脫硫廢水在含塵煙氣中噴霧蒸發(fā)試驗(yàn)研究

潘好偉，張 亮，李 偉，郜 寧，劉 寅，鄒 夢(mèng)

(1.新疆新能集團(tuán)有限責(zé)任公司 烏魯木齊電力建設(shè)調(diào)試所，新疆 烏魯木齊 830011；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司 電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)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(huì)產(chǎn)生大量脫硫廢水，廢水成分復(fù)雜，污染嚴(yán)重，不能直接外排，需要處理[1]。

脫硫廢水治理技術(shù)有多種[2-3]，其中蒸發(fā)結(jié)晶法和煙道蒸發(fā)法應(yīng)用較廣[4]。煙道蒸發(fā)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(fā)，蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)物在電除塵中被一并脫除。相比蒸發(fā)結(jié)晶法，煙道蒸發(fā)法的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)簡單，不需要增加專用蒸發(fā)設(shè)備，因此成本較低[5-6]；但該工藝可能存在廢水在煙道內(nèi)蒸發(fā)不完全或結(jié)晶物質(zhì)影響電除塵效率、導(dǎo)致煙道腐蝕等問題：因此，研究脫硫廢水霧滴在煙道內(nèi)的蒸發(fā)過程對(duì)該工藝的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有重要意義。

目前，針對(duì)脫硫廢水煙道蒸發(fā)技術(shù)，已研發(fā)出霧化專用噴頭[7-11]；采用Fluent軟件模擬煙道內(nèi)廢水液滴運(yùn)動(dòng)與蒸發(fā)過程研究了煙氣溫度、流速及霧滴粒徑、初始速度等因素對(duì)霧滴蒸發(fā)過程的影響[9,12-14]；研發(fā)出噴霧實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可采用霧滴激光粒度儀研究噴嘴空氣壓力、水流量、風(fēng)溫等對(duì)空氣霧化噴嘴霧化效果、蒸發(fā)特性的影響[15]；模仿煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出煙道噴霧蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可用于研究噴嘴安裝位置、煙氣溫度及流速等對(duì)液滴完全蒸發(fā)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(shí)際煙氣，無論是模擬還是試驗(yàn)，多不考慮煙氣中的高濃度飛灰對(duì)脫硫廢水噴霧蒸發(fā)可能存在的影響；而且，已有的對(duì)飛灰與液滴相互影響的研究[16-17]主要采用數(shù)值模擬法[16]，而關(guān)于飛灰對(duì)噴霧蒸發(fā)過程的影響目前尚未見有報(bào)道。

試驗(yàn)通過搭建噴霧蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用螺旋給粉機(jī)將飛灰注入空氣中模擬含灰煙氣，重點(diǎn)研究飛灰對(duì)噴霧蒸發(fā)過程的影響，并建立液滴蒸發(fā)模型以解釋各因素對(duì)噴霧蒸發(fā)的影響機(jī)制，以求了解真實(shí)煙道內(nèi)霧滴的蒸發(fā)過程及指導(dǎo)脫硫廢水噴霧蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。模擬煙道為不銹鋼圓筒，內(nèi)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(jī)提供，液體由水泵提供并由浮子流量計(jì)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(zhì)。用空氣代替煙氣，由風(fēng)機(jī)為系統(tǒng)提供空氣，流量由氣體渦輪流量計(jì)測定。空氣流經(jīng)電熱絲被加熱，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(jī)送入風(fēng)道，給粉機(jī)輸送煤灰的速度與轉(zhuǎn)速成正比，范圍為0.1～1.0 g/s。流經(jīng)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(fā)實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意

霧滴完全蒸發(fā)距離是設(shè)計(jì)噴霧系統(tǒng)的重要參數(shù)。為了測定煙道內(nèi)液滴的完全蒸發(fā)距離，實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用“測溫法”(如圖1所示)在噴嘴后每隔20 cm布置1個(gè)熱電偶測點(diǎn)(共10個(gè)，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(gè)測點(diǎn)溫差反映霧滴的蒸發(fā)進(jìn)程。霧滴蒸發(fā)過程中吸收大量熱量，相應(yīng)位置的煙氣溫度降低，相鄰測點(diǎn)間產(chǎn)生溫差，當(dāng)某相鄰溫度測點(diǎn)的溫差較小時(shí)，說明霧滴在此之前已經(jīng)蒸發(fā)[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(fā)的判據(jù)。

Δt≤2Δtd。

(1)

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

需要說明的是，煙道內(nèi)的霧滴蒸發(fā)是一個(gè)漸進(jìn)過程，并不存在絕對(duì)的完全蒸發(fā)界面，因此，根據(jù)上述方法得到的完全蒸發(fā)距離僅用于本試驗(yàn)對(duì)比不同工況下液滴蒸發(fā)的相對(duì)速度的快慢。

試驗(yàn)首先測定相應(yīng)工況下不噴霧時(shí)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(fā)距離。每次測量前系統(tǒng)運(yùn)行30 min，使系統(tǒng)溫度充分穩(wěn)定。試驗(yàn)中多次測定取平均值以降低測定誤差。

試驗(yàn)所采用的脫硫廢水和飛灰均采自某600 MW燃煤機(jī)組。廢水經(jīng)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(xì)灰為主。試驗(yàn)前，將煤灰在120 ℃干燥箱內(nèi)干燥1 h。

為分析脫硫廢水噴霧蒸發(fā)過程對(duì)電除塵可能產(chǎn)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(yàn)用脫硫廢水組成 mg/L

2 模型分析

為分析煙道內(nèi)霧滴蒸發(fā)過程各因素影響機(jī)制，建立了煙道霧滴蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)模型。首先，假設(shè)霧滴與煙氣間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)液滴蒸發(fā)理論[18]，有

(2)

式中：ds—霧滴直徑，m；λ—煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λs—液滴導(dǎo)熱系數(shù)，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(shí)間，s。

將上式分離變量并積分得霧滴完全蒸發(fā)時(shí)間

(3)

式中：d0—液滴初始直徑，m；k1—蒸發(fā)速度因子。

(4)

(5)

式中：Sc—施密特?cái)?shù)；Re—雷諾數(shù)。

(6)

(7)

式中：d—液滴直徑，m；ν—煙氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；w—液滴相對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)速度，m/s；D—二元擴(kuò)散系數(shù)。D的計(jì)算公式為

(8)

式中：p—環(huán)境氣體壓力1.013×105Pa；VA—介質(zhì)A擴(kuò)散容積；VB—介質(zhì)B擴(kuò)散容積；MA—介質(zhì)A摩爾質(zhì)量，g/mol；MB—介質(zhì)B摩爾質(zhì)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(fā)的理論模型。當(dāng)煙氣中存在灰塵時(shí)，液滴將受到飛灰顆粒的碰撞等作用，使其蒸發(fā)變?yōu)橐粋€(gè)復(fù)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(duì)液滴蒸發(fā)的影響趨勢(shì)，基于一定分析也能定性解釋灰塵對(duì)液滴蒸發(fā)速度的影響，因此仍然存在參考價(jià)值。結(jié)合試驗(yàn)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(duì)脫硫廢水液滴蒸發(fā)速度的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 飛灰質(zhì)量濃度對(duì)霧滴蒸發(fā)的影響

煙氣溫度120 ℃，流動(dòng)速度0.8 m/s，飛灰質(zhì)量濃度18 g/m3。不噴霧及噴霧流量為12 mL/min、無灰和飛灰質(zhì)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(shí)，煙氣溫度由入口處的120.0 ℃降到第10個(gè)測點(diǎn)處的118.0 ℃，總溫降2.0 ℃，則相鄰溫度測點(diǎn)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。基于公式(1)和Δtd=0.2 ℃，可以得到無飛灰時(shí)的霧滴完全蒸發(fā)距離為1.6 m，而飛灰質(zhì)量濃度為18 g/m3時(shí)霧滴完全蒸發(fā)距離縮短為1.2 m。可見，飛灰的存在顯著加快霧滴的蒸發(fā)速度。

所建立的模型可定性解釋飛灰顆粒加速液滴蒸發(fā)的原因。已有研究[16]表明，煙道內(nèi)霧滴會(huì)與飛灰顆粒發(fā)生碰撞。霧滴與灰粒的碰撞有2種結(jié)果：一種是霧滴破碎，使霧滴初始粒徑減小，根據(jù)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(fā)時(shí)間，加快霧滴蒸發(fā)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(fā)速度也會(huì)加快。

飛灰質(zhì)量濃度對(duì)霧滴蒸發(fā)速度的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 飛灰質(zhì)量濃度對(duì)霧滴完全蒸發(fā)距離的影響

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

飛灰對(duì)霧滴的蒸發(fā)有顯著影響，因此，研究脫硫廢水在煙道內(nèi)噴霧蒸發(fā)過程時(shí)不應(yīng)忽略飛灰的作用，所以，后續(xù)試驗(yàn)均在含飛灰條件下進(jìn)行。

3.2 煙氣流動(dòng)速度對(duì)霧滴蒸發(fā)的影響

鍋爐負(fù)荷變化導(dǎo)致煙氣流動(dòng)速度發(fā)生變化。煙氣流動(dòng)速度對(duì)噴霧蒸發(fā)的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。煙氣溫度120 ℃,飛灰質(zhì)量濃度18 g/m3，噴霧流量12 mL/min。

圖4 煙氣流動(dòng)速度對(duì)霧滴蒸發(fā)的影響

由圖4看出：噴霧完全蒸發(fā)距離隨煙氣流動(dòng)速度加快而顯著增加，由0.4 m/s時(shí)的0.8 m增加到1 m/s時(shí)的1.6 m。計(jì)算液滴的完全蒸發(fā)時(shí)間，0.4 m/s煙氣流動(dòng)速度時(shí)需要2 s蒸發(fā)完畢，而煙氣流動(dòng)速度1 m/s時(shí)僅需1.6 s即蒸發(fā)完畢，可見，高煙氣流動(dòng)速度使得實(shí)際蒸發(fā)時(shí)間縮短，蒸發(fā)速度加快。

但是，煙氣流速增加也會(huì)加快霧滴移動(dòng)速度。試驗(yàn)結(jié)果表明，煙氣流動(dòng)速度的增加縮短了完全蒸發(fā)時(shí)間，但卻導(dǎo)致霧滴完全蒸發(fā)距離增大。可見，在實(shí)際脫硫廢水煙道蒸發(fā)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮煙氣流動(dòng)速度對(duì)霧滴完全蒸發(fā)距離的影響。

3.3 煙氣溫度對(duì)霧滴蒸發(fā)的影響

不同大小的機(jī)組有不同的排煙溫度，一般在110～140 ℃范圍內(nèi)。煙氣溫度對(duì)霧滴蒸發(fā)的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。噴霧流量12 mL/min，煙氣流動(dòng)速度0.8 m/s，飛灰質(zhì)量濃度為18 g/m3。

圖5 煙氣溫度對(duì)霧滴蒸發(fā)的影響

由圖5看出，隨煙氣溫度升高，霧滴完全蒸發(fā)距離顯著縮短，二者之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。煙氣溫度主要影響霧滴的吸熱和蒸發(fā)速度，高溫?zé)煔馐挂簯B(tài)霧滴更快地升溫、汽化，從而縮短完全蒸發(fā)距離。這一點(diǎn)由公式(4)能夠定量證明，霧滴蒸發(fā)速度因子k1與煙氣-霧滴溫差(T-Ts)正相關(guān)，霧滴蒸發(fā)過程中，煙氣溫度越高則T-Ts越大，k1越大，蒸發(fā)速度越快。

鍋爐的負(fù)荷會(huì)影響排煙溫度，低負(fù)荷下鍋爐排煙溫度一般較低，以某600 MW機(jī)組為例，50%負(fù)荷的排煙溫度為98.3 ℃，比100%負(fù)荷下(112.8 ℃)低15 ℃左右，如果僅從低負(fù)荷排煙溫度降低上看，低負(fù)荷下霧滴的完全蒸發(fā)距離會(huì)變大，但由于低負(fù)荷下煙氣流動(dòng)速度也會(huì)大幅下降，根據(jù)圖5可知，煙氣流動(dòng)速度降低則會(huì)縮短霧滴完全蒸發(fā)距離。因此，設(shè)計(jì)中計(jì)算脫硫廢水霧滴完全蒸發(fā)距離時(shí)，應(yīng)綜合考慮不同負(fù)荷下的煙氣溫度、流動(dòng)速度的影響。

3.4 噴霧流量對(duì)霧滴蒸發(fā)的影響

不同脫硫廢水預(yù)處理工藝產(chǎn)生的最終廢水流量有所差異，因此最終需要進(jìn)行煙道噴霧蒸發(fā)處理的廢水流量也可能是變化的。噴霧流量(對(duì)應(yīng)600 MW鍋爐約7～28 t/h脫硫廢水)對(duì)霧滴蒸發(fā)的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。煙氣流動(dòng)速度0.8 m/s，溫度120 ℃，飛灰質(zhì)量濃度為18 g/m3。

圖6 噴霧流量對(duì)霧滴蒸發(fā)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(fā)距離顯著增加，二者之間近似呈正向線性關(guān)系。這一規(guī)律與張?zhí)扃萚11]的研究結(jié)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(hào)熱電偶)與噴霧流量之間的變化關(guān)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(guān)系。根據(jù)擬合公式，當(dāng)噴霧流量為5.33 mL/min時(shí)，煙道出口煙氣溫度比不噴霧時(shí)約下降10 ℃。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)滿負(fù)荷運(yùn)行600 MW鍋爐，煙道噴霧流量達(dá)10 t/h時(shí)煙氣溫度也會(huì)下降約10 ℃，降幅明顯。噴霧流量增加會(huì)提高煙氣水蒸氣濃度，從而提高煙氣的酸露點(diǎn)[19]，而噴霧流量增加導(dǎo)致的煙氣溫度降低會(huì)進(jìn)一步加劇煙道酸性氣體結(jié)露的可能性，因此在進(jìn)行脫硫廢水煙氣噴霧蒸發(fā)的設(shè)計(jì)時(shí)，煙道低溫腐蝕是必須考慮的問題。

3.5 噴霧流量對(duì)飛灰比電阻的影響

在脫硫廢水噴霧蒸發(fā)工藝中，廢水中含有的各種鹽類物質(zhì)會(huì)混入飛灰中，從而可能改變飛灰的物理特性。重要參數(shù)之一是飛灰比電阻，該參數(shù)影響電除塵器捕集飛灰的效率。為了分析脫硫廢水噴霧對(duì)飛灰比電阻的影響，從實(shí)驗(yàn)臺(tái)尾部的布袋除塵器內(nèi)采集了不同噴霧流量下的飛灰，并進(jìn)行比電阻測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。溫度120 ℃，煙氣流動(dòng)速度0.8 m/s，飛灰質(zhì)量濃度為18 g/m3。

圖8 噴霧流量對(duì)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(shì)。噴霧流量增加后，飛灰中混入的脫硫廢水結(jié)晶產(chǎn)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(dǎo)致噴霧流量增加時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(jié)晶鹽混入飛灰對(duì)電除塵效率的影響不大[21]。

但需要指出的是，本試驗(yàn)飛灰比電阻是將飛灰從煙道內(nèi)取出，在室溫下進(jìn)行離線測量得到，工程實(shí)際中廢水噴霧對(duì)煙道內(nèi)煙氣濕度和飛灰溫度產(chǎn)生影響并進(jìn)一步導(dǎo)致飛灰比電阻的變化，還需要更深入的研究。

4 結(jié)論

采用噴霧蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，考察了含塵煙氣中飛灰質(zhì)量濃度、煙氣溫度和速度、噴霧流量等因素對(duì)脫硫廢水蒸發(fā)的影響；建立了液滴蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)模型，并采用該模型揭示主要試驗(yàn)因素的影響機(jī)制。結(jié)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(fā)速度，且飛灰質(zhì)量濃度越高霧滴完全蒸發(fā)距離越短；煙氣流動(dòng)速度增大會(huì)加大霧滴表面的流動(dòng)雷諾數(shù)，促使液滴蒸發(fā)傳質(zhì)速度加快，但由于霧滴移動(dòng)速度也加快，最終完全蒸發(fā)距離增加；煙氣溫度升高會(huì)增大煙氣-霧滴的溫差，提高霧滴蒸發(fā)速度因子，降低完全蒸發(fā)距離；霧滴完全蒸發(fā)距離隨噴霧流量增加而增加，同時(shí)煙道出口溫度隨噴霧流量增加而降低；脫硫廢水噴霧蒸發(fā)后的飛灰比電阻隨噴霧流量增加而略有升高。