 热平衡理论

对废水蒸发进行能量守恒计算和水分的物质平衡计算，考察抽取烟气量变化对蒸发浓缩塔出口烟气温度、湿度以及相对湿度的影响规律。烟气中所能携带的水蒸气总量通过饱和含湿量（Hs）衡量，即烟气中水蒸气的分压达到水蒸气的饱和分压。大气压条件下，水蒸气的饱和分压的数值主要受温度影响。

其中，H为烟气含湿量，指单位质量干烟气中所携带的水蒸气的质量，g/g（干空气）；ps该温度下的水蒸气饱和分压，Pa；p为烟气总压强，Pa；为水蒸气摩尔质量与烟气平均摩尔质量的比值，此处为0.623；φ为相对湿度，对于饱和烟气取100%。

根据热量平衡，有烟气放热量和废水蒸发吸热量的关系如下：

其中，Qg为烟气放热量，kJ；Ql—废水升温显热，kJ；Qe为废水蒸发吸热量，kJ；Vg为烟气流量，m3/h；ρg为烟气密度，kg/m3；Cg为烟气比热容，取入口与出口烟气比热容平均值，kJ/（kg·K）；Tg0为烟气温度，℃；Tg1为循环塔出口烟气温度，℃；r为蒸发温度下汽化潜热，kJ/kg；mL为蒸发废水质量流量，kg/h；h′为废水蒸发温度的饱和水焓，kJ/kg；h0为入口废水焓， kJ/kg。

含湿量低的高温烟气与废水液滴经过充分的接触和换热，废水溶液发生迅速的蒸发，以水蒸气的形式进入烟气中，导致烟气中的含湿量增加，其出口处烟气含湿量以及相对湿度可以按下式计算：

其中，He为蒸发塔出口烟气含湿量，g/g；H0为入口烟气含 湿量，g/g；pe为出口烟气水蒸气分压，Pa。以蒸发量4t/h为例，计算不同烟气量下出口处烟气的含湿量和相对湿度。

2 实验与分析

本实验以合川双槐电厂一期脱硫废水零排放项目的烟气余热浓缩塔为模型。结合热平衡理论分析，选取单一实锥形喷嘴，废水流量为4 000kg/h为研究对象，选择4.8m塔径，高为20m的蒸发空间下，烟气流速为5m/s时，可以提供22.6万m3用于废水蒸发。在30°~120°实锥形喷嘴的锥角，喷嘴出口处的液滴流速为20m/s工况下，脱硫废水蒸发分布情况如表1和图1所示。

图1 不同喷嘴锥角下脱硫废水蒸发分布图

表1 不同喷嘴锥角下脱硫废水蒸发

从烟气逃逸量可以知道，在保证较佳的烟气流速和液滴粒径工况下，30°~120°锥角范围内，脱硫废水逃逸不到总废水量的2.5%，可以认为喷嘴锥角对于烟气携带液滴的影响不大。但从废水直接回落到蓄水池以及废水蒸发的效果来看，其受喷淋的锥角的影响较大，其中30°锥角时废水回落量达到了总废水量的58.5%，而锥角为90°和120°时仅为11%左右。主要是因为较小的喷淋锥角使得液滴集中在喷嘴下方，气流与液滴之间的相互作用减小，降低喷淋液滴的速度衰减，液滴的停留时间也相应减少，此外气液两相的传热传质效率减低，进而废水蒸发效率低，更多的液滴回落到 塔底。

为了进一步研究塔内废水蒸发特性，截取不同轴向高度的界面上的水蒸气的分布，如图2所示。烟气进口处的水蒸气的质量流率为23 500kg/h，随着距离喷嘴的位置越近，其质量流率先增大而后略有些下降，其最大值出现在轴向高度为14~18m的液滴富集区域。结合图3的塔内液滴质量分布也可以很清楚地看到，在离喷嘴出口不远处形成的液滴的富集。液滴的富集是由于离开喷嘴后的液滴与烟气的相对速度到达最大，其速度极大的衰减，而喷嘴又不断有新的液滴喷淋处。此外，在液滴富集的区域下方，液滴的质量和烟气中的水蒸气质量的变化率达到最大，即脱硫废水在这个区域的蒸发效率较高，因此减小液滴富集的区域，改善该区域的气液两相的传热传质，有利于促进废水的蒸发浓缩。

图2 不同喷嘴锥角下烟气中水蒸气轴向质量分布

图3 不同喷嘴锥角塔内液滴质量轴向截面分布

液滴在塔内的停留时间直接影响了其蒸发效率的高低，利用塔内不同高度截面对废水液滴进行采样捕捉，统计液滴到达各个截面的所需的平均时间，图4即为从喷嘴出口喷淋的液滴随时间的分布情况。刚离开喷嘴1s左右的时间，不同喷嘴锥角下的液滴分布较为相近，这是因为初始阶段液滴的速度衰减主要受液滴初始速度的影响，而液滴之间的分散情况影响较小，而大于2s后，从较小锥角喷淋的液滴分布较为集中，核心处的液滴受烟气曳力作用降低，依旧能够保持一定的流速通过蒸发空间，降低液滴在塔内的停留时间。

图4 不同喷嘴锥角下喷淋的液滴随时间的分布图

同时，如表2所示的液滴蒸发在喷嘴喷淋距离为0~10m的区域是主要的蒸发区间，喷嘴锥角为90°和120°的工况下在该区域的蒸发占比达到了78.48%和84.38%，液滴的停留时间也达到4s以上。而喷嘴锥角为30°的工况，由于在该区的停留时间过短，废水液滴与烟气在该区的传质过程受限，导致其蒸发量较小。

表2 不同喷嘴锥角下脱硫废水蒸发

3 结论

以合川双槐电厂一期脱硫废水零排放项目的烟气余热浓缩塔为实验模型，分析了不同角度的锥形喷嘴在蒸发浓缩脱硫废水时的蒸发效率，考察了喷嘴角度对液滴蒸发特性的影响规律。整体上来看，喷嘴锥角为90°和120°的工况下脱硫废水的蒸发效果更高，回落塔底的废水量小。同时，在喷淋塔设计时要保证蓄水液面与喷淋层的高度至少为10m，才能保证脱硫废水的蒸发效率较高。