脫硫廢水煙氣噴射蒸發(fā)流動特性實驗研究

吳文慶，杜小澤，楊立軍

脫硫廢水煙氣噴射蒸發(fā)流動特性實驗研究

吳文慶，杜小澤*，楊立軍

（電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206）

確保噴霧液滴在接觸煙道壁面前完全蒸發(fā)，是保障電站脫硫廢水在鍋爐尾部煙道內(nèi)蒸發(fā)處理安全運行的關(guān)鍵。噴霧液滴的破碎、聚并等動力學(xué)行為，以及液滴群的粒徑分布和速度等因素的影響機制，是噴霧蒸發(fā)的主要特性。設(shè)計搭建了熱態(tài)風(fēng)洞實驗臺，利用激光粒度分析儀和粒子圖像測速儀(particle image velocimeter，PIV)，在不同的引射空氣壓力、噴嘴水流量，以及風(fēng)速、加熱空氣溫度等條件下，對噴霧液滴群的粒徑變化和速度變化進(jìn)行了測量和分析。實驗結(jié)果表明：以大液滴形態(tài)離開噴嘴的射流在引射氣流的攜帶作用下，因破碎而形成小液滴，而后液滴間聚并效果會顯現(xiàn)出來。液滴初始粒徑僅與引射氣體壓力和水流量有關(guān)；風(fēng)速的提高一定程度上會促進(jìn)液滴間的聚并。提高高壓氣體壓力、溫度、風(fēng)速以及減小水流量均有助于提高液滴群速度，其中提高風(fēng)速對液滴群的增速效果最為明顯。研究結(jié)果為噴霧的數(shù)值模擬及工程應(yīng)用改進(jìn)方向提供了參考。

噴霧蒸發(fā)；液滴破碎；液滴粒徑；平均速度

0 引言

燃煤電廠石灰石?石膏濕法煙氣脫硫工藝的脫硫效率可達(dá)90%以上，且運行可靠，適用煤種范圍廣，技術(shù)成熟，目前已經(jīng)成為大部分電廠首選的脫硫工藝[1-2]。但是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)不可避免地要產(chǎn)生脫硫廢水，水質(zhì)特殊且水體污染性大，必須進(jìn)行單獨處理[3]。近年來，在化學(xué)沉淀、濃縮減量的基礎(chǔ)上，將脫硫廢水噴入煙道蒸發(fā)受到廣泛關(guān)注[4-5]。采用壓縮空氣將待處理的脫硫廢水經(jīng)噴嘴霧化成液滴群后噴入鍋爐尾部煙道中，廢水液滴吸收煙氣余熱蒸發(fā)。完全蒸發(fā)后的廢水液滴所含的剩余懸浮固體顆粒物等雜質(zhì)均會隨煙氣中的飛灰一起進(jìn)入除塵器等后續(xù)設(shè)備被捕捉收集處理，從而實現(xiàn)脫硫廢水的近零排放。該技術(shù)具有換熱充分、節(jié)能環(huán)保和耗時較短等優(yōu)勢[6-11]。然而在國內(nèi)外實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，鍋爐煙氣脫硫(flue gas desulfurization，F(xiàn)GD)廢水液滴若在蒸干前與煙道壁面接觸，長期運行會造成煙道壁面嚴(yán)重腐蝕，甚至結(jié)垢阻塞，危及鍋爐運行。因此，確定脫硫廢水霧化液滴群在鍋爐尾部煙道中的運行軌跡及蒸發(fā)特性，以及不同運行參數(shù)下液滴完全蒸發(fā)所需的時間和距離，是脫硫廢水煙道蒸發(fā)技術(shù)實際應(yīng)用的關(guān)鍵[12]。

近年來，在霧化和液滴蒸發(fā)特性研究方面，國內(nèi)外取得了很大的進(jìn)展。文獻(xiàn)[13]的實驗結(jié)果表明：噴嘴內(nèi)部的氣泡有利于噴口附近液滴的破碎，產(chǎn)生更小尺寸的液滴，改善霧化效果。文獻(xiàn)[14]對兩相流的噴嘴進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明閃蒸會導(dǎo)致噴嘴出口附近液滴的速度變化。文獻(xiàn)[15]提出了拉格朗日?歐拉方法，用來評價水噴霧系統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻效率，并通過實驗驗證其可靠性。文獻(xiàn)[16]設(shè)計了基于Leidenfrost現(xiàn)象的實驗裝置，測量液滴在環(huán)境壓力和恒溫條件下表面的瞬時質(zhì)量變化速率，并通過能量守恒定律計算了液滴蒸發(fā)的熱流量，結(jié)果表明：在液滴的穩(wěn)定蒸發(fā)階段，其蒸發(fā)速率并不能完全吻合D2定律[17]。文獻(xiàn)[18]使用高速攝像系統(tǒng)對懸掛液滴的蒸發(fā)情況進(jìn)行相關(guān)探究，實驗結(jié)果表明：在加熱的初期階段，液滴會首先進(jìn)入一個非穩(wěn)態(tài)加熱階段；在蒸發(fā)的中后期，液滴進(jìn)入一個比較穩(wěn)定的平衡階段，煙速幾乎不影響液滴的蒸發(fā)，但是煙溫的提高明顯促進(jìn)液滴的蒸發(fā)。文獻(xiàn)[19]通過數(shù)值模擬研究了噴霧蒸發(fā)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：噴嘴的布置位置及其噴射角度對液滴蒸發(fā)效率的影響最為明顯，液滴的直徑對液滴受熱蒸發(fā)的影響居中，風(fēng)速幾乎不影響噴霧蒸發(fā)效率。文獻(xiàn)[20]通過研究液滴在煙氣中的運動和蒸發(fā)模型也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律，同時還發(fā)現(xiàn)在溫度和速度一定的情況下，液滴群的平均粒徑每增加10mm，蒸發(fā)量大概可以增加1倍。文獻(xiàn)[21]進(jìn)行了噴霧實驗，實驗結(jié)果表明：隨著氣液比的增加，液滴群的均勻度越來越好，粒徑隨之變小。

盡管國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量研究，然而，通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，針對噴霧蒸發(fā)系統(tǒng)，由于很難做到溫度場和速度場的精確測量，目前關(guān)于液滴群中液滴破碎、聚并以及液滴在煙道中運動情況的研究主要還是以模擬為主，實驗研究不足。為此，本文設(shè)計了熱態(tài)風(fēng)洞實驗系統(tǒng)，將加熱空氣流作為熱源，通過實驗研究水噴霧蒸發(fā)過程中液滴的破碎及聚并等動力學(xué)行為，探討液滴群粒徑和速度的影響因素及其規(guī)律。

1 實驗裝置及測量系統(tǒng)

粒徑?jīng)Q定液滴群的總表面積，而總表面積直接影響蒸發(fā)效率。因此，液滴群的粒徑分布對噴霧系統(tǒng)的性能有很大的影響[22]。另外在廢水處理過程中，液滴速度也會影響蒸發(fā)效率[23]，因此本文的實驗主要圍繞液滴群粒徑分布和噴射速度開展。實驗研究采用的熱態(tài)風(fēng)洞系統(tǒng)如圖1所示。風(fēng)洞實驗段橫截面積為0.3m×0.3m，在實驗段入口處中間位置布置噴嘴。溫濕度計探頭距離噴嘴1.5m。風(fēng)機鼓風(fēng)經(jīng)過加熱器變?yōu)闊犸L(fēng)進(jìn)入風(fēng)洞，風(fēng)洞入口的風(fēng)溫和風(fēng)速可以通過調(diào)節(jié)加熱器功率和風(fēng)機頻率來實現(xiàn)。本實驗所有工質(zhì)均為純水。風(fēng)洞入口處設(shè)有噴嘴，此噴嘴為內(nèi)混式錐形噴霧噴嘴[24-25]，壓縮空氣和水同時進(jìn)入噴嘴從而產(chǎn)生霧化效果。壓縮空氣的壓力和水的流量都是可以調(diào)節(jié)的。

另外，為防止液滴對溫濕度計傳感器造成影響，在傳感器前設(shè)置除水設(shè)備。除水設(shè)備除去經(jīng)過該處的水滴，但不影響空氣通過，在本實驗中忽略該設(shè)備對研究結(jié)果的影響。

實驗中測量粒徑分布所用儀器是激光粒度分析儀(Winner319)，其利用夫瑯禾費衍射原理和平行光路設(shè)計來測量液滴群的散射譜，并經(jīng)計算機分析得到顆粒物的粒徑分布。

值得注意的是，液滴群內(nèi)各液滴直徑不同，為比較霧化效果，需要將各液滴直徑統(tǒng)一化為一個數(shù)值，即平均粒徑。粒度分析儀提供3種平均粒徑的計算：體積加權(quán)平均直徑(volume average diameter，VAD)，數(shù)量加權(quán)平均直徑(number average diameter，NAD)，表面積加權(quán)平均直徑(Sauter mean diameter，SMD)。其中SMD又稱為索泰爾平均直徑.，其意義是假設(shè)顆粒具有和所給樣本相同的比表面積。由于SMD對粒徑分布中的細(xì)小顆粒更為敏感，并能檢測到細(xì)小顆粒存在的比例，比較適合應(yīng)用于蒸發(fā)過程中的傳熱傳質(zhì)計算[26]。因此本文采用SMD計算平均粒徑。

實驗中采用的測速手段主要借助于TSI 公司的粒子圖像測速儀(particle image velocimeter，PIV)，通過追蹤液滴的運動軌跡，可直接獲得包括速度矢量在內(nèi)的相關(guān)區(qū)域的流場特性[27]。對圖片的處理是通過軟件Insight 4G和Tecplot實現(xiàn)的。圖2(a)和(b)分別是拍攝流場實圖和處理后得到的速度矢量圖。

莒南縣文疃鎮(zhèn)人大組織代表積極參與到群眾矛盾糾紛調(diào)解工作中，通過聯(lián)片調(diào)解方式深入群眾，耐心聽取當(dāng)事人的訴求，以“友情、親情、鄉(xiāng)情”為切入點，化解各類矛盾糾紛91起，幫助群眾解決各類困難問題79件。

實驗中熱電偶的溫度檢測精度是±0.3℃，熱線風(fēng)速儀的風(fēng)速精度為1%±1d，激光粒度分析儀的準(zhǔn)確性誤差是±3%。至于PIV測速系統(tǒng)的不確定度，因其影響因素十分復(fù)雜，算法仍然值得探究。TSI公司認(rèn)為PIV的不確定度在1%以內(nèi)[28]，但據(jù)文獻(xiàn)[29]的模擬估算，此值在5%~10%。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 液滴群粒徑及其影響因素

2.1.1 液滴的破碎與聚并

保持噴嘴的水流量為6L/h，利用CCD相機，得到氣壓分別為0、10、20、30kPa時，噴嘴噴射的液滴射流受到高壓氣體撕裂的圖像結(jié)果如圖3所示。在氣壓為0kPa時，噴嘴附近射流較光滑、連續(xù)，下游部分開始出現(xiàn)擾動；在氣壓為10kPa時，噴嘴附近射流開始出現(xiàn)不穩(wěn)定波，形成所謂的表面波[30]，且下游部分形成大液滴的波動；在氣壓為20kPa時，其中心區(qū)域依然存在較大液滴，兩邊的小液滴已經(jīng)完全脫離液束，霧化效果出現(xiàn)；在氣壓為30kPa時，大液滴經(jīng)過進(jìn)一步的破碎，此時的霧化效果較好，這說明高壓氣體對離開噴嘴的液體產(chǎn)生一定的破碎效果。根據(jù)所測的粒徑變化，可以進(jìn)一步說明液滴沿程的破碎和聚并行為?？紤]到液滴群在行進(jìn)過程中受到重力的影響會偏離噴嘴所在水平面而向下運動，因此首先測量在常溫、氣壓為70kPa、水流量為3L/h的條件下，距噴嘴40cm處與噴嘴同一水平面及其上下各高度上粒徑值。并由此確定距噴嘴60、80cm處各高度上粒徑的變化，所得數(shù)據(jù)見表1。

從表1可見，自距噴嘴40~80cm，各斷面上粒徑最大值是增大的，這說明在行進(jìn)過程中液滴出現(xiàn)了聚并。從各斷面上不同高度處粒徑分布來看，液滴群確實受到重力的影響而整體偏下，且此現(xiàn)象隨著行進(jìn)距離的增加而愈發(fā)明顯。

氣壓為70kPa、水流量為3L/h條件下(工況1)，以及氣壓為50kPa、水流量為3L/h條件下(工況2)的最大平均粒徑值如表2所示?？梢姡旱稳浩骄诫m然隨位移的增加而變大，但粒徑增大并不明顯。這是因為在距噴嘴40cm以上時，液滴群的分布已經(jīng)較為均勻，此時各液滴之間的距離相對較大，不易發(fā)生碰撞及聚并，因此處于穩(wěn)定運動狀態(tài)。在40cm處液滴群粒徑的最大值依然是0水平面，可以認(rèn)為在工況1下距噴嘴40cm以內(nèi)的各斷面液滴群受重力影響較小，不予考慮，直接將0水平面處液滴群平均粒徑作為主流粒徑。

將工況1和工況2各斷面0水平面液滴群平均粒徑數(shù)據(jù)繪制如圖4所示?？梢钥闯?，射流在霧化后的行進(jìn)過程中會經(jīng)過4個階段：一是破碎階段；二是破碎/聚并階段；三是聚并階段；四是穩(wěn)定階段。破碎階段較短，這一部分主要是通過高壓氣體對射流的撕裂而形成小液滴。以工況1為例，距噴嘴1cm處的液滴粒徑是40.22mm，而距噴嘴3cm處液滴粒徑就下降到了28.66mm。雖然氣流出口速度很高，但因其動量小，受到阻力大，所以速度很快衰減，對大液滴的撕裂效果持續(xù)時間有限。在3~9cm的區(qū)域內(nèi)，液滴粒徑基本保持不變，這是聚并和破碎共同作用的結(jié)果。在9~40cm的區(qū)域內(nèi)，氣流速度衰減明顯，因此這一階段破碎不再占主導(dǎo)地位，相對而言，液滴間的聚并更易發(fā)生，因此，液滴的粒徑又開始變大。在40cm之后，液滴分布愈加均勻，此時雖然液滴仍能發(fā)生聚并，但已不再明顯，因此液滴直徑僅是緩慢增長。

2.1.2 氣壓對液滴粒徑的影響

圖5 不同氣壓下的液滴群平均粒徑

2.1.3 煙氣流速對液滴粒徑的影響

保持水流量為3L/h，氣壓為50kPa和70kPa，首先利用風(fēng)速儀確定不同風(fēng)機頻率下的風(fēng)速，然后在距噴嘴15cm處測量不同的風(fēng)速下液滴的粒徑，結(jié)果如圖6所示。可以看出，在聚并段增加風(fēng)速，會導(dǎo)致液滴粒徑的增加。這是因為提高風(fēng)速將增加液滴群的平均速度，且對小液滴的增速效果更為明顯，導(dǎo)致液滴群內(nèi)混亂度的增加，從而使得液滴間的聚并幾率增加，液滴群的平均粒徑也增加。但是在聚并段增加風(fēng)速對液滴的粒徑產(chǎn)生的影響甚小。事實上，在噴嘴出口處，高壓氣體溫度及水溫一定的條件下，影響液滴初始直徑的只有高壓氣體的壓力和水流量2個因素，而風(fēng)速、風(fēng)溫并不能對液滴的初始粒徑產(chǎn)生影響，除非在液滴群已經(jīng)運動了一段時間后，這2個因素產(chǎn)生的影響才能顯現(xiàn)出來。

圖6 不同風(fēng)速下液滴群的粒徑

2.2 液滴群速度及其影響因素

在溫度為30℃，引射氣壓分別為50、70kPa，水流量為3L/h的工況下進(jìn)行實驗，得出結(jié)果如圖7所示，其中橫軸數(shù)值是拍攝視野中心與噴嘴的距離。由圖7可知，由于空氣流產(chǎn)生的阻力作用，速度在液滴行進(jìn)過程中是不斷衰減的。為了進(jìn)一步考察影響液滴群流速的作用因素，改變氣體壓力、水流量、風(fēng)洞入口溫度、風(fēng)機頻率，分別測量了液滴群的平均速度。圖8在工況1和工況2條件下，分別測量了溫度為30、50、70、90℃時液滴群的平均速度變化。

圖7 液滴群速度隨距離變化圖

可以看出，溫度的增加使液滴群平均速度明顯升高。單位質(zhì)量液滴在煙氣中運動受到的曳力方程[31]為：

由此可以看出，液滴蒸發(fā)一部分，粒徑減小，加速度增大，從而導(dǎo)致速度增大。在高溫環(huán)境中液滴群的平均速度比冷態(tài)下高，所以不宜使用冷態(tài)下噴霧速度作為確定實際蒸發(fā)時間的根據(jù)。

圖9所示數(shù)據(jù)為工況1和工況2條件下，分別測量距噴嘴相同的距離時，不同高度上液滴群的平均速度。圖9的橫坐標(biāo)中，0mm是指拍攝面與噴嘴在同一水平面，即此時得到的是與噴嘴處于同一水平面的液滴群的平均速度；5mm是指拍攝面高于噴嘴5mm；-5mm則是指拍攝面低于噴嘴5mm。其余同。

圖9 不同高度上液滴群的平均速度

由圖9可見，在液滴行進(jìn)途中，因為重力的影響，其主流發(fā)生沉降。因主流速度最高，故在行進(jìn)途中，速度最高處并非0mm水平面。又因在50kPa時，-14mm水平面上速度最高，而70kPa時，-7mm水平面速度最高，可見增加初速度可以減弱其沉降趨勢。

圖10是常溫環(huán)境下，無風(fēng)速時測量的不同流量下液滴群的平均速度。在噴霧過程中，雖然射流本身具有速度，但是其速度比氣流初始速度小2~3個量級，因此可以認(rèn)為是高壓氣體作為動力負(fù)載，也就是水提供速度驅(qū)動力。增加水流量就是增加負(fù)載，會降低液滴群平均速度，且近似于成反比例關(guān)系。增加氣體壓力就是增大動力，也就相當(dāng)于減少水流量。且由圖7—10中工況1和工況2的對比亦可看出，增加氣體壓力可以增加液滴群平均速度。

通過改變風(fēng)機轉(zhuǎn)動頻率即可改變風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)速。圖11中數(shù)據(jù)為工況1和工況2條件下，風(fēng)速分別為0、2.6、4.1、5.8m/s時，液滴群的平均速度。

根據(jù)圖11可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速對液滴群的平均速度有很大的影響，在風(fēng)速越高的情況下，液滴群的平均速度越高。而相較于工況2，工況1液滴平均速度增長得更快，說明當(dāng)液滴的粒徑越小時，煙氣對液滴群的攜帶作用的影響更加明顯。

圖11 不同風(fēng)速下的液滴群平均速度

3 結(jié)論

1）實驗發(fā)現(xiàn)，射流從噴嘴出來即是大液滴甚至液柱的形態(tài)，在距噴嘴很短的距離內(nèi)，大液滴受到引射空氣的撕裂，其粒徑急劇下降，而后高壓空氣的影響減弱，液滴間的聚并效果開始顯現(xiàn)，導(dǎo)致液滴群粒徑增加，最后當(dāng)液滴分布均勻時，常溫下液滴的粒徑緩慢增加。

2）提高氣體壓力、減小水流量均可使粒徑下降，但是不可完全依靠提高壓力來降低液滴粒徑；另外，風(fēng)速對液滴群平均粒徑的影響有限。

3）提高溫度、壓力、風(fēng)速及降低水流量，均能提高液滴群的平均速度，其中尤以壓力的影響為甚。因此工程中如果需要獲得更高的液滴速度，可以首先考慮增加氣壓。

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Experimental Study on Characteristics of Spraying Evaporation Flow of FGD Wastewater in Flue Gas

WU Wenqing, DU Xiaoze*, YANG Lijun

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China)

The complete evaporation of flue gas desulfurization (FGD) wastewater droplets before they reach the flue duct wall is the key of safe operation of FGD wastewater treatment system in tail flue duct in thermal power plants. The main characteristics of spray evaporation include pneumatic behaviors such as breakup and polymerization, influence mechanism of droplet group size distribution and velocity. A wind tunnel was designed and constructed, and the particle size distribution and velocity of the sprayed droplet group were measured and analyzed by laser particle size analyzer and particle image velocimetry (PIV) system in different inlet conditions of injected gas pressure, nozzle water flow rate, wind speed and air heating temperature. The experimental results show that the droplets injected from the nozzle are relative bigger initially and will become smaller because of breakup. Then the droplets are polymeric. The initial particle size of the droplet is only related to the injected gas pressure and water flow. The increase of wind speed will slightly contribute to the aggregation between the droplets. Increasing the pressure of the gas, temperature, wind speed, and reducing the water flow will all contribute to the speed of the droplet group. Especially, the effect of wind speed is more obvious. The results provide the reference for the spray numerical simulation and improvement direction of spray evaporation in engineering application.

spray and evaporate; droplet breakup; droplet diameter; average velocity

10.12096/j.2096-4528.pgt.19152

TM 621

國家自然科學(xué)基金項目(51676069, 51821004)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51676069, 51821004).

2019-10-21。

(責(zé)任編輯 楊陽)