脫硫廢水在含塵煙氣中噴霧蒸發試驗研究

潘好偉，張 亮，李 偉，郜 寧，劉 寅，鄒 夢

(1.新疆新能集團有限責任公司 烏魯木齊電力建設調試所，新疆 烏魯木齊 830011；2.國網新疆電力有限公司 電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

石灰石-石膏濕法脫硫技術較為成熟且脫硫效率較高，廣泛用于燃煤電站鍋爐煙氣的SO2脫除治理。濕法脫硫工藝會產生大量脫硫廢水，廢水成分復雜，污染嚴重，不能直接外排，需要處理[1]。

脫硫廢水治理技術有多種[2-3]，其中蒸發結晶法和煙道蒸發法應用較廣[4]。煙道蒸發法是將脫硫廢水直接噴入鍋爐電除塵前的煙道中，利用煙氣顯熱使廢水迅速蒸發，蒸發結晶產物在電除塵中被一并脫除。相比蒸發結晶法，煙道蒸發法的優勢在于系統簡單，不需要增加專用蒸發設備，因此成本較低[5-6]；但該工藝可能存在廢水在煙道內蒸發不完全或結晶物質影響電除塵效率、導致煙道腐蝕等問題：因此，研究脫硫廢水霧滴在煙道內的蒸發過程對該工藝的設計和應用有重要意義。

目前，針對脫硫廢水煙道蒸發技術，已研發出霧化專用噴頭[7-11]；采用Fluent軟件模擬煙道內廢水液滴運動與蒸發過程研究了煙氣溫度、流速及霧滴粒徑、初始速度等因素對霧滴蒸發過程的影響[9,12-14]；研發出噴霧實驗臺，可采用霧滴激光粒度儀研究噴嘴空氣壓力、水流量、風溫等對空氣霧化噴嘴霧化效果、蒸發特性的影響[15]；模仿煙道結構設計出煙道噴霧蒸發實驗臺，可用于研究噴嘴安裝位置、煙氣溫度及流速等對液滴完全蒸發距離的影響[11]。

但目前的研究多采用無灰空氣或煙氣代替實際煙氣，無論是模擬還是試驗，多不考慮煙氣中的高濃度飛灰對脫硫廢水噴霧蒸發可能存在的影響；而且，已有的對飛灰與液滴相互影響的研究[16-17]主要采用數值模擬法[16]，而關于飛灰對噴霧蒸發過程的影響目前尚未見有報道。

試驗通過搭建噴霧蒸發實驗臺，采用螺旋給粉機將飛灰注入空氣中模擬含灰煙氣，重點研究飛灰對噴霧蒸發過程的影響，并建立液滴蒸發模型以解釋各因素對噴霧蒸發的影響機制，以求了解真實煙道內霧滴的蒸發過程及指導脫硫廢水噴霧蒸發系統的設計。

1 試驗系統與方法

試驗系統如圖1所示。模擬煙道為不銹鋼圓筒，內徑0.2 m，有效長度2 m，外覆5 cm厚保溫棉。霧化噴嘴布置在圓筒頂部，為空氣霧化噴頭，噴霧角度約45°。高壓空氣由空氣壓縮機提供，液體由水泵提供并由浮子流量計控制。在泵入口管路中加裝微孔濾芯以過濾脫硫廢液中可能含有的固體雜質。用空氣代替煙氣，由風機為系統提供空氣，流量由氣體渦輪流量計測定?？諝饬鹘涬姛峤z被加熱，空氣溫度由噴嘴上方的熱電偶測定并反饋至溫控儀，溫控精度為±1 ℃。煤灰由螺旋給粉機送入風道，給粉機輸送煤灰的速度與轉速成正比，范圍為0.1～1.0 g/s。流經煙道的飛灰由布置在煙道尾部的布袋除塵器捕捉。

圖1 噴霧蒸發實驗臺示意

霧滴完全蒸發距離是設計噴霧系統的重要參數。為了測定煙道內液滴的完全蒸發距離，實驗臺采用“測溫法”(如圖1所示)在噴嘴后每隔20 cm布置1個熱電偶測點(共10個，T型，精度±0.5 ℃)。熱電偶探頭位于煙道中心軸上，采用相鄰2個測點溫差反映霧滴的蒸發進程。霧滴蒸發過程中吸收大量熱量，相應位置的煙氣溫度降低，相鄰測點間產生溫差，當某相鄰溫度測點的溫差較小時，說明霧滴在此之前已經蒸發[11]。考慮到煙道存在自然散熱情況，以式(1)作為判斷霧滴蒸發的判據。

Δt≤2Δtd。

(1)

式中：Δt—噴霧時相鄰測點之間的溫差，℃；Δtd—相同工況下不噴霧時相鄰溫度測點的平均溫降，即由于煙道自然散熱導致的相鄰測點煙氣溫度下降平均值，℃。

需要說明的是，煙道內的霧滴蒸發是一個漸進過程，并不存在絕對的完全蒸發界面，因此，根據上述方法得到的完全蒸發距離僅用于本試驗對比不同工況下液滴蒸發的相對速度的快慢。

試驗首先測定相應工況下不噴霧時煙道自然散熱溫降Δtd，然后向煙道噴霧并測定噴霧過程中煙氣溫度，最后采用式(1)判斷完全蒸發距離。每次測量前系統運行30 min，使系統溫度充分穩定。試驗中多次測定取平均值以降低測定誤差。

試驗所采用的脫硫廢水和飛灰均采自某600 MW燃煤機組。廢水經過濾處理，其主要污染物成分見表1。煤灰以小于60 μm粒徑細灰為主。試驗前，將煤灰在120 ℃干燥箱內干燥1 h。

為分析脫硫廢水噴霧蒸發過程對電除塵可能產生的影響，采用高壓飛灰比電阻測試儀測定噴霧前后的飛灰比電阻。測量電壓2 kV，溫度25 ℃。

表1 試驗用脫硫廢水組成 mg/L

2 模型分析

為分析煙道內霧滴蒸發過程各因素影響機制，建立了煙道霧滴蒸發動力學模型。首先，假設霧滴與煙氣間無相對運動，根據液滴蒸發理論[18]，有

(2)

式中：ds—霧滴直徑，m；λ—煙氣導熱系數，W/(m·K)；λs—液滴導熱系數，W/(m·K)；cp—0.5(T+Ts)溫度下水蒸氣的比定壓熱容，J/(kg·K)；T—煙氣溫度，K；Ts—液滴溫度，K；L—液滴汽化潛熱，J/(kg·K)；ρf—液滴密度，kg/m3；t—時間，s。

將上式分離變量并積分得霧滴完全蒸發時間

(3)

式中：d0—液滴初始直徑，m；k1—蒸發速度因子。

(4)

(5)

式中：Sc—施密特數；Re—雷諾數。

(6)

(7)

式中：d—液滴直徑，m；ν—煙氣運動黏度，m2/s；w—液滴相對煙氣運動速度，m/s；D—二元擴散系數。D的計算公式為

(8)

式中：p—環境氣體壓力1.013×105Pa；VA—介質A擴散容積；VB—介質B擴散容積；MA—介質A摩爾質量，g/mol；MB—介質B摩爾質量，g/mol。

需要指出的是，該模型僅是單液滴在潔凈煙氣中蒸發的理論模型。當煙氣中存在灰塵時，液滴將受到飛灰顆粒的碰撞等作用，使其蒸發變為一個復雜的過程，不易采用模型描述。但該模型定性指出了煙氣溫度、速度等因素對液滴蒸發的影響趨勢，基于一定分析也能定性解釋灰塵對液滴蒸發速度的影響，因此仍然存在參考價值。結合試驗和模型的定性分析，研究了煙氣灰粒濃度、溫度、速度等因素對脫硫廢水液滴蒸發速度的影響。

3 試驗結果與討論

3.1 飛灰質量濃度對霧滴蒸發的影響

煙氣溫度120 ℃，流動速度0.8 m/s，飛灰質量濃度18 g/m3。不噴霧及噴霧流量為12 mL/min、無灰和飛灰質量濃度為18 g/m3條件下煙氣溫度變化如圖2所示。

由圖2(a)看出：不噴霧時，煙氣溫度由入口處的120.0 ℃降到第10個測點處的118.0 ℃，總溫降2.0 ℃，則相鄰溫度測點之間的平均溫降Δtd=0.2 ℃。由圖2(b)看出：飛灰加快了煙氣溫度下降速度?；诠?1)和Δtd=0.2 ℃，可以得到無飛灰時的霧滴完全蒸發距離為1.6 m，而飛灰質量濃度為18 g/m3時霧滴完全蒸發距離縮短為1.2 m?？梢?，飛灰的存在顯著加快霧滴的蒸發速度。

所建立的模型可定性解釋飛灰顆粒加速液滴蒸發的原因。已有研究[16]表明，煙道內霧滴會與飛灰顆粒發生碰撞。霧滴與灰粒的碰撞有2種結果：一種是霧滴破碎，使霧滴初始粒徑減小，根據式(3)，其他條件不變情況下，霧滴直徑減小可縮短霧滴完全蒸發時間，加快霧滴蒸發速度；另一種可能是霧滴與灰粒碰撞后鋪展到灰粒表面，液滴比表面積增大，則霧滴蒸發速度也會加快。

飛灰質量濃度對霧滴蒸發速度的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 飛灰質量濃度對霧滴完全蒸發距離的影響

由圖3看出：煙氣中噴霧完全蒸發距離與飛灰質量濃度大體上呈線性關系，隨飛灰質量濃度升高，噴霧完全蒸發距離縮短。灰粒的存在會加快液滴蒸發速度，使霧滴完全蒸發距離不斷縮短。飛灰質量濃度越高，飛灰顆粒與液滴之間的碰撞概率越大，灰粒對加快液滴蒸發速度效應越明顯。

飛灰對霧滴的蒸發有顯著影響，因此，研究脫硫廢水在煙道內噴霧蒸發過程時不應忽略飛灰的作用，所以，后續試驗均在含飛灰條件下進行。

3.2 煙氣流動速度對霧滴蒸發的影響

鍋爐負荷變化導致煙氣流動速度發生變化。煙氣流動速度對噴霧蒸發的影響試驗結果如圖4所示。煙氣溫度120 ℃,飛灰質量濃度18 g/m3，噴霧流量12 mL/min。

圖4 煙氣流動速度對霧滴蒸發的影響

由圖4看出：噴霧完全蒸發距離隨煙氣流動速度加快而顯著增加，由0.4 m/s時的0.8 m增加到1 m/s時的1.6 m。計算液滴的完全蒸發時間，0.4 m/s煙氣流動速度時需要2 s蒸發完畢，而煙氣流動速度1 m/s時僅需1.6 s即蒸發完畢，可見，高煙氣流動速度使得實際蒸發時間縮短，蒸發速度加快。

但是，煙氣流速增加也會加快霧滴移動速度。試驗結果表明，煙氣流動速度的增加縮短了完全蒸發時間，但卻導致霧滴完全蒸發距離增大?？梢?，在實際脫硫廢水煙道蒸發設計中，應考慮煙氣流動速度對霧滴完全蒸發距離的影響。

3.3 煙氣溫度對霧滴蒸發的影響

不同大小的機組有不同的排煙溫度，一般在110～140 ℃范圍內。煙氣溫度對霧滴蒸發的影響試驗結果如圖5所示。噴霧流量12 mL/min，煙氣流動速度0.8 m/s，飛灰質量濃度為18 g/m3。

圖5 煙氣溫度對霧滴蒸發的影響

由圖5看出，隨煙氣溫度升高，霧滴完全蒸發距離顯著縮短，二者之間呈顯著負相關關系。煙氣溫度主要影響霧滴的吸熱和蒸發速度，高溫煙氣使液態霧滴更快地升溫、汽化，從而縮短完全蒸發距離。這一點由公式(4)能夠定量證明，霧滴蒸發速度因子k1與煙氣-霧滴溫差(T-Ts)正相關，霧滴蒸發過程中，煙氣溫度越高則T-Ts越大，k1越大，蒸發速度越快。

鍋爐的負荷會影響排煙溫度，低負荷下鍋爐排煙溫度一般較低，以某600 MW機組為例，50%負荷的排煙溫度為98.3 ℃，比100%負荷下(112.8 ℃)低15 ℃左右，如果僅從低負荷排煙溫度降低上看，低負荷下霧滴的完全蒸發距離會變大，但由于低負荷下煙氣流動速度也會大幅下降，根據圖5可知，煙氣流動速度降低則會縮短霧滴完全蒸發距離。因此，設計中計算脫硫廢水霧滴完全蒸發距離時，應綜合考慮不同負荷下的煙氣溫度、流動速度的影響。

3.4 噴霧流量對霧滴蒸發的影響

不同脫硫廢水預處理工藝產生的最終廢水流量有所差異，因此最終需要進行煙道噴霧蒸發處理的廢水流量也可能是變化的。噴霧流量(對應600 MW鍋爐約7～28 t/h脫硫廢水)對霧滴蒸發的影響試驗結果如圖6所示。煙氣流動速度0.8 m/s，溫度120 ℃，飛灰質量濃度為18 g/m3。

圖6 噴霧流量對霧滴蒸發的影響

由圖6看出，隨脫硫廢水噴霧流量增大，霧滴完全蒸發距離顯著增加，二者之間近似呈正向線性關系。這一規律與張天琦等[11]的研究結論一致。廢水流量的增加還將影響煙道出口的煙氣溫度，煙道出口煙氣溫度(10號熱電偶)與噴霧流量之間的變化關系如圖7所示。

圖7 不同噴霧流量下的煙道出口煙氣溫度

由圖7看出，煙道出口煙氣溫度隨噴霧流量增加而下降，二者之間呈顯著線性關系。根據擬合公式，當噴霧流量為5.33 mL/min時，煙道出口煙氣溫度比不噴霧時約下降10 ℃。計算結果表明，對滿負荷運行600 MW鍋爐，煙道噴霧流量達10 t/h時煙氣溫度也會下降約10 ℃，降幅明顯。噴霧流量增加會提高煙氣水蒸氣濃度，從而提高煙氣的酸露點[19]，而噴霧流量增加導致的煙氣溫度降低會進一步加劇煙道酸性氣體結露的可能性，因此在進行脫硫廢水煙氣噴霧蒸發的設計時，煙道低溫腐蝕是必須考慮的問題。

3.5 噴霧流量對飛灰比電阻的影響

在脫硫廢水噴霧蒸發工藝中，廢水中含有的各種鹽類物質會混入飛灰中，從而可能改變飛灰的物理特性。重要參數之一是飛灰比電阻，該參數影響電除塵器捕集飛灰的效率。為了分析脫硫廢水噴霧對飛灰比電阻的影響，從實驗臺尾部的布袋除塵器內采集了不同噴霧流量下的飛灰，并進行比電阻測試，試驗結果如圖8所示。溫度120 ℃，煙氣流動速度0.8 m/s，飛灰質量濃度為18 g/m3。

圖8 噴霧流量對飛灰比電阻的影響

由圖8看出，隨噴霧流量增加，飛灰比電阻呈上升趨勢。噴霧流量增加后，飛灰中混入的脫硫廢水結晶產物也增多，脫硫廢水中的鈣、鎂離子含量一般較高，而鈣、鎂鹽比電阻較高，從而導致噴霧流量增加時飛灰比電阻升高[20]。但從圖8看出，不同噴霧流量下的飛灰比電阻差別不足一個數量級，均屬于中比電阻飛灰(1×104Ω·cm <ρ<5×1010Ω·cm)，因此單純由于廢水結晶鹽混入飛灰對電除塵效率的影響不大[21]。

但需要指出的是，本試驗飛灰比電阻是將飛灰從煙道內取出，在室溫下進行離線測量得到，工程實際中廢水噴霧對煙道內煙氣濕度和飛灰溫度產生影響并進一步導致飛灰比電阻的變化，還需要更深入的研究。

4 結論

采用噴霧蒸發實驗臺，考察了含塵煙氣中飛灰質量濃度、煙氣溫度和速度、噴霧流量等因素對脫硫廢水蒸發的影響；建立了液滴蒸發動力學模型，并采用該模型揭示主要試驗因素的影響機制。結果表明：飛灰顆粒與霧滴碰撞，減小霧滴直徑或增加霧滴的鋪展面積，加速霧滴的蒸發速度，且飛灰質量濃度越高霧滴完全蒸發距離越短；煙氣流動速度增大會加大霧滴表面的流動雷諾數，促使液滴蒸發傳質速度加快，但由于霧滴移動速度也加快，最終完全蒸發距離增加；煙氣溫度升高會增大煙氣-霧滴的溫差，提高霧滴蒸發速度因子，降低完全蒸發距離；霧滴完全蒸發距離隨噴霧流量增加而增加，同時煙道出口溫度隨噴霧流量增加而降低；脫硫廢水噴霧蒸發后的飛灰比電阻隨噴霧流量增加而略有升高。