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）

中國是以火力發(fā)電為主的國家，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)心如液滴蒸干等問題對電除塵可能潛在的危害而在工程上還未廣泛應(yīng)用，國外僅見美國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，對脫硫廢水的煙道蒸發(fā)過程進(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)動以及蒸發(fā)過程。在模型中，煙氣與廢水液滴之間的運(yùn)動、傳熱、傳質(zhì)過程通過流體連續(xù)性方程、動量方程和能量方程描述；而液滴的相變過程則通過帶液滴表面蒸發(fā)以及液滴沸騰的顆粒軌道模型來描述。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?；蛞旱蔚倪\(yùn)動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)，液滴的相變過程主要表現(xiàn)為液滴的蒸發(fā)過程，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。

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)，液滴的相變過程主要表現(xiàn)為液滴的沸騰過程，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的彎曲長煙道和連接除塵器2的直短煙道。該除塵器彎曲長煙道長度為28.5 m，直短煙道長度為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%；彎曲長煙道由于煙道較長，液滴在煙道中的停留時(shí)間較長，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煙道上；但由于其煙道結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要對噴嘴的安裝位置進(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）：

通過對這兩相關(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%，因此不會對除塵器的運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響。

隨著霧化液滴粒徑越來越小，霧化廢水液滴所需的能耗越來越大，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。

通過對數(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）直煙道流場較平穩(wěn)，但長度不足，在進(jìn)入靜電除塵器前不能完全蒸發(fā)；而彎曲長煙道長度足夠，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）由于有少量液滴會在完全蒸發(fā)前碰撞到煙道壁面，所以需要對煙道內(nèi)壁面采取防腐措施。

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（編輯歐陽雪梅）