烟气余热处理脱硫废水数值研究

张天琦

（光大环保技术研究院（南京）有限公司 江苏南京 211102）

0 引言

自然界的SO2主要来源于以煤为原料的燃烧工艺，释放源包括热力发电厂、垃圾焚烧厂、金属冶炼厂等。

现阶段，燃煤行业的烟气脱硫技术主要是湿法脱硫。在湿法烟气脱硫工艺流程中，烟气先后经过热交换器、吸收塔，SO2在吸收塔里与石灰浆直接接触并被吸收去除。脱硫废水的主要组成就是石膏浆液的脱水产物。由于石膏浆液不断吸收烟气中的氯化物，导致氯离子浓度升高。为了维持系统物质的平衡，防止氯离子浓度超标，要从系统中排放一定量的脱硫废水［1］。

现有技术中，脱硫废水的去除工艺主要有膜法、沉淀法和蒸发法。其中喷雾蒸发法只需要在烟道的特定位置布置一定数量的雾化喷枪，通过压缩空气将废液雾化成较小粒径的雾滴，雾滴在高温烟气的作用下完全蒸发。该工艺不仅成本低，而且能够使得废液零排放，优势明显［2-3］。

本文基于CFD 软件，对某电厂660 MW 尾部烟道进行脱硫废水喷雾蒸发数值模拟研究，探讨各因素对废水处理量的影响规律。

1 模型设置

1.1 模拟对象

某电厂660 MW 机组尾部弯曲烟道横截面长5.4 m，宽4.2 m，竖直段高为9 m，总长度28 m，如图1 所示。

图1 660 MW 尾部烟道结构

1.2 模拟假设

模型计算过程，采用如下假设：①烟气流动为不可压缩流动；②忽略气液两相与烟道壁面的换热；③忽略喷枪对流场的影响。

1.3 基本参数

模型计算基本参数设定如下：①烟气量为8.65×105Nm3/h；②脱硫废水排放量为3.2 m3/h；③空预器出口烟气温度150 ℃；④烟气流速为10 m/s。

1.4 数学模型

（1）连续相模型。本文采用颗粒轨道模型进行研究，控制方程组如式（1）～（3）。

式中：uk、vk、wk分别为颗粒的瞬时轴向速度、径向速度和切向速度，u、v、w 以及u′、v′、w′分别为气相在3 个方向上的时均速度和脉动速度，rk为径向坐标，t 为弛豫时间，g 为重力加速度。

（2）离散相模型。颗粒轨道模型的基本方程组包括：颗粒连续方程如式（4）、颗粒动量方程如式（5）、颗粒能量方程如式（6）。

（3）液滴蒸发模型。当液温低于其沸腾温度时，模型方程如式（7）。

式中：mp（t+δt）表示液滴相变后的质量，mp（t）为相变前的质量，Ni为液滴单位面积蒸发率，Ap为液滴的表面积，Mw，i为蒸发组分的分子量，δt 为步长。

当液温高于其沸腾温度时，模型方程如式（8）。

式中：Cp，∞为气体定压比热，ρp为液滴密度，k∞为气相导热率，hfg为气化潜热。

（4）组分输运模型。本文模拟过程中存在水蒸汽的扩散，并发生能量交换，故需要采用组分输运模型。

（5）湍流模型。CFD 共提供了多种粘性模型，本文选择k-ε模型。脱硫废水的密度与自来水比较接近，采样分析固率约为0.8%，忽略废水中的颗粒物对蒸发的影响效果。

2 模拟结果

2.1 喷嘴安装位置对液滴蒸发轨迹的影响

模拟条件为：烟速10 m/s，烟温150 ℃，喷水量3.2 m3/h，雾化粒径70 μm。喷嘴安装位置对液滴蒸发轨迹的影响如图2所示。

图2 喷嘴安装位置对液滴蒸发轨迹的影响

由图2 可知，安装在上壁面的喷嘴对液滴蒸发扩散较好，只有较少液滴颗粒靠近壁面；而安装在下壁面及第一个弯头的喷嘴使得多数液滴颗粒都靠近了烟道右壁面，容易造成管道壁面的腐蚀及积灰；而且由于液滴颗粒没有完全的扩散开来，使得蒸发不完全，有部分液滴颗粒在烟道内没有完全蒸发。安装在竖直烟道处的喷嘴由于蒸发烟道较短，有部分液滴没有完全蒸发，故选择喷嘴安装在上壁面。

2.2 烟气温度对废水完全蒸发长度的影响

模拟固定烟气流速为10 m/s，液滴粒子平均粒径70 μm，入口烟气温度分别为：180 ℃、170 ℃、160 ℃、150 ℃、140 ℃、130 ℃。烟气温度对颗粒蒸发轨迹的影响如图3 所示。

由图3 可知，烟气温度与未完全蒸发的液滴的质量分数呈相反方向变化。烟气温度增高，颗粒达到临界蒸发温度所需时间就越少。当烟气温度为180 ℃时，废水颗粒基本在进入第二个弯管就已经完全蒸发；当烟气温度为130 ℃时，到布袋进口才完全蒸发。

图3 烟气温度对液滴蒸发轨迹的影响

2.3 烟气流速对废水完全蒸发长度的影响

模拟烟气温度为150 ℃，液滴粒子平均粒径为70 μm，烟气流速分别为7 m/s、8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s、12 m/s。烟气流速对颗粒蒸发轨迹的影响如图4 所示。

由图4 可知，烟气流速对雾滴流场影响不大。

图4 烟气流速对液滴蒸发轨迹的影响

2.4 液滴粒径对废水完全蒸发长度的影响

模拟烟气温度为150 ℃，烟气流速为10 m/s，液滴粒径分别为50 μm、60 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm。液滴粒径对颗粒蒸发轨迹的影响如图5 所示。

由图5 可知，液滴粒径对蒸发影响非常大，当液滴粒径在50 μm～60 μm 之间时，液滴基本在管道第二个弯道前就已经蒸发完全，而液滴粒径较大的则还需要一段距离才能完全蒸发。颗粒粒径越小，液滴的比表面积越大，对流传热接触面积就越大，蒸发的速率越快，完全蒸发长度也就越小。但是，雾化粒径越小，雾化耗能越大、成本越高，应综合考虑。

图5 液滴粒径对液滴蒸发轨迹的影响

3 结语

（1）当喷嘴安装在烟道上壁面时，流场较为稳定，雾化颗粒接触烟道壁面较少，减少了烟道壁面的腐蚀问题而喷射角度对流场的影响。

（2）随着烟气温度的升高，烟道内完全蒸发的液滴颗粒也就越多。

（3）烟气流速对液滴蒸发影响较小。

（4）影响液滴蒸发较大的因素是液滴粒径，粒径与蒸发时间呈正向关系变化。