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摘要：通過理論分析和數學模型研究了煙道噴霧蒸發(fā)技術脫硫廢水液滴在煙氣環(huán)境中的運動、受熱和蒸發(fā)過程中的傳熱傳質特性，考察了煙氣速度、溫度和液滴粒徑等對液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。結果表明：煙氣速度越大，液滴初速度對液滴運動速度的影響越??；氣液初始相對速度越大，液滴完全蒸發(fā)時間越短；煙氣溫度是影響廢水蒸發(fā)時間的關鍵參數，在不影響鍋爐效率的前提下適當提高鍋爐尾部煙氣溫度有利于噴霧蒸發(fā)技術的實現(xiàn)。在本文研究的煙氣環(huán)境和液滴條件下，液滴無量綱完全蒸發(fā)時間與煙氣溫度呈指數遞減關系。

關鍵詞：脫硫廢水零排放；噴霧蒸發(fā)技術；液滴蒸發(fā)特性

0引言

目前燃煤電廠脫硫廢水的處理主要采用傳統(tǒng)的化學處理方法，但化學方法處理不僅成本較高，并且無法去除廢水含有的高濃度Cl-。近年來，利用鍋爐尾部煙氣對脫硫廢水進行噴霧蒸發(fā)處理逐漸受到關注，國內外相關的專利也有不少。該處理方法是將脫硫廢水通過噴嘴霧化噴入空氣預熱器和電除塵器之間的煙道，利用煙氣熱量蒸發(fā)水分，廢水中溶解的金屬鹽類以固體顆粒形式和煙灰一起進入電除塵器，被電極捕捉后隨灰一起排出。但這種方法中脫硫廢水的微小液滴噴入煙氣流后，必須在盡量短的時間內完全蒸發(fā)，否則未完全蒸發(fā)的液滴會對煙道和除塵器產生腐蝕。因此，本文針對噴霧蒸發(fā)處理技術中的關鍵問題，即液滴完全蒸發(fā)時間進行了研究。首先研究了噴霧蒸發(fā)技術中的煙氣環(huán)境，對液滴在其中的運動以及受熱和蒸發(fā)過程中的傳熱傳質特性進行了理論分析，并通過建立相應的數學模型，分析了煙氣速度和溫度、液滴粒徑和初速度等對液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。

1實驗內容

針對火電廠脫硫廢水霧化液滴在鍋爐尾部煙道大空間內低溫低速煙氣中的蒸發(fā)過程進行數值研究，煙氣和液滴的溫度參數都取自某電廠單臺300MW機組的數據，其中煙氣溫度為煙道中除塵器前煙氣溫度433K，流速10m/s，脫硫廢水溫度為廢水排放溫度323K。根據AggarwalS等的研究結果，在大氣環(huán)境下單組份替代液滴可以在很寬的范圍內模擬兩組份液滴的蒸發(fā)過程，煙氣環(huán)境與大氣環(huán)境非常相近，廢水液滴由微米級細小固體顆粒和水組成，廢水液滴在受熱過程中只有組份水的蒸發(fā)，所以用水液滴作為火電廠脫硫廢水溶液液滴的替代進行研究。鍋爐尾部煙氣流速和溫度受鍋爐燃燒狀態(tài)等一系列因素的影響，所以文中將煙氣速度研究范圍擴展為-20m/s～20m/s，煙氣溫度研究范圍擴展為393K～453K，研究了煙氣速度和溫度對液滴蒸發(fā)特性的影響。表1為溫度在393K～453K時煙氣及323K時水液滴的具體物性參數。表2為特定溫度環(huán)境下，不同煙氣速度對液滴蒸發(fā)特性影響的具體計算工況。

2結果與討論

2.1煙氣速度對液滴蒸發(fā)特性的影響

2.1.1煙氣速度對液滴速度的影響

圖1為直徑50μm、速度50m/s的水液滴在不同煙氣速度下液滴速度隨時間的變化。從圖中可以看出，液滴經歷了速度減小的過程，直到衰減為與煙氣流速相等。煙氣流速越大，液滴初速度對液滴運動速度的影響越小，液滴速度越容易達到煙氣速度，液滴達到煙氣速度所需時間越短。圖中煙氣速度為20m/s時液滴達到煙氣速度比煙氣速度為10m/s時所需時間短。因為液滴突然進入有相對速度的煙氣環(huán)境中時，受到阻力和重力的影響，速度會逐漸減小，并且煙氣流速越大，液滴質量越小，液滴受阻力的影響越明顯，所以液滴速度越容易達到煙氣速度。

2.1.2煙氣速度對液滴平均直徑的影響

圖2為直徑50μm、速度50m/s的水液滴在不同煙氣速度環(huán)境下蒸發(fā)過程中液滴平均直徑隨時間的變化，其中a圖是整體圖，b圖是a圖的局部放大。從a圖可知，在初始的一段時間內液滴粒徑隨時間沒有發(fā)生變化，大約在0.006秒后粒徑隨時間逐漸減小，直到為零。

從a圖還可得出，初始直徑和速度一定的液滴，煙氣速度的改變對液滴完全蒸發(fā)時間的影響很小。

從b圖可知，四種工況下完全蒸發(fā)時間的差異在0.025秒范圍內，即液滴初始直徑和速度一定的條件下，氣液相對初速度對液滴完全蒸發(fā)時間的影響很小。

因為液滴置于有相對速度的氣體環(huán)境中時，受阻力影響，速度逐漸減小，在很短的時間內液滴運動速度就達到煙氣流速。此時，強制對流減弱，蒸發(fā)常數減小，液滴表面的蒸汽壓成為傳質的蒸汽推動力，決定著蒸發(fā)的速率，在相當長時間內控制著液滴蒸發(fā)的快慢，所以對于初始直徑和速度一定的液滴，煙氣速度的改變對液滴完全蒸發(fā)時間的影響很小。a圖中線(5)是氣液相對速度為50m/s時采用非平衡蒸發(fā)方法計算的結果，線(1)～(4)是文中采用平衡蒸發(fā)方法計算的結果。由上述的分析可知，氣液初始相對速度對液滴完全蒸發(fā)時間的影響很小，所以認為線(5)與線(1)～(4)具有可比性。從圖中可以看出，線(5)與線(1)～(4)整體上吻合較好，但是隨著液滴直徑的逐漸減小，直徑隨時間的變化趨勢存在一定差異，因為非平衡蒸發(fā)計算方法認為，液滴直徑減小到很小時蒸發(fā)速率和蒸汽擴散速度為有限值。文中的平衡蒸發(fā)計算方法認為，液滴直徑減小到很小時蒸發(fā)速率和蒸汽擴散速度為無限值。為了詳細了解線(5)與線(1)～(4)數據的差異，采用加權平均方法計算了線(5)與線(1)～(4)數據的定量差異，差異為1.27E-4，說明本文計算結果與計算結果區(qū)別較小，可以認為在合理范圍之內。

2.2煙氣溫度對液滴蒸發(fā)特性的影響

2.2.1煙氣溫度對液滴溫度的影響

對不同粒徑液滴分別在不同溫度煙氣環(huán)境下的蒸發(fā)特性進行了研究，因為煙氣溫度環(huán)境的改變對液滴運動速度的影響甚微，所以針對粒徑為50μm的液滴，僅詳細分析了煙氣溫度對液滴蒸發(fā)過程中液滴平均溫度和直徑變化的影響，最后分析了煙氣溫度對不同粒徑液滴完全蒸發(fā)時間的影響。具體計算工況見表3。

圖3為直徑50μm、速度50m/s的水液滴在不同溫度煙氣環(huán)境中液滴平均溫度隨時間的變化。從圖3可以看出，液滴進入溫度較高的煙氣環(huán)境中時，運動較短的時間就達到臨界蒸發(fā)溫度，并且蒸發(fā)結束的時間也較短。因為煙氣與液滴之間溫差越大，煙氣對液滴的傳熱量越強，液滴達到同樣的溫度越容易，需要的時間越短。圖中點1～4分別表示液滴在不同溫度煙氣環(huán)境中蒸發(fā)過程的結束。

2.2.2煙氣溫度對液滴平均直徑的影響

圖4為直徑50μm、速度50m/s的水液滴在不同溫度煙氣環(huán)境下蒸發(fā)過程中液滴平均直徑隨時間的變化。從圖4可知，在不同溫度的煙氣環(huán)境中，液滴直徑隨時間變化的速率不同，煙氣溫度越高，液滴直徑隨時間變化率越大，完全蒸發(fā)時間越短。從圖4可見，液滴在溫度為433K煙氣中的完全蒸發(fā)時間大約是溫度為453K煙氣中完全蒸發(fā)時間的1.5倍。在溫度為393K煙氣中液滴完全蒸發(fā)時間大約是溫度為413K煙氣中液滴完全蒸發(fā)時間的兩倍。由此可知，煙氣從較高溫度與從較低溫度下降相同幅度時，液滴在其中的完全蒸發(fā)時間按不同的倍數在增加。

為了更加清楚地了解煙氣溫度對液滴完全蒸發(fā)時間的影響，分別對直徑20μm、50μm和80μm，速度50m/s的液滴在溫度為393K、413K、433K和453K，速度10m/s煙氣環(huán)境中的蒸發(fā)過程進行了研究，并且以溫度393K煙氣環(huán)境中液滴的完全蒸發(fā)時間tp393K作為基準，定義tp/tp393K為無量綱完全蒸發(fā)時間，理論計算為式1。圖5為液滴無量綱完全蒸發(fā)時間隨煙氣溫度的變化。從圖5可知，三種直徑不同的液滴無量綱完全蒸發(fā)時間隨煙氣溫度的變化規(guī)律非常相似，都呈指數規(guī)律遞減。對于研究的液滴，無量綱完全蒸發(fā)時間隨煙氣溫度的遞減規(guī)律為式1：

3結論

文章對噴霧蒸發(fā)處理技術中的關鍵問題，即液滴完全蒸發(fā)時間進行了研究。首先針對噴霧蒸發(fā)技術中的煙氣環(huán)境，對液滴在其中的運動以及受熱和蒸發(fā)過程中的傳熱傳質特性進行了理論分析，并建立了數學模型。然后，分析了煙氣速度和溫度、液滴粒徑和初速度等對液滴蒸發(fā)特性的影響，獲得了以下結論：

（1）氣相速度越大，液滴初速度對液滴運動速度的影響越小，液滴速度越容易達到氣相速度。

（2）對于初始直徑和速度一定的液滴，氣液初始相對速度越大，液滴達到臨界蒸發(fā)溫度所需的時間越短，完全蒸發(fā)時間也越短。但是，在文中研究的范圍內，整體上氣相速度的改變對液滴完全蒸發(fā)時間的影響很小。因此，調整氣液相對初速度對噴霧蒸發(fā)處理技術的實現(xiàn)作用不大。

（3）對于噴霧蒸發(fā)處理技術，氣相溫度環(huán)境的改變對液滴達到臨界蒸發(fā)溫度的時間以及完全蒸發(fā)時間的影響很大。煙氣從較高溫度與從較低溫度分別下降相同幅度溫度時，液滴在煙氣中的完全蒸發(fā)時間按不同的倍數在增加，煙氣溫度越低，液滴完全蒸發(fā)時間增加的越多。因此，在不影響鍋爐效率的情況下適當地提高鍋爐尾部煙氣溫度有利于噴霧蒸發(fā)技術的實現(xiàn)。

（4）對于文中噴霧蒸發(fā)處理技術中研究的煙氣環(huán)境和液滴，液滴無量綱完全蒸發(fā)時間隨煙氣溫度的增加呈指數規(guī)律遞減，具體表現(xiàn)為式1。

本文來源《能源環(huán)境保護》2019年

作者簡介：秦福初，男，重慶人，高級工程師，碩士。