常溫噴霧蒸發處理含鹽水蒸發特性研究

趙保華，高然，溫佳琪，易祖耀，韓征飛

(1.華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450046；2.華北電力大學 環境科學與工程系，河北 保定 071003)

0 引言

濃鹽水一般是指含鹽量(以NaCl含量計)高于3.5%的溶液，主要來源于海水淡化、煤化工以及發電廠等工業排水[1]。火電廠濕法脫硫系統由于漿液的循環洗滌，造成鹽分富集，為保持漿液中氯在一定濃度范圍，脫硫系統必須外排一部分廢水。根據DL/T 997—2006《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質控制指標》，脫硫廢水經“中和、絮凝、沉淀”三聯箱工藝處理后，大部分懸浮物和重金屬得以去除，余下的主要是含Cl-，SO42-等離子的高濃度鹽水。隨著國家《水污染行動防治計劃》(“水十條”)的嚴格推進，發電行業廢水“零排放”已成為趨勢，脫硫廢水作為末端廢水，其深度處理備受關注。目前有應用實例的“零排放”技術包括強制蒸發、煙道蒸發、蒸發塔處理、機械噴霧蒸發等技術[2-5]，強制蒸發技術成本高昂、系統復雜；熱力蒸發技術需對現有脫硫系統、煙道等進行改造[6]；而機械噴霧蒸發技術具有低成本、系統簡單等優勢，特別適用于干旱少雨的西部地區，具有較大的發展潛力[7]。此外，噴霧蒸發技術已工業應用于煤化工廢水、礦山廢水等工業廢水處理領域[8]。

關于噴霧蒸發技術的研究已近50年，內容包括試驗研究和數學建模，但研究對象主要是純水[9-16]。近年來，部分學者研究噴霧蒸發處理濃鹽水，但蒸發介質為熱空氣，集中于多級閃蒸、多效蒸發、煙道蒸發技術[17-21]。此外，工程領域蒸發研究集中于水體表面蒸發速率，主要研究方法是通過歸納總結試驗測量數據得到經驗公式；Dalton首次提出了水面蒸發量與風速、水汽壓差的經驗函數關系[22]，Peman進一步根據水面蒸發的形成機制，將空氣動力學方程和能量平衡方程聯解，得出計算水面蒸發量的組合型公式，李萬義、施成熙、童宏良等根據我國實際情況對Dalton，Peman公式參數進行了修正[23]。因此，噴霧蒸發結合蒸發塘技術處理濃鹽水工業廢水的蒸發效率需要進一步量化研究，特別是蒸發速率、環境對蒸發效率的影響問題等是可行性應用的關鍵。

本文設計了一種濃鹽水常溫噴霧蒸發處理系統，對模擬濃鹽水進行室外噴霧蒸發研究，考察了系統參數、環境因素等對蒸發特性的影響規律，旨在為工業廢水濃鹽水深度處理技術的系統調控、處理能力等方面提供理論參考。

1 純水噴霧蒸發理論影響因素

現有理論是以純水為研究對象，建立霧滴-空氣運動的單液滴蒸發速率模型[24]。蒸發中大部分液滴行程受到空氣流動的影響，根據邊界層理論，液滴與四周邊界層有對流作用，在具有相對速度(包括靜止)的空氣中發生蒸發。根據傳質方程式，液滴的蒸發速率可以表示為：

(1)

式中：ω為水分蒸發量；t為蒸發時間；dω/dt為蒸發速率；Kx為傳質系數；A為傳質面積；xw為液滴表面上空氣的飽和濕含量；xw-x為以濕含量差表示的傳質推動力；x為液滴表面上空氣濕含量。

根據經驗數據，球形液滴在靜止空氣中的傳質表達見式(2)，由此可推導傳質系數Kx。

(2)

式中：Sh為舍伍德(Sherwood)數；D為液滴直徑；Dv為溶液的擴散系數。

對于球形液滴，總傳質系數可以用無量綱特征數Sh來表示。

Sh=2+k1(Re)x(Sc)y，

(3)

綜合式(1)(2)(3)可得液滴蒸發速率公式：

(4)

式中：液滴直徑D可由經驗公式推算，具體如下[26]。

液滴表面上空氣濕含量

(5)

式中：pw為水蒸汽分壓；p為大氣壓；Mw為水分子的相對分子質量；Ma為空氣的相對分子質量。按Mw=18.016，Ma=28.907計算，得式(5)右半部分。

空氣的飽和濕含量

(6)

式中：ps為水的飽和蒸氣壓。適用于303～413 K的經驗計算式為

p(T)=p0exp(13.318 5a-1.976 0a2-

0.644 5a3-0.129 9a4) ，

(7)

空氣黏度

(8)

式中：C為常數，C=111；μ0為氣體在273 K時的動力黏度，μ0=17.09×10-6Pa·s。

濕空氣密度

(9)

式中：H為相對濕度。

綜合式(4)～(9)可見，理論上影響純水噴霧蒸發速率的主要因素包括大氣溫度、相對濕度、風速、大氣壓(由于地理位置不變，大氣壓變化較小，不予研究)、霧滴直徑、溶液物化性質等。參考純水噴霧蒸發理論，設計試驗針對上述影響因素探究濃鹽水噴霧蒸發規律，進一步得出量化關系。

2 試驗部分

2.1 試驗裝置及材料

噴霧蒸發高濃度含鹽水試驗系統由蒸發池、霧化噴頭和循環泵組成，室外試驗裝置如圖1所示。通過循環壓力泵將池中液體抽入霧化噴頭，面向池內噴灑霧化液滴，蒸發池內層兩側各設毫米刻度尺，用于讀取液位高度，蒸發池旁設有蒸發皿，用于測量同環境條件下的自然蒸發量。

圖1 機械霧化蒸發試驗裝置示意

霧化蒸發試驗地點為河北省保定市，試驗時間為2016-05-01—10-30，雨天停止試驗，采用單位時間(2 h)內的液位差代表蒸發速率。蒸發池長400 cm、寬200 cm、高85 cm；試驗采用4種型號的壓力型霧化噴嘴，霧化粒徑D50為40，70，150，1 000 μm，噴嘴噴霧角均為60°；噴嘴裝于池的寬側中軸線距地面高度1.0 m處，噴射方向水平；循環壓力泵運行壓力控制為2 MPa。試驗水樣為自來水(Cl-質量濃度50.23 mg/L)及添加工業NaCl鹽的模擬高濃度含鹽水。室外主要試驗儀器、藥品及測量指標見表1。

2.2 試驗方法

2.2.1 類比器測法

參考SL 630—2013《水面蒸發觀測規范》，蒸發特性是液相向汽相傳質過程的快慢程度，采用表面蒸發速率(w)表示，即單位時間、單位面積內液體蒸發的質量或單位時間液位降，見式(10)。

(10)

式中：w為脫硫廢水表面蒸發速率；Δm為t時刻試樣質量差；S為蒸發表面積；mt為t時刻試樣質量；m0為原始質量；Δh為t時刻試樣液位差；ρ為蒸發溶液的密度。

表1 試驗藥品及儀器

2.2.2 SEM表征蒸發產物

當溶液蒸發至過飽和后，在該過飽和度的驅動下實現晶體的生長[27]，環境條件影響產物晶體的形貌。反之，可通過蒸發產物晶體生長形態判斷蒸發快慢。樣品的形貌結構特征采用日本HITACHI S-4800型場發射掃描電鏡(SEM)進行表征，電壓設置為15 kV，噴金。

2.2.3 數據處理

探究環境影響時，試驗采用霧滴粒徑150 μm的噴嘴水平噴霧蒸發Cl-質量濃度為7 500 mg/L高鹽水，為期4個月。因為室外環境溫度、濕度、風速存在不均勻、不穩定性，無法控制單因素變量，因此開展長期霧化蒸發試驗，選擇符合單因素控制變量的數據進行單因素影響分析，對全部數據進行多因素復合影響分析。為了減小液面高度浮動導致的讀數誤差，試驗單次測量時間間隔為2 h。

3 結果與討論

3.1 噴霧粒徑對蒸發速率的影響

選取氣象條件穩定的4 d，采用霧滴粒徑70，150，500，1 000 μm的霧化噴嘴，連續水平噴霧蒸發Cl-質量濃度為7 500 mg/L的高鹽水，探究霧滴粒徑對蒸發速率的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 蒸發速率與霧化顆粒粒徑關系示意

由圖2可以看出，在不同時段下(環境條件不同)，霧化顆粒粒徑越小，噴霧蒸發速率越高，噴霧粒徑70 μm比1 000 μm的蒸發速率提高了94.87%；但噴霧粒徑70 μm與150 μm、150 μm與500 μm、500 μm與1 000 μm的蒸發速率差距逐漸減小。

內在機理是，以1個霧化液滴為研究對象，假設為理想球形液滴，其直徑為d，現有體積為a的液體，其蒸發表面積公式[28]為：

(11)

式中：6a是定值，蒸發表面積S與顆粒直徑d有關，且d越大，蒸發接觸表面積S越小，蒸發速率越低。

現假設a=5 000 μm3，那么d為70，150，500，1 000 μm的S值分別約為71，33，10，5 μm2。由此可以看出，粒徑為500 μm及1 000 μm的霧化液滴蒸發表面積在一個較低數量級，蒸發速率較小。因此，當其他條件相同時，霧化顆粒越細，蒸發速率越快，蒸發效果越好；但當顆粒粒徑處于較大范圍時(例如500 μm以上)，改變顆粒粒徑，蒸發效果差別不大。

3.2 鹽濃度的影響

選取氣象條件穩定的3天，采用霧滴粒徑150 μm的噴嘴連續噴霧蒸發平均氯離子質量濃度為50mg/L的自來水(空白對照)、平均氯離子質量濃度為501 mg/L的工業鹽水、平均氯離子質量濃度為5 822 mg/L的工業鹽水。含鹽量以氯離子質量濃度為指標，探究不同水質對蒸發效率的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同水質對霧化蒸發速率的影響示意

由圖3可以看出，噴霧蒸發鹽濃度不同，蒸發速率差別較小，但蒸發速率由大到小為Cl-質量濃度50 mg/L的自來水>501 mg/L的工業鹽水>5 822 mg/L的工業鹽水，下降液位差為0.93 cm>0.67 cm>0.65 cm。自來水比高濃鹽水的蒸發速率提高43.08%。究其原因，一方面鹽離子的存在使溶液分子內聚力增大，蒸發所需能量增多，蒸發速率變低；另一方面高鹽水蒸發包括等速蒸發和降速蒸發階段，可能存在不溶性固體隨著蒸發的進行在液滴表面形成一層硬殼，阻礙水分蒸發[29]。

3.3 環境風速的影響

在試驗總數據中選擇溫度為(25±1)℃、濕度為(40±5)%，而風速不同的時間段，作蒸發速率關于風速的散點關系圖，結果如圖4所示。

圖4 風速影響蒸發速率關系示意

由圖4可以看出，噴霧蒸發速率與風速近似呈線性正相關關系；風速由0 m/s增大到2.61 m/s，噴霧蒸發速率提高了約6.20倍。分析其機制是：風速增大，一方面減小液滴界面外水分子的濃度分布，濃度差增大使液相分子具有的飽和蒸汽壓力大于緊臨液面的蒸汽分壓力，壓差增大傳質；另一方面加強液滴四周邊界層的對流作用，加強水分子湍流擴散，因此蒸發速率增大。

3.4 環境溫度的影響

在試驗總數據中選擇濕度為(50±5)%、風速為0 m/s，而溫度不同的時間段，作蒸發速率關于溫度的散點關系圖，結果如圖5所示。

圖5 溫度影響蒸發速率關系示意

由圖5可以看出，噴霧蒸發速率隨溫度近似呈指數型正相關關系，溫度越高，蒸發速率增大越明顯；34.25 ℃時的蒸發速率是21.45 ℃時的1.74倍、10.65 ℃時的9.70倍。這是由于溫度升高分子動能增加，加劇了汽液界面處的分子運動，更多分子克服內聚力從液體表面逸出進入氣相空間，加快分子汽化；同時，溫差產生對流擴散，加水大分子擴散速度，因此蒸發速率增大。

3.5 環境濕度的影響

在試驗總數據中選擇溫度為(30±1)℃、風速為0 m/s，而濕度不同的時間段，作蒸發速率關于濕度的散點關系圖，結果如圖6所示。

圖6 濕度影響蒸發速率關系示意

由圖6可以看出，噴霧蒸發速率隨濕度近似呈線性負相關關系；相對濕度為26.95%的蒸發速率是93.3%時的13.80倍。內在機制是：濕度增大，氣相單位空間內水分子含量變大，導致氣液相濃差降低，傳質推動力減小，因此蒸發速率減慢。

表2 風吹損失對蒸發速率影響研究

注：1.霧滴尺寸，150 μm；擋板高于噴嘴高度，65 cm。2.試驗時風速范圍，0～2.60 m/s；平均風速， 1.03 m/s。3.試驗1～4為平行試驗。

3.6 各因素協同作用下單因素影響蒸發速率關系探究

擬合日蒸發速率與溫度、濕度、風速的散點關系圖，探究環境風速、溫度、濕度協同作用下的單因素影響權重，結果如圖7～9所示。

圖7 協同作用下風速影響蒸發速率關系示意

圖8 協同作用下溫度影響蒸發速率關系示意

圖9 協同作用下濕度影響蒸發速率關系示意

圖7顯示了噴霧蒸發速率隨風速升高而增大的趨勢，與前文結果一致；當風速較高時，噴霧蒸發速率隨著風速增大的規律較明顯；當風速較低時，噴霧蒸發速率均存在較高和較低情況。這說明大風時，風速是影響噴霧蒸發速率的決定因素；而微風時，風速并不是影響蒸發速率的主要因素。

圖8顯示了噴霧蒸發速率隨溫度升高而增大的趨勢，與前文結果一致；當溫度為10～15 ℃時，噴霧蒸發速率較小；而溫度較高時，噴霧蒸發速率均存在較高和較低情況。這說明溫度<15 ℃時，溫度是限制噴霧蒸發速率的主要因素，而高溫并不是影響噴霧蒸發速率的決定因素。

圖9顯示了噴霧蒸發速率隨濕度升高而減小的趨勢，與前文結果一致；當相對濕度為90%～100%時，噴霧蒸發速率均較小；而其余范圍的相對濕度下，噴霧蒸發速率均存在較高和較低情況。這說明相對濕度為90%～100%時，濕度是限制噴霧蒸發速率的主要因素，而其余情況下濕度并不是影響噴霧蒸發速率的決定因素。

3.7 風吹損失

由于液位、濕度、溫度、風速的瞬時性，室外試驗存在隨機誤差。可通過增大時間間隔、增加測量次數減小液位、溫度、濕度誤差，但風吹損失對蒸發速率的影響值得注意。通過蒸發池中增加擋板與未加擋板試驗對比，探究風吹損失對蒸發速率的影響，結果見表2。

由表2可得，試驗時風速范圍0～2.60 m/s，平均風速為1.03 m/s，有21.95%的機械霧化蒸發是風吹損失造成的；且當風速增大時，風吹損失將更多。風吹損失增大機械噴霧的處理量，但被風攜帶的濃鹽水一定程度上污染周邊環境，如土壤環境、大氣環境及植被。所以，在機械霧化蒸發應用中風吹損失值得注意，當水質差時應降低風吹損失或者提高水質。

3.8 機械霧化蒸發與自然霧化蒸發效果對比

根據式(10)計算單位小時、單位面積的蒸發速率(g/(h·m2))，鹽水密度按1 g/mL計算，由蒸發皿失重法計算自然蒸發速率，由蒸發池液位差計算機械霧化蒸發總速率，其差值為噴霧凈蒸發速率，取平均值。對比機械霧化蒸發與自然霧化蒸發效率見表3。

忽略風吹損失的情況下，由表3可知機械霧化蒸發速率是自然蒸發速率的1～3倍，由于噴頭流量量較小且為單噴頭試驗，實際有效噴霧范圍不到蒸發塘面積的1/4，因此機械霧化蒸發速率是自然蒸發速率的4～12倍。此外可以看出，蒸發效果最好的是最小噴霧粒徑70 μm，與前文結論一致。通過SEM表征蒸發產物的微觀形貌進一步對比噴霧蒸發與自然蒸發速率情況，如圖10～11所示。

表3 機械霧化蒸發速率

注：試驗1～4為平行試驗。

圖10 機械噴霧蒸發固態產物SEM圖

圖11 自然蒸發固態產物SEM圖

根據圖10、圖11觀察蒸發產物的微觀形貌結構，自然蒸發產物晶體多成塊狀，晶粒更規則，噴霧蒸發產物晶體結晶度較差、存在碎屑狀，晶粒多發生晶型畸變。根據晶體生長原理，自然蒸發的結晶質量好，證明了自然蒸發速率較慢[30]，而機械霧化蒸發速率快。

4 結論

(1)霧化顆粒越細，蒸發速率越快，當顆粒粒徑為500 μm以上時，降低顆粒粒徑，蒸發速率增加量較小。噴霧蒸發溶液鹽含量不同，蒸發速率具有較小差別，含鹽量越低，蒸發速率較大。

(2)噴霧蒸發速率與風速近似呈線性正相關關系；噴霧蒸發速率隨溫度近似呈指數型正相關關系；噴霧蒸發速率隨濕度近似呈線性負相關關系。大風氣象時，風速是影響噴霧蒸發速率的決定因素；溫度<15 ℃時，溫度是限制噴霧蒸發速率的主要因素；濕度>90%時，濕度是限制噴霧蒸發速率的主要因素，當濕度<90%時，濕度并不是影響噴霧蒸發速率的決定因素。

(3)試驗中機械霧化蒸發速率是自然蒸發速率的4～12倍。試驗中風速范圍為0～2.6 m/s，平均風速為1.03 m/s，有21.95%的機械霧化蒸發是風吹損失造成的；當風速增大，風吹損失將更多，實際運行中風吹損失問題值得注意，以免高含鹽水帶來污染。