作者：王涛1 ，邢浩若2 ，刘道宽2 ，张峰1 ，郭绍源2 ，武凯2 ，马双忱2*

要：以燃煤电厂生产过程中产生的脱硫废水为研究对象，探讨采用机械雾化蒸发技术处理脱硫废水。通过理 论研究，找出影响蒸发的主要因素包括液滴直径、温度、风速等，针对现有自然蒸发技术的不足，将自然蒸发技术与 加装雾化装置、增加水体热量以及增加蒸发过程中风的流速等强化蒸发技术相结合，由此形成了机械雾化蒸发技 术。目前，机械雾化蒸发技术在燃煤电厂脱硫废水处理、煤化工废水处理等领域均有应用，取得了一定的成效，但 使用过程中要注意防范可能造成的环境污染。这一技术依旧存在一些不足，今后可以采取多能耦合等方法进行改 进，使机械雾化蒸发真正成为低成本的零排放技术。

关键词：脱硫废水；机械雾化蒸发；自然蒸发；强制蒸发；多能耦合

0 引言

随着2020年的到来，“十四五”规划中计划实行 的《水污染防治行动计划》也进入了攻坚之年，因此 对水环境的治理与保护依然是当前工作的重中之 重。各行各业都在开展创新设计与技术尝试，以加 强对污水的处理，在所需处理的污水中，工业废水 占很大的比例。 全国发电企业以火力发电形式为主，为了响应 保护环境的基本国策，治理好电厂运行中带来的各 种环境污染问题，众多火电厂开展了有益的探 索［1-4］ 。石灰石-石膏湿法脱硫技术因其工艺较成 熟、脱除效率较高以及运行稳定等特点被广泛应 用［5］ ，但脱硫废水含盐量高、有一定的腐蚀性、易结 垢、重金属含量高且成分复杂，是火电厂生产过程 中最难处理的一部分废水。现有的脱硫废水处理技术主要以预处理、浓缩减量、末端固化这3个过程 为主，通过选择不同的处理工艺来达到脱硫废水零 排放的最终目的。 经济效益与安全可靠是衡量技术选择的重要 标准［6］ 。例如，将脱硫废水喷洒到煤场是通过锅炉 燃烧来蒸发脱硫废水，这种方法简单经济，但在煤 的燃烧过程中，脱硫废水中的氯会以氯化氢的形式 析出，不但会增加锅炉设备的腐蚀风险，而且会在 脱硫塔内进一步富集，造成脱硫废水氯离子含量持 续增高［7］ 。常用的膜法处理技术也存在运行不稳 定、投资运行成本较高的缺点，并且膜法处理技术 的使用条件以及使用后膜的更换清理也存在一些 问题［8］ 。蒸发结晶技术在零排放方面的使用效果较 好［9］ ，但存在系统复杂、能耗高、设备易结垢、副产品 利用困难等问题。而传统的自然蒸发技术也存在 占地面积较大、效率低、可能对环境造成污染等问 题。因此，本文介绍一种操作简便、经济性较好、运 行稳定的技术，即机械雾化蒸发技术。 本文通过分析水体自然蒸发过程，来确定蒸发 过程的影响因素，以便探讨机械化蒸发技术的优 势，并提出进一步改进方案。

1 自然蒸发技术国内外研究现状

1. 1 国外研究现状

由于淡水蒸发受温度、湿度、自然降雨量、太阳 辐射、风速、大气压强等多种因素共同影响，因此， 自然蒸发是一个复杂的过程，需要大量的试验数据 支持。 1802 年，Dalton 根据空气动力学原理提出了蒸 发计算公式，并首次考虑了风、温度、湿度对蒸发的 影响。

， 式中：w为水面蒸发速率；（ew-e）为空气的饱和差，ew 为水面温度下的饱和水汽压，e 为水面上空气的实 际水汽压；p为大气压；C为与风速有关的比例系数。 因此，水面的蒸发速率与水面上空气的饱和水 汽压同实际水汽压的差值成正比，而与水面上的气 压成反比，与水面的风速成正比。这一公式也为后 续各种公式提供了基础思路。 1926年，Bowen提出了波文比法，这种方法基于 地表能量平衡方程而提出，优化了计算过程，减小 了部分误差［10］。在实际应用中，其准确性也比 较高［11］ 。 1948年，Penman建立了能量平衡和空气动力学 联合蒸散方程，其计算方法中的部分参数是依据特 定气候条件建立的，在英国使用效果较好，但通用 性较差［12］ 。 1974 年，Ryan Harlenman 考虑了平板传热比拟 和天然水温的蒸发公式后提出了 R-H 模型。1990 年，Adams 对 R-H 模型加以改进，使用了自然对流 与强迫对流矢量相加的方法。改进后模型的准确 性有所提升［13］ 。 1985 年，Shuttle-worth 和 Wallance 提出了系列 双层蒸散模型（即双源模型或S-W模型），这种蒸散 模型比以往的单层蒸散模型具有更高的准确性［14］ 。 由于蒸发过程受气候、地区等条件的影响，并 且受测量方法与仪器的限制，因此尚未形成世界通 用的水面蒸发计算模型，各地需依照其气候条件选 择适合的模型。

1. 2 国内研究现状

国内对水面蒸发计算也有不少研究，研究方式 大多是通过分析局部地区观测站的观测资料，构成 经验公式或半经验公式，因而大部分公式具有很强 的局地性特征，也难以进行全国性推广［15］ 。在这些 已发表的研究中，有 3 个水面蒸发计算公式一直被 广泛使用。

1. 2. 1 李万义公式

式中：E 为水面蒸发量，mm；φ 为相对湿度，以小数 计；e0为水面水汽压，hPa；e150为水面以上1. 5 m处空 气中的水汽压，hPa；v 为水面以上 1. 5 m 处的风速， m/s。 该公式是水利部黄河水利委员会巴彦高勒蒸 发实验站李万义提出的［16］ ，他对影响水面蒸发的因 素进行了分析并对水面蒸发物理过程作了部分假 设。该模型与一般模型相比有一定改进，但模型结 构在水面蒸发机制与数学原理的关系上有一定的 矛盾，而且模型参数的确定仅使用了单个站的 资料。

1. 2. 2 全国通用公式A

式中：v为水面以上 1. 5 m 处的风速，m/s；Δt为水汽 温差，℃，Δt≥0时α04=0，Δt＜0时α04=0. 01；es为水面 水汽压，hPa；ea为水面以上 1. 5 m 处空气中的水汽 压，hPa。 这一公式是中国科学院南京地理与湖泊研究 所濮培民等［17-18］ 提出的，该公式综合了水、汽温度， 相对、绝对湿度，气压及风速等影响因素，并结合不 同区域的水面蒸发试验数据确定相关系数。但在实际应用过程中，由于部分数据的取得较为困难， 因此不利于推广使用。 1. 2. 3 全国通用公式B E = [ 0.027 + 0.015 6v2 + 0.025| Δt | ] 1 2 × (es - ea )。 这一公式由中国水利水电科学研究院冷却水 研究所陈惠泉、安徽省水利科学研究所毛世民 等［19-20］ 提出。他们以从实验室环境参数可控的回流 式低速风洞系统中取得的水面蒸发试验资料为基 础，建立了包含风速与水汽温差 2 个因子的水面蒸 发系数计算模型。该模型的系数由实验室数据分 析得出，并经过了多个国内外蒸发实验室的检验。 该公式包含了风力与水汽温差分别对水面蒸发的 影响，因此能将水面蒸发过程中自由对流与强迫对 流的共同作用展现出来［15］ 。但其缺点也比较明显， 由于是根据实验室资料确定的系数，实际应用中气 候改变时会产生较大误差，可应用性也略差于公 式A。 除上述公式外，施成熙、洪嘉琏等也根据实际 情况对国外公式进行了修正，以适应特定的环境要 求［21］ 。但由于自然蒸发过程要考虑的影响因素过 多，因此暂未形成一个统一的公式。 1. 3 自然蒸发的蒸发能力测算 某地相对湿度 φ取 0. 5，水汽压差（e0-e150）取 12 hPa，变量为水面以上1. 5 m处的风速。将风速0. 5， 1. 0，1. 5 m/s 分别代入李万义公式，计算得出 E0. 5= 3. 283 3 mm，E1. 0=3. 694 1 mm，E1. 5=4. 281 5 mm。由计 算结果可知，自然蒸发能力很难达到工业要求的处 理速率。自然蒸发技术对气候较为敏感，空气湿度 较大、风速较小等因素会影响处理效率；同时，自然 蒸发所需要建设的蒸发塘面积也很大：这些因素都 制约了自然蒸发技术的应用。 由此需要引入机械强制蒸发方法，这种方法通 过增加机械雾化设备，使空气与要处理的废水接触 更加充分；同时，设备还提高了空气流速，使得蒸发 进程加快［22］ 。此方法的引入，可以大幅缩减蒸发塘 建设面积，提高蒸发效率，节省建设成本［23］ 。

2 机械雾化蒸发理论 机械雾化蒸发过程的影响因素很多，因此需要 建立合理的模型体系对其进行分析，首先要建立的 便是液滴蒸发过程的模型研究。

2. 1 液滴蒸发理论 将纯水作为研究对象，液滴在蒸发过程中会受 到四周空气流动的影响。建立液滴蒸发速率公式 后，对公式进行定量分析并对影响因素进行定性试 验，便可将蒸发速率控制在一定的范围内。同时， 对部分影响较大的因素进行加强，便可将其应用于 废水的蒸发浓缩过程，以达到废水浓缩减量的 目的。 通 过 整 合 液 滴 蒸 发 速 率 表 达 公 式 dw ∕ dt = KX A( xw - x)、球形液滴在静止空气中的传质表达式 Sh = KX D ∕ Dv 以及球形液滴的总传递系数表达式 Sh = 2 + k1 (Re) x (Sc)（y 通常 k1取 0. 60，x 取 0. 50，y 取 0. 33）可得到蒸发速率公式［24-27］ dw dt = Dv A é ë ê ê ù û ú ú 2 + 0.6 ( ) DuR ρa μa 0.5 ( ) μa ρaDv 0.33 ( xw - x) D ， 式中：dw ∕ dt 为蒸发速率；Dv 为溶液的扩散系数；A 为传质面积；D为液滴直径；uR为液滴和空气介质的 相对速度；ρa，μa为空气的密度和黏度；x为液滴表面 空气含湿量；xw为空气的饱和含湿量；xw-x为以含湿 量差表示的传质推动力；Re 为雷诺数；Sc 为施密 特数。 通过分析公式所需要的数据，可推导出具体的 影响因素。

2. 2 液滴蒸发的影响因素 假设液滴形状为理想的球形，设其体积为定值 V，则粒径与蒸发表面积S的关系可表示为下式［28］

， 式中，6V ∕ π为定值，由此可推知蒸发表面积 S 的大 小与液滴粒径 d 成反比，而蒸发表面积越大的物体 蒸发速率越高，因此，当液滴粒径在一定范围内尽 可能小时，蒸发速率也会随之增大［29］ 。 蒸发速率公式中：xw-x可由与大气压、水蒸气分 压以及空气绝对温度有关联的计算来表示，因此温 度、大气压对蒸发存在一定的影响；湿空气密度ρa是 与相对湿度有关的参数，因此相对湿度也是影响因 素之一；扩散系数 Dv 是随着温度升高而变大的，因 此温度对蒸发的影响更加明显。

2. 3 其他因素 在环境因素中，由 Dalton 蒸发定律进行拓展分 析，将液滴扩大化后，考虑为一个蒸发整体，当饱和 水汽压、实际水汽压与气压一定时，风速对液滴的 蒸发也有很重要的影响。以此类推，处于实际蒸发 过程的液体还受到太阳辐射的影响，辐射与水面蒸 发计算公式为 E = CE (w* Rs)， 式中：Rs为按等效蒸发计算的太阳辐射量，mm；CE为 取决于平均湿度与平均风速的修正系数；w* 为取决 于平均湿度与气压的权重系数［30］ 。

由以上公式可分析出，辐射与蒸发接近正比关 系，因此辐射也是影响蒸发的一个因素。 综合以上分析可确定，对液滴蒸发过程存在影 响的因素包括温度、风速、大气压、相对湿度、液滴 直径以及太阳辐射等。这些影响因素也可以运用 到后续强制蒸发的探究中去。 3 强制蒸发技术手段 通过以上分析得出一些可以应用于实际生产 生活的方法，以此来加强蒸发过程。采用蒸发的方 式处理废水一般都是固定地点，因此大气压、相对 湿度的变化很小，可以暂时不考虑。 （1）液滴直径的影响。液滴直径越小，液体的 蒸发表面积越大，蒸发效果越好，所以可以将蒸发 塘内的水雾化后喷出，通过增大蒸发面积来达到强 化蒸发的目的。最优的雾化液滴直径需要在实际 试验中进行模拟计算。雾化装置的选择需要考虑 池塘总的水体容积、池塘表面积、需要蒸发水的流 量以及水体自身的物理化学特性等因素，这些因素 直接影响雾化装置的运行效率以及最终的蒸发 效果。 （2）温度的影响。强制蒸发过程中温度的影响 不仅是大气温度的影响，而且还包括额外加热的影 响。工厂运行过程中产生的多余蒸汽可以用来对 蒸发塘进行间接加热，提高水温，增加蒸发量［31］ 。 而在蒸发塘顶部加装太阳能电池板或太阳能集热 器后产生的电能与热能，也可继续应用于强制蒸发 过程。 （3）风速的影响。风速在一定范围内增大，可 以加强蒸发的进程，因此风力的增加有助于强化蒸 发过程［32］ 。但过大的风速可能会将雾化的液滴吹 离蒸发塘，水体内含有的污染物也会随着液滴扩散 到周围的土壤环境中，造成新的环境污染。因此， 有必要设置挡风板等减少风吹损失，以防止对环境 造成二次污染。

4 机械雾化蒸发技术的应用

我国西北地区幅员辽阔、气候干旱、降雨量少， 因此机械雾化蒸发技术的使用较多。多个电厂以 及内蒙古、新疆等多个煤化工企业或园区都建设了 蒸发塘，应用机械雾化蒸发技术处理工业废水。实 践表明，该技术蒸发速度是自然蒸发的 10～14 倍， 且不会产生二次污染，能耗低、运行可靠、处理效 率高［33］ 。 但机械雾化蒸发技术的应用也同样存在一些 缺点：缺少相应的技术规范和标准，使得整个设备 的建设运行与管理没有统一标准［34］ ；由于设备运行 需要蒸发塘，所以占地面积会比较大；降雨会对设 备运行效率产生影响；废水存在通过蒸发塘底部渗 入地下的可能［35］ ；过大的风力可能会将喷雾液滴携 带走，造成环境污染，还需要在使用过程中探索减 少风吹损失的方法。 改进的措施包括：按《危险废物安全填埋处置 工程建设技术要求》和《危险废物填埋污染控制标 准》的要求加强蒸发塘的防渗建设［36］ ；蒸发塘周边 进行雨水阻断的建设，防止暴雨时雨水进入蒸发 塘［35］ ；如果周边有环境敏感区，蒸发塘周围可布置 挡风板等，以防液滴吹入周围环境中。

5 多能耦合的机械雾化蒸发设想

通过对蒸发理论的分析可以得出多种对蒸发 有促进作用的因素，因此可以考虑将这些因素的正 向影响施加在单一的机械雾化蒸发技术中，形成多 能耦合的机械雾化蒸发技术，从而促进蒸发效率的 提高。 在电厂应用过程中，如果条件允许，可将低温 烟气引入蒸发塘，使需要处理的废水升温，加速水 体蒸发。另外，可以将太阳能的应用引入其中，一 方面可由太阳能电池板发电，产生的电能用以驱动 蒸发塘附属设备，另一方面可以采用太阳能集热器 收集热能，与处理中的水体换热，进一步强化蒸发 过程；同时，太阳能电池板还可以作为蒸发塘的挡 板，以减少雨水的回流。

6 结论

（1）自然蒸发技术相较于其他废水处理技术有 着不少优势，但效率较低、占地面积较大、对气候敏 感、对地下水防渗及周边环境防护要求较高等缺点 制约了这一技术的推广。 （2）将强制蒸发手段引入自然蒸发中，形成机 械雾化蒸发技术。这一技术通过将蒸发塘中的废 水进行雾化，增加废水与空气的接触面积，达到了 增强蒸发效果的目的。 （3）机械雾化蒸发技术与原来的自然蒸发技术 相比，明显减少了蒸发塘的占地面积，在运行效率、 稳定性、经济性与适用性上也有着不少优势。但在 机械雾化蒸发技术建设与运行过程中，要时刻检测 周围环境变化，防止对环境造成二次污染。 （4）机械雾化蒸发技术与太阳能、蒸汽换热或 其他强制蒸发方法的联合使用使这一技术拥有了 一定的创新空间。在权衡实用性与经济性后，可以 得到一个适合各地区气候环境的优化方案。