作者：金宏伟1 ，陈 彪2，4 ，杨景焜2，4 ，陈雨帆2，4 ，张光学3 ，祁志福2，4 ( 1． 浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 317100; 2． 浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，浙江 杭州 311121; 3． 中国计量大学 能源工程研究所，浙江 杭州 310018; 4． 浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121)

摘 要: 对某电厂 1000 MW 机组旁路烟道脱硫废水干燥塔进行了数值模拟研究，得到内部流场和液滴蒸发情 况，并探索了运行参数的影响规律。设计工况时，塔内上部存在烟气的环状射流，形成回流卷吸，促进了液滴蒸 发。蒸发过程主要在干燥塔中上部空间内完成，液轨迹分布合理，未见贴壁现象。当废水处理量增大时，所 需的烟气量增加，使干燥塔阻力升高，液滴蒸发所需的时间和距离增加。作为热源的高温烟气温度对蒸发影响 很大，当温度降低至 315 ℃时，液滴轨迹较长，约 0． 22% 液滴发生贴壁。另外，雾化参数也很重要，粒径过小时， 液滴主要集中在干燥塔中部较小空间，体积利用率低; 粒径过大则会使液滴轨迹过于水平扩展，容易发生贴壁。 研究结果可为电厂实施脱硫废水零排放提供一定的参考价值。

关键词: 脱硫废水; 干燥; 雾化; 数值模拟; 液滴

0 引 言

我国火力发电机组普遍采用石灰石 － 石膏法 烟气脱硫技术脱除烟气中的二氧化硫污染［1］，然 而该系统在运行时，脱硫浆液中会不断富集各种 盐分、氯离子、颗粒物及重金属［2］，使 pH 值发生 改变、水质恶化，影响脱硫效率并腐蚀设备［3］，因 此，需要定期排出脱硫废水，使脱硫循环浆液中的 氯离子控制在 20 g /L 内［4，5］。此外，电厂中的锅 炉循环水、排污水、冷却水及化学车间排水通常也 汇入脱硫塔集中处理［6，7］，因此脱硫废水可谓是 全厂废水梯级利用的终点，水质最为恶劣［8］。 脱硫废水的主要特点［9 － 11］: ( 1) pH 值 = 4． 5 ～ 6． 5，呈弱酸性; ( 2) 含大量 Cl － 、SO2 － 4 等阴离 子，尤 其 是 Cl － 浓 度 高，腐 蚀 性 强; ( 3 ) 含 大 量 Na + 、Ca 2 + 、Mg 2 + 等阳离子; ( 4) 固体悬浮物高; ( 5) COD 及重金属超标。 传统的脱硫废水处理手段是“三联箱”工艺， 包括中和、沉淀及絮凝等步骤，具有较好的净化效 果，能够满足废水行业排放标准［12］。但是，该方 法缺点是无法脱除氯离子，出水仍不能达到零排 放要求［13］。因此，探索合适的脱硫废水零排放处 理技术成了近几年来的研究热点之一。2016 年 9 月，国家 环 保 部 发 布《火电厂污染防治技术政 策》，明确提出: 脱硫废水应采用中和、化学沉淀、 絮凝及澄清等工艺进行处理，鼓励利用余热蒸发 干燥、结晶等处理工艺对脱硫废水进行处理［14］。 脱硫废水零排放技术一般包括预处理、浓缩 减量和转移固化等三个基本步骤［5］。每个步骤 又有多种技术方案供选择，预处理可以使用电厂 原有三联箱工艺或者双碱法，主要目的是调节脱 硫废水 pH 值，降低 Ca 2 + 和 Mg 2 + 浓度等，以免造 成设备结垢腐蚀［15］。浓缩减量包括膜浓缩和热 力浓缩两类［16］，主要是为了减少后续零排放的处 理量、节能和降低运行成本。转移固化是脱硫废 水零排放处理的最后一个环节，将废水中有害成 分转移至粉尘、灰渣或结晶盐中，包括蒸发结晶、 蒸发塘及烟气余热蒸发等［17］。烟气余热蒸发指 的是以锅炉尾部中低温烟气为热源，使雾化后的 脱硫废水受热蒸发，污染物变成固态细颗粒物 进入烟气，与飞灰一起通过除尘器捕集。该方 法因投资成本低、系统简单可靠、对水质要求低 及能耗低等诸多优点，受到了国内外学者的广 泛关注。 烟气余热蒸发又可以分为主烟道蒸发和旁路 烟道蒸发两种［18］。主烟道蒸发是指利用锅炉现 有设备，采用雾化喷嘴将脱硫废水喷入电除尘器 入口烟道进行蒸发，投资成本非常低，设备改造量 很小。但是，由于受到锅炉原始烟道空间限制且 烟气温度不高，蒸发需要的时间较长，容易发生液 滴喷到烟道内壁的问题，长期运行会造成烟道腐 蚀及固体结晶堆积堵塞烟道［19］。旁路烟道蒸发 是引出一部分锅炉省煤器后中温烟气，在旋转喷 雾蒸发塔等专用设备中对脱硫废水进行蒸发处 理，与主烟道蒸发方法相比，该系统可以独立运 行，不易受锅炉负荷和烟道结构影响，蒸发效果更 好［6，20］，且引入的烟温较高，可减小设备体积，因 此具有很好的应用前景。 本文以浙江省某电厂 1000 MW 机组脱硫废 水处理系统为研究对象，采用计算流体力学方法， 对干燥塔内流场进行模拟，得到速度、温度和组分 分布，以及液滴运动与蒸发情况，研究废水处理 量、烟气温度和雾化参数对干燥的影响规律，研究 结果可为脱硫废水处理技术的发展提供一定的参 考。

1 废水干燥系统

浙江省某电厂 1000 MW 燃煤机组采用石灰 石 － 石膏法烟气脱硫技术进行脱硫，产生的废水量 约为 5 ～ 15 t /h。为了响应国家目前的电厂零排 放政策，2019 年初新建了脱硫废水旁路干燥处理 项目。 该系统的核心设备是喷雾干燥塔，其结构如 图 1 和图 2 所示。干燥塔上部布置旋转式喷雾 器，由高速电机带动，将脱硫废水雾化为几十微米 的超细液滴，沿圆周切线喷出。干燥热源来自锅 炉省煤器出口烟气，通过截面积逐渐变小的蜗壳 式风室，沿周向进入干燥塔。为了使热烟气速度 分布均匀，蜗壳式风室出口布置了导流叶片。随 后，烟气经过两个锥桶型通道往下运动，通道内同 样布置了导流叶片，用于调节气流旋转强度。干 燥后，废水中的盐结晶进入烟气中，处理完毕后烟 气在电除尘器汇入主烟道。由于干燥塔及管道阻 力小于空气预热器，因此该系统无需另设高温风 机，依靠空预器进出口的烟气压差即可。

2 几何与数值模型

2． 1 几何模型及网格

如图 3 所示，数值模拟计算域的范围为干燥 塔入口至出口，使用 Solidworks 三维软件按 1 ∶ 1 尺寸建模。内部的导流叶片等简化近似为零厚度 壁面。采用 Ansys ICEM CFD 软件平台对几何模 型进行全四面体网格划分，并对雾化器、烟气进口 套筒和导流叶片周围的网格进行局部加密。经过 网格无相关性验证，最后采用的总网格数约为 450 万，网格质量优于 0．4。 2． 2 数学模型及计算条件 流场数值模拟采用 Ansys Fluent 软件平台完 成，其中气相流动的计算采用可实现的 k-ε 湍流 双方程模型( Ｒealizable k-ε Model) ; 废水雾化液 滴运动轨迹及蒸发过程采用离散相模型( discrete phase model，DPM) 跟踪计算，气液双向耦合。采 图 3 计算模型及网格 用 Simple 求解方法，动量和压力均采用二阶离散 格式。 进口烟气温度为 315 ～ 335 ℃，烟气量根据废 水处理量确定，蒸发塔出口烟气温度为 140 ℃ 左 右，脱硫废水含盐量约为 2% 。旋转雾化器的转 速为 10000 ～ 12000 r/min，液滴粒径分布满足 Ｒosin-Ｒammler 规律，平均粒径为 50 ～ 100 μm，出 口速度为 130 ～ 150 m /s。蒸发塔外壁面采用岩 棉进行保温，导热系数为 0． 038 W/( m·K) ，采用 壳传热模型计算散热。

3 计算结果及分析

3． 1 设计工况下的计算结果 对设计工况下的干燥塔运行过程进行数值模 拟，进口烟温为 335 ℃，平均粒径为75 μm，处理量 为 10 t /h。模拟得到的干燥塔内压力分布如图 4 所示。结果表明，干燥塔的运行阻力约为 350 Pa， 远小于机组空气预热器阻力。压力损失主要由 上部的蜗壳和旋转喷雾器外侧的烟气进口通道 引起。在干燥塔本体，由于气流速度较低，压降 很小。

5 为干燥塔内速度场分布。由速度云图和 矢量图可见，高温烟气通过蜗壳和两层气流通道 进入干燥塔，形成速度约为 30 m /s 环状射流。由 于几何模型的不对称及蜗壳周向风量分配不均， 射流并非完全对称。旋转射流卷吸附近气流，形 成大尺寸回流，加强了干燥塔内气体混合，可以促 进液滴干燥蒸发。由于喷雾器高速旋转，附近形 成了很小的局部高速区。图 6 为烟气进入干燥塔 后的气流轨迹分布。结果表明，烟气受到蜗壳导 向及导流叶片作用，进入干燥塔后产生一定的旋 流，随后大部分气流继续向下螺旋运动，另一小部 分气流回流至干燥塔上部。 干燥塔内的温度分布见图 7。由图可见，高 温烟气在旋转喷雾器附近区域内很快完成了温降 过程，而塔内其余位置的烟气温度分布比较均匀， 这表明液滴蒸发过程主要发生在旋转喷雾器附近 位置，蒸发进行得比较快。图 8 为干燥塔内水蒸 气浓度分布，由于大量废水蒸发，塔内平均 H2O 质量浓度达 13% 左右，其中喷雾下方由于液滴迅 速蒸发，导致 H2O 浓度最高。

图 9 是干燥塔内废水液滴轨迹分布情况。计 算结果表明，废水液滴后从旋转喷雾器出口沿径 向水平喷出，然后在高温烟气及自身重力的作用 下，转为向下螺旋运动; 同时，由于蒸发，粒径逐渐 变小; 最终，所有的液滴在干燥塔的中部位置完成 蒸发。由图可见，废水液滴轨迹分布合理，未见明 显偏斜，且主要集中于干燥塔中上部，未见液滴 “贴壁”现象，避免了盐分在干燥塔内壁面结晶沉 积及腐蚀问题。

3． 2 废水处理量的影响 由于电厂负荷及热力系统工况多变，脱硫废 水量也经常发生波动，因此在实际运行中，干燥系统处理量也会在一定的范围内变化。图 10 显示 了废水处理量对干燥塔阻力的影响，烟气进口温 度为 335 ℃、平均粒径为 75 μm。计算结果表明， 处理量较低时，由于所需的高温烟气也较少，因此 干燥塔阻力很小，废水处理量 5 t /h 时阻力不到 200 Pa。随着处理量的增加，作为干燥热源的高 温烟气流量也随之提高，设备阻力大幅增加，15 t /h 时的阻力已经达到了接近 800 Pa，加上其它 烟气管道，干燥系统的阻力可能会超过空预器阻 力，使该系统无法正常运行。 图 10 处理量对干燥塔阻力的影响 图 11 给出了不同处理量时的废水液滴轨迹。 当处理量较小时，由于高温烟气量减少，对液滴的 下压作用减弱，此时液滴主要沿径向运动，蒸发过 程主要在干燥塔上部完成。当处理量较大时，烟气 量增加，速度提高，液滴被吹至干燥塔下部，轨迹分 布与低负荷完全不同。计算结果表明，在 5 ～ 15 t/h 处理量范围内，均未见液滴发生贴壁现象。

3． 3 烟气温度的影响 当锅炉负荷变化时，作为热源的烟气温度也 会随之变化。表 1 是进口烟温对干燥塔运行情况 的影响。模拟参数为: 处理量 10 t /h、平均粒径 75 μm、烟气量为 8． 3 万 m3 /h。模拟结果表明，热 源温度的变化，对设备阻力影响不大; 但烟温降低 会使液滴干燥过程延长，当降低至 315 ℃时，由于 液滴轨迹拉长，已经开始有少量( 0． 22% ) 液滴发 生贴壁现象，虽然比例很低，但是长期运行还是会 给设备安全造成一定的隐患。
3． 4 雾化参数的影响 图 12 给出了平均雾化粒径对废水液滴轨迹 的影响。处理量为 10 t /h、烟温为 335 ℃。由图 可见，当粒径较小时，从喷雾器出来的液滴动量较 弱，刚性较差，容易被烟气吹向干燥塔下部，液滴 轨迹主要集中于中部，未能充分扩展，体积利用率 降低; 当粒径很大时，由于动量大、刚性强，液滴趋 向于沿着干燥塔径向水平运动，容易造成液滴贴 壁，且干燥塔下部利用率较低。在本文的计算工 况下，75 μm 的平均粒径比较合适

4 结 论 对浙江省某电厂 1000 MW 机组旁路烟道脱 硫废水干燥塔进行了数值模拟研究。结果表明， 在设计工况下，烟气在塔内上部形成环状射流，形 成较大尺寸的回流，促进了液滴干燥。干燥塔阻 力约为 350 Pa，压降主要由进口蜗壳和导流板产 生。液滴蒸发过程主要在干燥塔中上部完成，液 滴轨迹分布合理，未见贴壁现象。 当废水处理量增加时，所需的烟气流量增加，干燥塔阻力升高，同时，液滴蒸发所需的时间和空 间增加，模拟结果表明该设备能够适应 5 ～ 15 t /h 处理量。热源温度对蒸发影响也很大，当温度降 低至 315 ℃时，液滴轨迹过长，约 0． 22% 液滴发 生贴壁现象，有一定的运行隐患。此外，雾化粒径 也很关键，粒径过小时，液滴主要集中在干燥塔中 部，体积利用率低; 粒径过大则会使液滴轨迹过于 扩展，容易发生贴壁现象