煙氣余熱蒸發(fā)濃縮技術中噴霧錐角影響分析

阮柏松，毛 霖，李 建，荊 黎，葉明君

（1.安徽淮南平圩發(fā)電有限責任公司，安徽淮南 232089；2.國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122）

當前我國燃煤電廠大多采用濕式石灰石-石膏法脫除煙氣中二氧化硫，為了維持脫硫系統(tǒng)的正常運行以及防止脫硫塔內部材料的腐蝕，一般要求漿液中Cl-的濃度維持在12000-20 000mg/L[1-2]。為控制循環(huán)漿液中氯離子濃度，需外排出一部分廢水即脫硫廢水。隨著環(huán)保政策的收緊，國家現(xiàn)已要求新建燃煤電廠實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。

目前，利用燃煤電廠煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水已是電廠廢水零排放主流工藝路線之一。本文分析了不同角度的錐形噴嘴在蒸發(fā)濃縮脫硫廢水時的蒸發(fā)效率，考察了噴嘴角度對液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。

1 熱平衡理論

對廢水蒸發(fā)進行能量守恒計算和水分的物質平衡計算，考察抽取煙氣量變化對蒸發(fā)濃縮塔出口煙氣溫度、濕度以及相對濕度的影響規(guī)律。煙氣中所能攜帶的水蒸氣總量通過飽和含濕量（Hs）衡量，即煙氣中水蒸氣的分壓達到水蒸氣的飽和分壓。大氣壓條件下，水蒸氣的飽和分壓的數(shù)值主要受溫度影響。

其中，H為煙氣含濕量，指單位質量干煙氣中所攜帶的水蒸氣的質量，g/g（干空氣）；ps該溫度下的水蒸氣飽和分壓，Pa；p為煙氣總壓強，Pa；為水蒸氣摩爾質量與煙氣平均摩爾質量的比值，此處為0.623；φ為相對濕度，對于飽和煙氣取100%。

根據(jù)熱量平衡，有煙氣放熱量和廢水蒸發(fā)吸熱量的關系如下：

其中，Qg為煙氣放熱量，kJ；Ql—廢水升溫顯熱，kJ；Qe為廢水蒸發(fā)吸熱量，kJ；Vg為煙氣流量，m3/h；ρg為煙氣密度，kg/m3；Cg為煙氣比熱容，取入口與出口煙氣比熱容平均值，kJ/（kg·K）；Tg0為煙氣溫度，℃；Tg1為循環(huán)塔出口煙氣溫度，℃；r為蒸發(fā)溫度下汽化潛熱，kJ/kg；mL為蒸發(fā)廢水質量流量，kg/h；h′為廢水蒸發(fā)溫度的飽和水焓，kJ/kg；h0為入口廢水焓， kJ/kg。

含濕量低的高溫煙氣與廢水液滴經過充分的接觸和換熱，廢水溶液發(fā)生迅速的蒸發(fā)，以水蒸氣的形式進入煙氣中，導致煙氣中的含濕量增加，其出口處煙氣含濕量以及相對濕度可以按下式計算：

其中，He為蒸發(fā)塔出口煙氣含濕量，g/g；H0為入口煙氣含 濕量，g/g；pe為出口煙氣水蒸氣分壓，Pa。以蒸發(fā)量4t/h為例，計算不同煙氣量下出口處煙氣的含濕量和相對濕度。

2 實驗與分析

本實驗以合川雙槐電廠一期脫硫廢水零排放項目的煙氣余熱濃縮塔為模型。結合熱平衡理論分析，選取單一實錐形噴嘴，廢水流量為4 000kg/h為研究對象，選擇4.8m塔徑，高為20m的蒸發(fā)空間下，煙氣流速為5m/s時，可以提供22.6萬m3用于廢水蒸發(fā)。在30°~120°實錐形噴嘴的錐角，噴嘴出口處的液滴流速為20m/s工況下，脫硫廢水蒸發(fā)分布情況如表1和圖1所示。

圖1 不同噴嘴錐角下脫硫廢水蒸發(fā)分布圖

表1 不同噴嘴錐角下脫硫廢水蒸發(fā)

從煙氣逃逸量可以知道，在保證較佳的煙氣流速和液滴粒徑工況下，30°~120°錐角范圍內，脫硫廢水逃逸不到總廢水量的2.5%，可以認為噴嘴錐角對于煙氣攜帶液滴的影響不大。但從廢水直接回落到蓄水池以及廢水蒸發(fā)的效果來看，其受噴淋的錐角的影響較大，其中30°錐角時廢水回落量達到了總廢水量的58.5%，而錐角為90°和120°時僅為11%左右。主要是因為較小的噴淋錐角使得液滴集中在噴嘴下方，氣流與液滴之間的相互作用減小，降低噴淋液滴的速度衰減，液滴的停留時間也相應減少，此外氣液兩相的傳熱傳質效率減低，進而廢水蒸發(fā)效率低，更多的液滴回落到 塔底。

為了進一步研究塔內廢水蒸發(fā)特性，截取不同軸向高度的界面上的水蒸氣的分布，如圖2所示。煙氣進口處的水蒸氣的質量流率為23 500kg/h，隨著距離噴嘴的位置越近，其質量流率先增大而后略有些下降，其最大值出現(xiàn)在軸向高度為14~18m的液滴富集區(qū)域。結合圖3的塔內液滴質量分布也可以很清楚地看到，在離噴嘴出口不遠處形成的液滴的富集。液滴的富集是由于離開噴嘴后的液滴與煙氣的相對速度到達最大，其速度極大的衰減，而噴嘴又不斷有新的液滴噴淋處。此外，在液滴富集的區(qū)域下方，液滴的質量和煙氣中的水蒸氣質量的變化率達到最大，即脫硫廢水在這個區(qū)域的蒸發(fā)效率較高，因此減小液滴富集的區(qū)域，改善該區(qū)域的氣液兩相的傳熱傳質，有利于促進廢水的蒸發(fā)濃縮。

圖2 不同噴嘴錐角下煙氣中水蒸氣軸向質量分布

圖3 不同噴嘴錐角塔內液滴質量軸向截面分布

液滴在塔內的停留時間直接影響了其蒸發(fā)效率的高低，利用塔內不同高度截面對廢水液滴進行采樣捕捉，統(tǒng)計液滴到達各個截面的所需的平均時間，圖4即為從噴嘴出口噴淋的液滴隨時間的分布情況。剛離開噴嘴1s左右的時間，不同噴嘴錐角下的液滴分布較為相近，這是因為初始階段液滴的速度衰減主要受液滴初始速度的影響，而液滴之間的分散情況影響較小，而大于2s后，從較小錐角噴淋的液滴分布較為集中，核心處的液滴受煙氣曳力作用降低，依舊能夠保持一定的流速通過蒸發(fā)空間，降低液滴在塔內的停留時間。

圖4 不同噴嘴錐角下噴淋的液滴隨時間的分布圖

同時，如表2所示的液滴蒸發(fā)在噴嘴噴淋距離為0~10m的區(qū)域是主要的蒸發(fā)區(qū)間，噴嘴錐角為90°和120°的工況下在該區(qū)域的蒸發(fā)占比達到了78.48%和84.38%，液滴的停留時間也達到4s以上。而噴嘴錐角為30°的工況，由于在該區(qū)的停留時間過短，廢水液滴與煙氣在該區(qū)的傳質過程受限，導致其蒸發(fā)量較小。

表2 不同噴嘴錐角下脫硫廢水蒸發(fā)

3 結論

以合川雙槐電廠一期脫硫廢水零排放項目的煙氣余熱濃縮塔為實驗模型，分析了不同角度的錐形噴嘴在蒸發(fā)濃縮脫硫廢水時的蒸發(fā)效率，考察了噴嘴角度對液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。整體上來看，噴嘴錐角為90°和120°的工況下脫硫廢水的蒸發(fā)效果更高，回落塔底的廢水量小。同時，在噴淋塔設計時要保證蓄水液面與噴淋層的高度至少為10m，才能保證脫硫廢水的蒸發(fā)效率較高。