燃煤電廠煙氣環(huán)境下脫硫廢水液滴蒸發(fā)特性的研究

摘要：通過(guò)理論分析和數(shù)學(xué)模型研究了煙道噴霧蒸發(fā)技術(shù)脫硫廢水液滴在煙氣環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)、受熱和蒸發(fā)過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)特性，考察了煙氣速度、溫度和液滴粒徑等對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：煙氣速度越大，液滴初速度對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響越?。粴庖撼跏枷鄬?duì)速度越大，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間越短；煙氣溫度是影響廢水蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù)，在不影響鍋爐效率的前提下適當(dāng)提高鍋爐尾部煙氣溫度有利于噴霧蒸發(fā)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。在本文研究的煙氣環(huán)境和液滴條件下，液滴無(wú)量綱完全蒸發(fā)時(shí)間與煙氣溫度呈指數(shù)遞減關(guān)系。

關(guān)鍵詞：脫硫廢水零排放；噴霧蒸發(fā)技術(shù)；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(xué)處理方法，但化學(xué)方法處理不僅成本較高，并且無(wú)法去除廢水含有的高濃度Cl-。近年來(lái)，利用鍋爐尾部煙氣對(duì)脫硫廢水進(jìn)行噴霧蒸發(fā)處理逐漸受到關(guān)注，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的專(zhuān)利也有不少。該處理方法是將脫硫廢水通過(guò)噴嘴霧化噴入空氣預(yù)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(lèi)以固體顆粒形式和煙灰一起進(jìn)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(shí)間內(nèi)完全蒸發(fā)，否則未完全蒸發(fā)的液滴會(huì)對(duì)煙道和除塵器產(chǎn)生腐蝕。因此，本文針對(duì)噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題，即液滴完全蒸發(fā)時(shí)間進(jìn)行了研究。首先研究了噴霧蒸發(fā)技術(shù)中的煙氣環(huán)境，對(duì)液滴在其中的運(yùn)動(dòng)以及受熱和蒸發(fā)過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析了煙氣速度和溫度、液滴粒徑和初速度等對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)火電廠脫硫廢水霧化液滴在鍋爐尾部煙道大空間內(nèi)低溫低速煙氣中的蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值研究，煙氣和液滴的溫度參數(shù)都取自某電廠單臺(tái)300MW機(jī)組的數(shù)據(jù)，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(jù)AggarwalS等的研究結(jié)果，在大氣環(huán)境下單組份替代液滴可以在很寬的范圍內(nèi)模擬兩組份液滴的蒸發(fā)過(guò)程，煙氣環(huán)境與大氣環(huán)境非常相近，廢水液滴由微米級(jí)細(xì)小固體顆粒和水組成，廢水液滴在受熱過(guò)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(jìn)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(kuò)展為-20m/s～20m/s，煙氣溫度研究范圍擴(kuò)展為393K～453K，研究了煙氣速度和溫度對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響。表1為溫度在393K～453K時(shí)煙氣及323K時(shí)水液滴的具體物性參數(shù)。表2為特定溫度環(huán)境下，不同煙氣速度對(duì)液滴蒸發(fā)特性影響的具體計(jì)算工況。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣速度對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響

2.1.1 煙氣速度對(duì)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(shí)間的變化。從圖中可以看出，液滴經(jīng)歷了速度減小的過(guò)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(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響越小，液滴速度越容易達(dá)到煙氣速度，液滴達(dá)到煙氣速度所需時(shí)間越短。圖中煙氣速度為20m/s時(shí)液滴達(dá)到煙氣速度比煙氣速度為10m/s時(shí)所需時(shí)間短。因?yàn)橐旱瓮蝗贿M(jìn)入有相對(duì)速度的煙氣環(huán)境中時(shí)，受到阻力和重力的影響，速度會(huì)逐漸減小，并且煙氣流速越大，液滴質(zhì)量越小，液滴受阻力的影響越明顯，所以液滴速度越容易達(dá)到煙氣速度。

2.1.2 煙氣速度對(duì)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(guò)程中液滴平均直徑隨時(shí)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(shí)間內(nèi)液滴粒徑隨時(shí)間沒(méi)有發(fā)生變化，大約在0.006秒后粒徑隨時(shí)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(duì)液滴完全蒸發(fā)時(shí)間的影響很小。

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

因?yàn)橐旱沃糜谟邢鄬?duì)速度的氣體環(huán)境中時(shí)，受阻力影響，速度逐漸減小，在很短的時(shí)間內(nèi)液滴運(yùn)動(dòng)速度就達(dá)到煙氣流速。此時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流減弱，蒸發(fā)常數(shù)減小，液滴表面的蒸汽壓成為傳質(zhì)的蒸汽推動(dòng)力，決定著蒸發(fā)的速率，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)控制著液滴蒸發(fā)的快慢，所以對(duì)于初始直徑和速度一定的液滴，煙氣速度的改變對(duì)液滴完全蒸發(fā)時(shí)間的影響很小。a圖中線(xiàn)(5)是氣液相對(duì)速度為50m/s時(shí)采用非平衡蒸發(fā)方法計(jì)算的結(jié)果，線(xiàn)(1)～(4)是文中采用平衡蒸發(fā)方法計(jì)算的結(jié)果。由上述的分析可知，氣液初始相對(duì)速度對(duì)液滴完全蒸發(fā)時(shí)間的影響很小，所以認(rèn)為線(xiàn)(5)與線(xiàn)(1)～(4)具有可比性。從圖中可以看出，線(xiàn)(5)與線(xiàn)(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(shí)間的變化趨勢(shì)存在一定差異，因?yàn)榉瞧胶庹舭l(fā)計(jì)算方法認(rèn)為，液滴直徑減小到很小時(shí)蒸發(fā)速率和蒸汽擴(kuò)散速度為有限值。文中的平衡蒸發(fā)計(jì)算方法認(rèn)為，液滴直徑減小到很小時(shí)蒸發(fā)速率和蒸汽擴(kuò)散速度為無(wú)限值。為了詳細(xì)了解線(xiàn)(5)與線(xiàn)(1)～(4)數(shù)據(jù)的差異，采用加權(quán)平均方法計(jì)算了線(xiàn)(5)與線(xiàn)(1)～(4)數(shù)據(jù)的定量差異，差異為1.27E-4，說(shuō)明本文計(jì)算結(jié)果與計(jì)算結(jié)果區(qū)別較小，可以認(rèn)為在合理范圍之內(nèi)。

2.2 煙氣溫度對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響

2.2.1 煙氣溫度對(duì)液滴溫度的影響

對(duì)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(jìn)行了研究，因?yàn)闊煔鉁囟拳h(huán)境的改變對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響甚微，所以針對(duì)粒徑為50μm的液滴，僅詳細(xì)分析了煙氣溫度對(duì)液滴蒸發(fā)過(guò)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(duì)不同粒徑液滴完全蒸發(fā)時(shí)間的影響。具體計(jì)算工況見(jiàn)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(shí)間的變化。從圖3可以看出，液滴進(jìn)入溫度較高的煙氣環(huán)境中時(shí)，運(yùn)動(dòng)較短的時(shí)間就達(dá)到臨界蒸發(fā)溫度，并且蒸發(fā)結(jié)束的時(shí)間也較短。因?yàn)闊煔馀c液滴之間溫差越大，煙氣對(duì)液滴的傳熱量越強(qiáng)，液滴達(dá)到同樣的溫度越容易，需要的時(shí)間越短。圖中點(diǎn)1～4分別表示液滴在不同溫度煙氣環(huán)境中蒸發(fā)過(guò)程的結(jié)束。

2.2.2 煙氣溫度對(duì)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(guò)程中液滴平均直徑隨時(shí)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(shí)間變化的速率不同，煙氣溫度越高，液滴直徑隨時(shí)間變化率越大，完全蒸發(fā)時(shí)間越短。從圖4可見(jiàn)，液滴在溫度為433K煙氣中的完全蒸發(fā)時(shí)間大約是溫度為453K煙氣中完全蒸發(fā)時(shí)間的1.5倍。在溫度為393K煙氣中液滴完全蒸發(fā)時(shí)間大約是溫度為413K煙氣中液滴完全蒸發(fā)時(shí)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(shí)，液滴在其中的完全蒸發(fā)時(shí)間按不同的倍數(shù)在增加。

為了更加清楚地了解煙氣溫度對(duì)液滴完全蒸發(fā)時(shí)間的影響，分別對(duì)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(guò)程進(jìn)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(shí)間tp393K作為基準(zhǔn)，定義tp/tp393K為無(wú)量綱完全蒸發(fā)時(shí)間，理論計(jì)算為式1。圖5為液滴無(wú)量綱完全蒸發(fā)時(shí)間隨煙氣溫度的變化。從圖5可知，三種直徑不同的液滴無(wú)量綱完全蒸發(fā)時(shí)間隨煙氣溫度的變化規(guī)律非常相似，都呈指數(shù)規(guī)律遞減。對(duì)于研究的液滴，無(wú)量綱完全蒸發(fā)時(shí)間隨煙氣溫度的遞減規(guī)律為式1：

3 結(jié)論

文章對(duì)噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題，即液滴完全蒸發(fā)時(shí)間進(jìn)行了研究。首先針對(duì)噴霧蒸發(fā)技術(shù)中的煙氣環(huán)境，對(duì)液滴在其中的運(yùn)動(dòng)以及受熱和蒸發(fā)過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行了理論分析，并建立了數(shù)學(xué)模型。然后，分析了煙氣速度和溫度、液滴粒徑和初速度等對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響，獲得了以下結(jié)論：

（1）氣相速度越大，液滴初速度對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響越小，液滴速度越容易達(dá)到氣相速度。

（2）對(duì)于初始直徑和速度一定的液滴，氣液初始相對(duì)速度越大，液滴達(dá)到臨界蒸發(fā)溫度所需的時(shí)間越短，完全蒸發(fā)時(shí)間也越短。但是，在文中研究的范圍內(nèi)，整體上氣相速度的改變對(duì)液滴完全蒸發(fā)時(shí)間的影響很小。因此，調(diào)整氣液相對(duì)初速度對(duì)噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)作用不大。

（3）對(duì)于噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)，氣相溫度環(huán)境的改變對(duì)液滴達(dá)到臨界蒸發(fā)溫度的時(shí)間以及完全蒸發(fā)時(shí)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(shí)，液滴在煙氣中的完全蒸發(fā)時(shí)間按不同的倍數(shù)在增加，煙氣溫度越低，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間增加的越多。因此，在不影響鍋爐效率的情況下適當(dāng)?shù)靥岣咤仩t尾部煙氣溫度有利于噴霧蒸發(fā)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

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