脫硫廢水煙道蒸發(fā)零排放處理的可行性分析

康梅強(qiáng)，鄧佳佳，陳德奇，潘良明

（重慶大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；重慶 400044）

中國(guó)是以火力發(fā)電為主的國(guó)家，火電廠燃煤產(chǎn)生的大氣污染嚴(yán)重危害自然環(huán)境和人類健康。為了減少二氧化硫排放，中國(guó)大部分火電廠都安裝了煙氣脫硫系統(tǒng)，其中石灰石石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，約占已安裝FGD機(jī)組容量的90%。該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的脫硫廢水，廢水中含有多種污染物，排放前必須進(jìn)行處理［1］。脫硫廢水的處理方法有多種［2－4］，應(yīng)用最廣泛的是物理化學(xué)處理方法［5－7］，但該方法工藝復(fù)雜，運(yùn)行成本高，且無(wú)法去除氯離子［8－9］。而煙道處理技術(shù)［10］可采用霧化噴嘴將電廠脫硫廢水進(jìn)行霧化，噴入電廠空預(yù)器與電除塵器之間的煙道內(nèi)，利用煙道內(nèi)高溫?zé)煔鈱㈧F化后的廢水液滴蒸干，形成細(xì)小固體顆粒結(jié)晶隨煙氣灰塵進(jìn)入電除塵器被電極捕捉，進(jìn)入除塵器灰斗隨灰外排，達(dá)到脫硫廢水零排放的目的；而該方法由于擔(dān)心如液滴蒸干等問(wèn)題對(duì)電除塵可能潛在的危害而在工程上還未廣泛應(yīng)用，國(guó)外僅見美國(guó)Bailly電站使用該方法的少量報(bào)道［11］。文章采用數(shù)值模擬方法，對(duì)脫硫廢水的煙道蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了研究，確定了合理的噴霧粒徑和煙氣溫度范圍，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了支持。

1 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)CFD方法模擬噴霧以及噴霧液滴在空預(yù)器與靜電除塵器之間的煙道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)以及蒸發(fā)過(guò)程。在模型中，煙氣與廢水液滴之間的運(yùn)動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)過(guò)程通過(guò)流體連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程描述；而液滴的相變過(guò)程則通過(guò)帶液滴表面蒸發(fā)以及液滴沸騰的顆粒軌道模型來(lái)描述。在CFD計(jì)算中用到的數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組份方程，如式（1）～（4）所示。

式（2）中，因?yàn)殪F滴與的煙氣流場(chǎng)的相互影響，文章采用顆粒隨機(jī)軌道模型描述煙氣與霧滴顆粒相互之間的作用。

能量守恒方程：

式（3）中計(jì)入了因?yàn)殪F滴顆粒蒸發(fā)所導(dǎo)致的能量輸運(yùn)。

計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模式，其數(shù)學(xué)表達(dá)為［12－13］：

單個(gè)顆粒或液滴的運(yùn)動(dòng)方程可直接從牛頓第二定律得出［14］：

當(dāng)液滴的溫度低于液滴沸點(diǎn)時(shí)，液滴的相變過(guò)程主要表現(xiàn)為液滴的蒸發(fā)過(guò)程，液滴的蒸發(fā)模型可表示為式（8）：

式中，mp（t＋Δt）表示液滴相變后的質(zhì)量，mp（t）表示相變前質(zhì)量，Ni表示液滴的單位面積蒸發(fā)率，Ap為液滴的表面積，Mwi為蒸發(fā)組分的分子量，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。

其中液滴的單位面積蒸發(fā)率與液滴的飽和蒸汽壓以及來(lái)流氣相中的組分濃度有關(guān)，其計(jì)算公式如式（9）：

式中：Ni為蒸發(fā)量，k為傳質(zhì)系數(shù)，Ci，s為液滴的飽和蒸汽壓，Ci，∞為來(lái)流氣相中的水蒸氣濃度。

當(dāng)液滴的溫度高于液滴沸點(diǎn)時(shí)，液滴的相變過(guò)程主要表現(xiàn)為液滴的沸騰過(guò)程，液滴的沸騰模型如式（10）所示［15］：

式（10）中，cp，∞表示氣體定壓比熱容，ρp表示液滴密度，k∞表示氣相導(dǎo)熱率。

2 關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)脫硫廢水蒸發(fā)的影響

某電廠600 MW火力發(fā)電機(jī)組靜電除塵器煙道結(jié)構(gòu)如圖1所示。從空預(yù)器出來(lái)的煙氣在進(jìn)入除塵器之前被分成兩個(gè)煙道，分別為連接除塵器1的彎曲長(zhǎng)煙道和連接除塵器2的直短煙道。該除塵器彎曲長(zhǎng)煙道長(zhǎng)度為28.5 m，直短煙道長(zhǎng)度為11.4 m，寬度為5.4m，高度為4.2 m。該電廠600 MW機(jī)組總煙氣量2.16×106Nm3／h，空預(yù)器出口煙氣溫度為150℃，脫硫廢水排放量為6.75 m3／h。

圖1 煙道結(jié)構(gòu)及噴霧液滴在不同煙道內(nèi)的運(yùn)行軌跡圖

由于噴霧液滴一旦進(jìn)入除塵器，就有可能改變除塵器的電場(chǎng)及粉塵的特性，從而影響除塵器效率，因此需要保證液滴在進(jìn)入除塵器之前能夠完全蒸發(fā)。而噴霧液滴能否完全蒸發(fā)受到煙道結(jié)構(gòu)、煙氣入口溫度和噴霧粒徑的影響，有研究表明，煙氣速度和液滴初速度的改變對(duì)液滴蒸發(fā)速度的影響都較小［16］。以下分別研究了不同煙道結(jié)構(gòu)、煙氣入口溫度和噴霧粒徑的噴霧液滴蒸發(fā)過(guò)程。

為了便于定量分析，定義R0為撞擊到煙道壁面的液滴數(shù)量所占總的液滴數(shù)量百分?jǐn)?shù)，R1為通過(guò)除塵器進(jìn)氣煙箱入口截面的液滴占總液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，R2為通過(guò)除塵器進(jìn)氣煙箱出口截面的液滴占總液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.1 煙道結(jié)構(gòu)的影響

本研究中，分別對(duì)在兩個(gè)煙道內(nèi)安裝噴嘴進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，直短煙道流場(chǎng)較平穩(wěn)，但液滴在進(jìn)入除塵器后仍有大量的廢水液滴未蒸發(fā)完，未蒸發(fā)液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%；彎曲長(zhǎng)煙道由于煙道較長(zhǎng)，液滴在煙道中的停留時(shí)間較長(zhǎng)，液滴在進(jìn)入除塵器之前已被完全蒸發(fā)，因此后續(xù)計(jì)算中均把噴嘴布置在彎曲長(zhǎng)煙道上；但由于其煙道結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要對(duì)噴嘴的安裝位置進(jìn)行精確的控制。

2.2 霧化顆粒粒徑的影響

噴嘴霧化的顆粒直徑對(duì)液滴的蒸發(fā)有著非常重要的影響。圖2為不同液滴直徑下除塵器進(jìn)氣煙箱入口和出口未蒸發(fā)液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果，噴嘴安裝位置邊距固定為1.5 m，入口煙氣溫度固定為為135℃，霧化粒徑分別為150、140、130、120、110和100μm。從圖中可以看出，在液滴粒徑在霧化粒徑為150μm時(shí)，除塵器進(jìn)氣煙箱入口殘留未完全蒸發(fā)的液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.4%，除塵器進(jìn)氣煙箱出口殘留液體量約為1.4%，與煙道壁面碰撞的液滴數(shù)量約為33.2%；在液滴粒徑在霧化粒徑為110μm時(shí)，液滴在進(jìn)入除塵器進(jìn)氣煙箱前能夠完全蒸發(fā)，與煙道壁面碰撞的液滴數(shù)量約為17.4%。霧化粒徑越大，殘留未完全蒸發(fā)的液滴越多，與煙道壁面碰撞的液滴也越多，這是因?yàn)橐旱沃睆皆叫。旱蔚谋缺砻娣e越大，蒸發(fā)所用時(shí)間越少，蒸發(fā)的速率也就越快，部分液滴在到達(dá)煙道壁面前已經(jīng)蒸發(fā)。

在上述的計(jì)算工況下，R1和R2隨霧化顆粒直徑的變化可表示為式（11）和式（12）：

通過(guò)對(duì)這兩相關(guān)系式的計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴霧液滴最大粒徑為105.6μm時(shí)，除塵器進(jìn)氣煙箱入口未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量約為0.2%，除塵器進(jìn)氣煙箱出口未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.01%，因此不會(huì)對(duì)除塵器的運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響。

隨著霧化液滴粒徑越來(lái)越小，霧化廢水液滴所需的能耗越來(lái)越大，霧化成本也將不斷增加。同時(shí)，考慮到電廠除塵器的運(yùn)行安全和系統(tǒng)的運(yùn)行成本，液滴最大直徑可定為100μm。

圖2 不同霧化顆粒直徑下的液滴蒸發(fā)狀況

2.3 煙氣入口溫度的影響

圖3為不同煙氣溫度下除塵器進(jìn)氣煙箱入口和出口未蒸發(fā)液體量的模擬結(jié)果。噴嘴布置在彎曲長(zhǎng)煙道，邊距為1.5 m，霧化粒徑為100μm，入口煙氣溫度分別為110、115、120、125、130和135℃。從圖3可以看出，當(dāng)煙氣溫度為110℃時(shí)，除塵器進(jìn)氣煙箱入口殘留液體量為約17%，除塵器進(jìn)氣煙箱出口殘留液體量約為13%，與煙道壁面碰撞的液滴數(shù)量約為37%；當(dāng)煙氣溫度為135℃時(shí)，液滴在進(jìn)入除塵器進(jìn)氣煙箱入口前已經(jīng)蒸發(fā)完畢，與煙道壁面碰撞的液滴數(shù)量約為17.4%。煙氣初始溫度越低，未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大。該電廠煙氣最低溫度為135℃，可以保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可得到R1和R2與煙氣入口溫度可表示為：

通過(guò)以上關(guān)系式的計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣入口溫度為127.4℃時(shí)，除塵器進(jìn)氣煙箱入口未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.2%，除塵器進(jìn)氣煙箱出口未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0。

因此，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要在該系統(tǒng)中設(shè)置低溫保護(hù)措施，確保溫度低于130℃時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。

3 結(jié) 論

文章建立了脫硫廢水煙道蒸發(fā)零排放處理的數(shù)學(xué)模型，研究了不同煙道結(jié)構(gòu)、煙氣溫度和噴霧粒徑下的廢水蒸發(fā)狀態(tài)，得到以下主要結(jié)論。

圖3 不同煙氣入口溫度下的液滴蒸發(fā)狀況

1）直煙道流場(chǎng)較平穩(wěn)，但長(zhǎng)度不足，在進(jìn)入靜電除塵器前不能完全蒸發(fā)；而彎曲長(zhǎng)煙道長(zhǎng)度足夠，可以保證廢水在進(jìn)入靜電除塵器前完全蒸發(fā)；

2）霧化顆粒越小，完全蒸發(fā)所需時(shí)間越少，所需長(zhǎng)度越短，綜合考慮蒸發(fā)效果和運(yùn)行成本，確定霧化粒徑定為100μm；

3）煙氣入口溫度越高，顆粒蒸發(fā)速度越快，煙氣溫度為130℃時(shí)，廢水在進(jìn)入除塵器前可完全蒸發(fā)；

4）由于有少量液滴會(huì)在完全蒸發(fā)前碰撞到煙道壁面，所以需要對(duì)煙道內(nèi)壁面采取防腐措施。

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（編輯歐陽(yáng)雪梅）