火力發電廠廢水零排放系統干燥塔及煙氣分配器設計研究

張富峰，余子炎，姜智健

（1.廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516600；2.福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 361000）

隨著火力發電廠環保技術和設備的不斷升級以及國家環保政策的日趨嚴格，火力發電廠廢水排放問題和處理方式越來越受到重視，目前，各電廠均陸續開展廢水零排放改造。其中，因脫硫廢水含有較高的氯離子而無法進一步處理回用，最終全廠少量的廢水必須通過分鹽或蒸發進行處理。在眾多的處理技術中，高溫旁路蒸發技術和脫硫廢水低溫蒸發技術作為主流的脫硫廢水處理技術備受關注。

1 高溫旁路旋轉霧化技術

南方某沿海電廠總裝機為4臺600MW等級燃煤機組，處理總廢水量為32m3/h。本項目采用“高溫煙氣旁路蒸發(旋轉霧化)+電除塵+引風機”工藝，項目一次設計完成，分期建設，本期建設不含電除塵、引風機及輸灰系統。系統流程為：從空預器前、脫硝反應器后主煙道中(分兩路)抽取部分煙氣為熱源，在旁路煙氣干燥塔中對旋轉霧化的廢水液滴進行加熱，廢水中水分遷移至煙氣中從而完成干燥過程，干燥后的顆粒隨加濕煙氣從塔下部流出進入預留設計的電除塵器中，利用預留設計的電除塵器對含鹽粉塵進行截留，含鹽粉塵收集后統一輸送至預留設計的灰庫中，電除塵器出口煙氣則經預留設計的引風機輸送至MGGH前主煙道中(分兩路)，與原煙氣混合后進入MGGH，后續進入原低溫除塵設備中。

工藝流程圖，如（未包含預留設計部分）圖1所示。

圖1 高溫旁路旋轉霧化技術工藝流程圖

霧化器和煙氣分布器布置在干燥塔頂部中心位置，進煙通過一段煙道引流至煙氣分布器上部，煙道中設置導流片保證煙氣流動均勻，在煙氣分布器作用下，呈渦流形勢均勻由上而下流動；廢水則在微正壓情況下流動至霧化器中，在高速轉動的霧化盤和噴嘴作用下，形成大量液滴向側面噴灑，并在向下煙氣氣流作用下迅速向下運動；煙氣與液滴共同進入干燥塔柱段區域中，相互接觸傳熱，煙氣降溫，液滴蒸發并干燥，最終煙氣降至135～155℃，液滴則轉變為固相粉塵。

經零排放除塵器收集的灰通過預留設計的輸灰系統輸送至預留設計的灰庫儲存，少量固體粉塵在干燥塔底部堆積，由底部輸灰系統輸送至零排放輸灰系統出口母管中。

2 高溫旁路旋轉霧化廢水處理系統常見問題

2.1 旋轉霧化器霧化效果差

脫硫廢水被送至高速旋轉的霧化盤時，由于離心力的作用，廢液伸展為薄膜或被拉成細絲(取決于轉速和漿液量)，在霧化盤邊緣破裂分散為液滴。霧化粒徑為30～40μm（85%顆粒SMD粒徑在30～40μm范圍）。霧化器應能夠保證在液體流量變化時，霧化霧滴的粒徑分布不發生顯著改變，保持連續穩定的噴霧性能，使漿液在接近飽和溫度下，沒有水分凝積在干燥塔內壁上。旋轉霧化器應適應8.0m3/h（額定流量）的50%～120%范圍正常運行。

2.2 煙氣分配器存在問題

煙氣分配器的主要功能是將煙氣均勻分散至干燥塔中，合理調配煙氣軸向速度、適當提供切向流動、大幅削減徑向流動。煙氣分布器在出口段對氣流進行了約束設計，即減小流通通道，一方面，確保了煙氣流速；另一方面，可利用氣流直接作用于霧化器側向“甩出”的霧化液滴，防止液滴直接向壁面流動。

此外，為防止煙氣流量變化影響約束效果，分布器還做了內外旋流片設計，利用內外旋流片相對位置，可以對流通通道約束大小進行調節。

煙氣分配器的作用就是讓煙氣流入干燥塔過程均勻且防止液滴直接向壁面流動造成未完全干燥的灰黏附于干燥塔內壁。

2.3 干燥塔存在問題

煙氣從煙氣分布器進入干燥塔中，煙氣與廢水液滴接觸的同時，其挾帶的粉煤灰也會與廢水液滴接觸，廢水完全干燥完成形成的固體最后隨煙氣流出干燥塔。干燥塔一定要保證液滴離開干燥塔前充分干燥。

在其他改造案例中，出現了干燥塔塔壁結垢及出口煙道堵塞的問題，這除了與霧化效果差有關，另外，很重要的因素是干燥塔系統流場設計及塔的規格過小分不開。

3 高溫旁路旋轉霧化系統設計

3.1 旋轉霧化器設計選型

旋轉霧化器中影響霧化粒徑的因素很多，受旋轉霧化器形式、結構不同的影響，用于計算霧化粒徑的無量綱準數關聯方程也各有不同，本設計主要采用與該工程煙氣蒸發系統霧化器更匹配的光滑分散盤、高轉速工況關聯方程計算，如公式1所示：

式中，dp為霧化粒徑，μm；QL為進水量，m3/min，μL為黏度，MPa·s；ρL為廢水密度，kg/m3；d為霧化盤直徑，m；N為霧化盤轉速，r.p.m。

本工程中進入霧化器的廢水主含物質為Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、F-、SO42-等離子，TDS含量約為23000～28000mg/L，依據該參數對廢水物性進行粗略估算，可 得μL為0.8677MPa·s，ρL為1020kg/m3，d為 霧化盤直徑，本設計假定選用霧化盤直徑約200mm，即0.2m，經公式1計算可以得到不同進水量、不同轉速情況下的霧化粒徑，計算所出結果如下（表1為不同轉速霧化粒徑，表2為不同進水量霧化粒徑）。

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表1 不同轉速霧化粒徑

因霧化器為高速旋轉設備，只有足夠高的轉速才能保證廢水霧化效果，也只有合理的霧化粒徑才可以保證液滴離開干燥塔前充分干燥。霧化器選型時，一般要求霧化粒徑為30～50μm，且粒徑分布曲線滿足窄分布特性。旋轉霧化器應適應額定出力的50%～120%正常運行，同時，旋轉霧化器可依據通量要求對轉盤進行放大設計，因此，旋轉霧化器處理量較大時，仍能保證霧化效果。霧化器的進廢水流速不得大于0.6m/s，壓力應小于0.2MPa，流量采用電動閥門調節。霧化器配置冷卻裝置或保證系統所需水壓條件的供水裝置，確保潤滑油冷卻系統溫度降至滿足要求。

3.2 煙氣分配器設計

煙氣在干燥塔中流動可分解為3種流動：切向流動、徑向流動、軸向流動，如圖2所示。

圖2 煙氣在干燥塔中流向圖

（1）軸向流動。主要性質流動，向下流動為有益性質流動，向上流動為不利性質流動，一般為防止出現逆向流動，正向向下流動的速度適當增加，同時，為避免廢水在干燥塔中停留時間過短，正向向下流動的速度不宜過高，因此，軸向流動的設計對煙氣蒸發系統處理效果至關重要。

（2）切向流動。輔助性質流動，即便在煙氣分布器作用下，煙氣流動已趨近均勻，但受擾動及瞬態特性影響，煙氣的軸向流動并不完全均勻，此時，切向流動可良好減少截面不同位置的軸向流速差異，同時，也有利于蒸發過程的氣液傳熱效果，但切向流速越大，越容易對顆粒或液滴形成離心力，導致徑向流動出現，因此，切向流動速度往往較低。

（3）徑向流動。不利性質流動，該方向上運動屬于導致掛壁、結垢問題的主要原因之一，液滴及顆粒在該方向上受煙氣影響向壁面運動，從而導致了液滴未干燥完全即黏附在干燥塔壁面，因此，需要盡可能地消除徑向流動，特別是中心向壁面的流動。

煙氣分布器的每個旋流片均作了側偏角處理，即利用小弧度的旋轉形成一定的切向速度，小幅的切向速度可以有效約束氣流，降低干燥塔截面流動的不穩定性。

圖3為數值計算的煙氣蒸發塔中的速度分布圖和矢量分布圖。

圖3 數值計算的煙氣蒸發塔中的速度分布圖和矢量分布圖

從圖3可以看出，煙氣的實際流通區域為煙氣分布器的映射柱體區域，該區域至壁面之間區域為靜滯區，因此，消除煙氣徑向流動只需要盡可能煙氣進入煙氣分布器中的切向流動即可。而煙氣分布器中切向流動主要來源于煙氣流動的不均勻性，因此，煙氣在進入旋流片段前應盡可能地消除不規則流動。為此，必須在煙氣分布器單獨做長直煙道并在轉向處設置導流板以消除不規則流動。

依據以上計算及論述，本項目在額定工況下8m3/h處理水量（單臺機組，下同），煙氣耗量約67000Nm3/h，1臺干燥塔配置、1臺霧化器及1臺煙氣分布器，因此，結合進入每臺煙氣分布器的煙氣量，且煙氣溫度按相對較低溫度362℃，煙氣分布器尺寸確定為2300mm。

3.3 干燥塔設計

合理的干燥塔設計主要保證液體在離開蒸發塔前完成干燥過程，即廢水液滴在塔體中的停留時間大于其完成干燥過程所需時間。設計重點考點塔高、塔徑、塔內溫度場的均勻性及流場的模擬。只有足夠的塔高、塔徑，才能確保液滴在塔體中有足夠的停留時間；塔內有了均勻的溫度分布，才能保證液滴在塔體全部得到干燥；塔內煙氣流場模擬及良好應用，才能保證塔內流速煙氣均勻，不會發生局部的煙氣流速過高導致磨損，也不會因各局部的流速煙氣過低導致積灰。

干燥塔塔徑設計盡量考慮旋轉霧化器霧化的最不利結果，如霧滴粒徑可按液滴尺寸在150μm(實際霧化粒徑遠小于該值)設計，液滴在干燥塔中軸向上的運動主要受氣流影響，受自身初速度影響極小，液滴在干燥塔中的停留時間可近似等同于煙氣在干燥塔中的停留時間，通過計算廢水液滴完成蒸發并干燥所需的熱量，及廢水液滴在經過干燥塔后所吸收的熱量所需的時間來最終確定干燥塔塔徑，當然設計仍須考慮一定余量。

3.4 干燥塔錐段設計

干燥塔錐段受邊界層影響，煙氣流動不穩定，因此，該段不作為傳熱區考慮，其設計的主要目的是開設煙氣出口，并防止煙氣出口邊界對煙氣擾動產生影響。此外，由于部分粉塵在錐底堆積，錐段的設計還應充分考慮排灰問題。設計時，主要考慮合理的錐段角度、高度及出口煙道位置。

3.5 干燥塔材質選擇設計

干燥塔錐段受邊界層影響，煙氣流動不穩定，因此，該段不作為傳熱區考慮，其設計的主要目的是開設煙氣出口，并防止煙氣出口邊界對煙氣擾動產生影響。此外，由于部分粉塵在錐底堆積，錐段的設計還應充分考慮排灰問題。合理的干燥塔錐段設計主要考慮下列問題。

（1）為防止煙氣在錐段偏流，影響柱段煙氣流動，在煙氣出口前設置了內伸段，內伸至干燥塔中心處因煙氣出干燥塔，此時，煙氣流通區域僅為干燥塔中心區域，粉塵難以與干燥塔壁面接觸，進一步降低了掛壁、結垢、腐蝕問題。

（2）除合理設計錐段角度外，錐段還增設了振打器和空氣炮預留口，用以防止粉塵在干燥塔錐底處堆積。

（3）預留排灰口用于與后續輸灰系統對接。在正常運動情況下，廢水在變為固體粉塵前不會與干燥塔壁面接觸，因此，整體選用普通碳鋼即可，為減輕系統重量，防止鋼材的浪費，選用了屈服極限更大的Q355鋼材，并選用了內孔隙率極低的容器鋼，即Q355R鋼材。

4 結語

火力發電廠廢水零排放處理技術正在高速發展階段，其中高溫煙氣旁路旋轉霧化廢水零排放工藝為眾多電廠所青睞。目前，該工藝應用業績日益增多，因受技術成熟程度影響，實施后對電廠系統如煙風系統、除塵系統、能耗指標的影響及廢水中氯離子的遷移問題有待進一步研究。