常溫噴霧蒸發(fā)處理含鹽水蒸發(fā)特性研究

趙保華，高然，溫佳琪，易祖耀，韓征飛

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046；2.華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)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(jì))高于3.5%的溶液，主要來源于海水淡化、煤化工以及發(fā)電廠等工業(yè)排水[1]。火電廠濕法脫硫系統(tǒng)由于漿液的循環(huán)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(tǒng)必須外排一部分廢水。根據(jù)DL/T 997—2006《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質(zhì)控制指標(biāo)》，脫硫廢水經(jīng)“中和、絮凝、沉淀”三聯(lián)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(jì)劃》(“水十條”)的嚴(yán)格推進(jìn)，發(fā)電行業(yè)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(guān)注。目前有應(yīng)用實(shí)例的“零排放”技術(shù)包括強(qiáng)制蒸發(fā)、煙道蒸發(fā)、蒸發(fā)塔處理、機(jī)械噴霧蒸發(fā)等技術(shù)[2-5]，強(qiáng)制蒸發(fā)技術(shù)成本高昂、系統(tǒng)復(fù)雜；熱力蒸發(fā)技術(shù)需對現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)、煙道等進(jìn)行改造[6]；而機(jī)械噴霧蒸發(fā)技術(shù)具有低成本、系統(tǒng)簡單等優(yōu)勢，特別適用于干旱少雨的西部地區(qū)，具有較大的發(fā)展?jié)摿7]。此外，噴霧蒸發(fā)技術(shù)已工業(yè)應(yīng)用于煤化工廢水、礦山廢水等工業(yè)廢水處理領(lǐng)域[8]。

關(guān)于噴霧蒸發(fā)技術(shù)的研究已近50年，內(nèi)容包括試驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)建模，但研究對象主要是純水[9-16]。近年來，部分學(xué)者研究噴霧蒸發(fā)處理濃鹽水，但蒸發(fā)介質(zhì)為熱空氣，集中于多級閃蒸、多效蒸發(fā)、煙道蒸發(fā)技術(shù)[17-21]。此外，工程領(lǐng)域蒸發(fā)研究集中于水體表面蒸發(fā)速率，主要研究方法是通過歸納總結(jié)試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)得到經(jīng)驗(yàn)公式；Dalton首次提出了水面蒸發(fā)量與風(fēng)速、水汽壓差的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系[22]，Peman進(jìn)一步根據(jù)水面蒸發(fā)的形成機(jī)制，將空氣動力學(xué)方程和能量平衡方程聯(lián)解，得出計(jì)算水面蒸發(fā)量的組合型公式，李萬義、施成熙、童宏良等根據(jù)我國實(shí)際情況對Dalton，Peman公式參數(shù)進(jìn)行了修正[23]。因此，噴霧蒸發(fā)結(jié)合蒸發(fā)塘技術(shù)處理濃鹽水工業(yè)廢水的蒸發(fā)效率需要進(jìn)一步量化研究，特別是蒸發(fā)速率、環(huán)境對蒸發(fā)效率的影響問題等是可行性應(yīng)用的關(guān)鍵。

本文設(shè)計(jì)了一種濃鹽水常溫噴霧蒸發(fā)處理系統(tǒng)，對模擬濃鹽水進(jìn)行室外噴霧蒸發(fā)研究，考察了系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境因素等對蒸發(fā)特性的影響規(guī)律，旨在為工業(yè)廢水濃鹽水深度處理技術(shù)的系統(tǒng)調(diào)控、處理能力等方面提供理論參考。

1 純水噴霧蒸發(fā)理論影響因素

現(xiàn)有理論是以純水為研究對象，建立霧滴-空氣運(yùn)動的單液滴蒸發(fā)速率模型[24]。蒸發(fā)中大部分液滴行程受到空氣流動的影響，根據(jù)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(fā)生蒸發(fā)。根據(jù)傳質(zhì)方程式，液滴的蒸發(fā)速率可以表示為：

(1)

式中：ω為水分蒸發(fā)量；t為蒸發(fā)時間；dω/dt為蒸發(fā)速率；Kx為傳質(zhì)系數(shù)；A為傳質(zhì)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(zhì)推動力；x為液滴表面上空氣濕含量。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，球形液滴在靜止空氣中的傳質(zhì)表達(dá)見式(2)，由此可推導(dǎo)傳質(zhì)系數(shù)Kx。

(2)

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

對于球形液滴，總傳質(zhì)系數(shù)可以用無量綱特征數(shù)Sh來表示。

Sh=2+k1(Re)x(Sc)y，

(3)

綜合式(1)(2)(3)可得液滴蒸發(fā)速率公式：

(4)

式中：液滴直徑D可由經(jīng)驗(yàn)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(zhì)量；Ma為空氣的相對分子質(zhì)量。按Mw=18.016，Ma=28.907計(jì)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(jīng)驗(yàn)計(jì)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(shù)，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(fā)速率的主要因素包括大氣溫度、相對濕度、風(fēng)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(zhì)等。參考純水噴霧蒸發(fā)理論，設(shè)計(jì)試驗(yàn)針對上述影響因素探究濃鹽水噴霧蒸發(fā)規(guī)律，進(jìn)一步得出量化關(guān)系。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)裝置及材料

噴霧蒸發(fā)高濃度含鹽水試驗(yàn)系統(tǒng)由蒸發(fā)池、霧化噴頭和循環(huán)泵組成，室外試驗(yàn)裝置如圖1所示。通過循環(huán)壓力泵將池中液體抽入霧化噴頭，面向池內(nèi)噴灑霧化液滴，蒸發(fā)池內(nèi)層兩側(cè)各設(shè)毫米刻度尺，用于讀取液位高度，蒸發(fā)池旁設(shè)有蒸發(fā)皿，用于測量同環(huán)境條件下的自然蒸發(fā)量。

圖1 機(jī)械霧化蒸發(fā)試驗(yàn)裝置示意

霧化蒸發(fā)試驗(yàn)地點(diǎn)為河北省保定市，試驗(yàn)時間為2016-05-01—10-30，雨天停止試驗(yàn)，采用單位時間(2 h)內(nèi)的液位差代表蒸發(fā)速率。蒸發(fā)池長400 cm、寬200 cm、高85 cm；試驗(yàn)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(cè)中軸線距地面高度1.0 m處，噴射方向水平；循環(huán)壓力泵運(yùn)行壓力控制為2 MPa。試驗(yàn)水樣為自來水(Cl-質(zhì)量濃度50.23 mg/L)及添加工業(yè)NaCl鹽的模擬高濃度含鹽水。室外主要試驗(yàn)儀器、藥品及測量指標(biāo)見表1。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 類比器測法

參考SL 630—2013《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》，蒸發(fā)特性是液相向汽相傳質(zhì)過程的快慢程度，采用表面蒸發(fā)速率(w)表示，即單位時間、單位面積內(nèi)液體蒸發(fā)的質(zhì)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(fā)速率；Δm為t時刻試樣質(zhì)量差；S為蒸發(fā)表面積；mt為t時刻試樣質(zhì)量；m0為原始質(zhì)量；Δh為t時刻試樣液位差；ρ為蒸發(fā)溶液的密度。

表1 試驗(yàn)藥品及儀器

2.2.2 SEM表征蒸發(fā)產(chǎn)物

當(dāng)溶液蒸發(fā)至過飽和后，在該過飽和度的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)晶體的生長[27]，環(huán)境條件影響產(chǎn)物晶體的形貌。反之，可通過蒸發(fā)產(chǎn)物晶體生長形態(tài)判斷蒸發(fā)快慢。樣品的形貌結(jié)構(gòu)特征采用日本HITACHI S-4800型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)進(jìn)行表征，電壓設(shè)置為15 kV，噴金。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

探究環(huán)境影響時，試驗(yàn)采用霧滴粒徑150 μm的噴嘴水平噴霧蒸發(fā)Cl-質(zhì)量濃度為7 500 mg/L高鹽水，為期4個月。因?yàn)槭彝猸h(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速存在不均勻、不穩(wěn)定性，無法控制單因素變量，因此開展長期霧化蒸發(fā)試驗(yàn)，選擇符合單因素控制變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素影響分析，對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素復(fù)合影響分析。為了減小液面高度浮動導(dǎo)致的讀數(shù)誤差，試驗(yàn)單次測量時間間隔為2 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 噴霧粒徑對蒸發(fā)速率的影響

選取氣象條件穩(wěn)定的4 d，采用霧滴粒徑70，150，500，1 000 μm的霧化噴嘴，連續(xù)水平噴霧蒸發(fā)Cl-質(zhì)量濃度為7 500 mg/L的高鹽水，探究霧滴粒徑對蒸發(fā)速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)速率與霧化顆粒粒徑關(guān)系示意

由圖2可以看出，在不同時段下(環(huán)境條件不同)，霧化顆粒粒徑越小，噴霧蒸發(fā)速率越高，噴霧粒徑70 μm比1 000 μm的蒸發(fā)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(fā)速率差距逐漸減小。

內(nèi)在機(jī)理是，以1個霧化液滴為研究對象，假設(shè)為理想球形液滴，其直徑為d，現(xiàn)有體積為a的液體，其蒸發(fā)表面積公式[28]為：

(11)

式中：6a是定值，蒸發(fā)表面積S與顆粒直徑d有關(guān)，且d越大，蒸發(fā)接觸表面積S越小，蒸發(fā)速率越低。

現(xiàn)假設(shè)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(fā)表面積在一個較低數(shù)量級，蒸發(fā)速率較小。因此，當(dāng)其他條件相同時，霧化顆粒越細(xì)，蒸發(fā)速率越快，蒸發(fā)效果越好；但當(dāng)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(fā)效果差別不大。

3.2 鹽濃度的影響

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

圖3 不同水質(zhì)對霧化蒸發(fā)速率的影響示意

由圖3可以看出，噴霧蒸發(fā)鹽濃度不同，蒸發(fā)速率差別較小，但蒸發(fā)速率由大到小為Cl-質(zhì)量濃度50 mg/L的自來水>501 mg/L的工業(yè)鹽水>5 822 mg/L的工業(yè)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(fā)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(nèi)聚力增大，蒸發(fā)所需能量增多，蒸發(fā)速率變低；另一方面高鹽水蒸發(fā)包括等速蒸發(fā)和降速蒸發(fā)階段，可能存在不溶性固體隨著蒸發(fā)的進(jìn)行在液滴表面形成一層硬殼，阻礙水分蒸發(fā)[29]。

3.3 環(huán)境風(fēng)速的影響

在試驗(yàn)總數(shù)據(jù)中選擇溫度為(25±1)℃、濕度為(40±5)%，而風(fēng)速不同的時間段，作蒸發(fā)速率關(guān)于風(fēng)速的散點(diǎn)關(guān)系圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)速影響蒸發(fā)速率關(guān)系示意

由圖4可以看出，噴霧蒸發(fā)速率與風(fēng)速近似呈線性正相關(guān)關(guān)系；風(fēng)速由0 m/s增大到2.61 m/s，噴霧蒸發(fā)速率提高了約6.20倍。分析其機(jī)制是：風(fēng)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(zhì)；另一方面加強(qiáng)液滴四周邊界層的對流作用，加強(qiáng)水分子湍流擴(kuò)散，因此蒸發(fā)速率增大。

3.4 環(huán)境溫度的影響

在試驗(yàn)總數(shù)據(jù)中選擇濕度為(50±5)%、風(fēng)速為0 m/s，而溫度不同的時間段，作蒸發(fā)速率關(guān)于溫度的散點(diǎn)關(guān)系圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫度影響蒸發(fā)速率關(guān)系示意

由圖5可以看出，噴霧蒸發(fā)速率隨溫度近似呈指數(shù)型正相關(guān)關(guān)系，溫度越高，蒸發(fā)速率增大越明顯；34.25 ℃時的蒸發(fā)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(yùn)動，更多分子克服內(nèi)聚力從液體表面逸出進(jìn)入氣相空間，加快分子汽化；同時，溫差產(chǎn)生對流擴(kuò)散，加水大分子擴(kuò)散速度，因此蒸發(fā)速率增大。

3.5 環(huán)境濕度的影響

在試驗(yàn)總數(shù)據(jù)中選擇溫度為(30±1)℃、風(fēng)速為0 m/s，而濕度不同的時間段，作蒸發(fā)速率關(guān)于濕度的散點(diǎn)關(guān)系圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6 濕度影響蒸發(fā)速率關(guān)系示意

由圖6可以看出，噴霧蒸發(fā)速率隨濕度近似呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；相對濕度為26.95%的蒸發(fā)速率是93.3%時的13.80倍。內(nèi)在機(jī)制是：濕度增大，氣相單位空間內(nèi)水分子含量變大，導(dǎo)致氣液相濃差降低，傳質(zhì)推動力減小，因此蒸發(fā)速率減慢。

表2 風(fēng)吹損失對蒸發(fā)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(yàn)時風(fēng)速范圍，0～2.60 m/s；平均風(fēng)速， 1.03 m/s。3.試驗(yàn)1～4為平行試驗(yàn)。

3.6 各因素協(xié)同作用下單因素影響蒸發(fā)速率關(guān)系探究

擬合日蒸發(fā)速率與溫度、濕度、風(fēng)速的散點(diǎn)關(guān)系圖，探究環(huán)境風(fēng)速、溫度、濕度協(xié)同作用下的單因素影響權(quán)重，結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 協(xié)同作用下風(fēng)速影響蒸發(fā)速率關(guān)系示意

圖8 協(xié)同作用下溫度影響蒸發(fā)速率關(guān)系示意

圖9 協(xié)同作用下濕度影響蒸發(fā)速率關(guān)系示意

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

圖8顯示了噴霧蒸發(fā)速率隨溫度升高而增大的趨勢，與前文結(jié)果一致；當(dāng)溫度為10～15 ℃時，噴霧蒸發(fā)速率較小；而溫度較高時，噴霧蒸發(fā)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(fā)速率的主要因素，而高溫并不是影響噴霧蒸發(fā)速率的決定因素。

圖9顯示了噴霧蒸發(fā)速率隨濕度升高而減小的趨勢，與前文結(jié)果一致；當(dāng)相對濕度為90%～100%時，噴霧蒸發(fā)速率均較小；而其余范圍的相對濕度下，噴霧蒸發(fā)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(fā)速率的主要因素，而其余情況下濕度并不是影響噴霧蒸發(fā)速率的決定因素。

3.7 風(fēng)吹損失

由于液位、濕度、溫度、風(fēng)速的瞬時性，室外試驗(yàn)存在隨機(jī)誤差?？赏ㄟ^增大時間間隔、增加測量次數(shù)減小液位、溫度、濕度誤差，但風(fēng)吹損失對蒸發(fā)速率的影響值得注意。通過蒸發(fā)池中增加擋板與未加擋板試驗(yàn)對比，探究風(fēng)吹損失對蒸發(fā)速率的影響，結(jié)果見表2。

由表2可得，試驗(yàn)時風(fēng)速范圍0～2.60 m/s，平均風(fēng)速為1.03 m/s，有21.95%的機(jī)械霧化蒸發(fā)是風(fēng)吹損失造成的；且當(dāng)風(fēng)速增大時，風(fēng)吹損失將更多。風(fēng)吹損失增大機(jī)械噴霧的處理量，但被風(fēng)攜帶的濃鹽水一定程度上污染周邊環(huán)境，如土壤環(huán)境、大氣環(huán)境及植被。所以，在機(jī)械霧化蒸發(fā)應(yīng)用中風(fēng)吹損失值得注意，當(dāng)水質(zhì)差時應(yīng)降低風(fēng)吹損失或者提高水質(zhì)。

3.8 機(jī)械霧化蒸發(fā)與自然霧化蒸發(fā)效果對比

根據(jù)式(10)計(jì)算單位小時、單位面積的蒸發(fā)速率(g/(h·m2))，鹽水密度按1 g/mL計(jì)算，由蒸發(fā)皿失重法計(jì)算自然蒸發(fā)速率，由蒸發(fā)池液位差計(jì)算機(jī)械霧化蒸發(fā)總速率，其差值為噴霧凈蒸發(fā)速率，取平均值。對比機(jī)械霧化蒸發(fā)與自然霧化蒸發(fā)效率見表3。

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

表3 機(jī)械霧化蒸發(fā)速率

注：試驗(yàn)1～4為平行試驗(yàn)。

圖10 機(jī)械噴霧蒸發(fā)固態(tài)產(chǎn)物SEM圖

圖11 自然蒸發(fā)固態(tài)產(chǎn)物SEM圖

根據(jù)圖10、圖11觀察蒸發(fā)產(chǎn)物的微觀形貌結(jié)構(gòu)，自然蒸發(fā)產(chǎn)物晶體多成塊狀，晶粒更規(guī)則，噴霧蒸發(fā)產(chǎn)物晶體結(jié)晶度較差、存在碎屑狀，晶粒多發(fā)生晶型畸變。根據(jù)晶體生長原理，自然蒸發(fā)的結(jié)晶質(zhì)量好，證明了自然蒸發(fā)速率較慢[30]，而機(jī)械霧化蒸發(fā)速率快。

4 結(jié)論

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

(2)噴霧蒸發(fā)速率與風(fēng)速近似呈線性正相關(guān)關(guān)系；噴霧蒸發(fā)速率隨溫度近似呈指數(shù)型正相關(guān)關(guān)系；噴霧蒸發(fā)速率隨濕度近似呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。大風(fēng)氣象時，風(fēng)速是影響噴霧蒸發(fā)速率的決定因素；溫度<15 ℃時，溫度是限制噴霧蒸發(fā)速率的主要因素；濕度>90%時，濕度是限制噴霧蒸發(fā)速率的主要因素，當(dāng)濕度<90%時，濕度并不是影響噴霧蒸發(fā)速率的決定因素。

(3)試驗(yàn)中機(jī)械霧化蒸發(fā)速率是自然蒸發(fā)速率的4～12倍。試驗(yàn)中風(fēng)速范圍為0～2.6 m/s，平均風(fēng)速為1.03 m/s，有21.95%的機(jī)械霧化蒸發(fā)是風(fēng)吹損失造成的；當(dāng)風(fēng)速增大，風(fēng)吹損失將更多，實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)吹損失問題值得注意，以免高含鹽水帶來污染。