作者：李飞1，陈海杰1，刘峰均2，谷小兵1，车广民2，白玉勇1，杨林军2 (1. 大唐环境产业集团股份有限公司，北京　100097；2. 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室 （东南大学），江苏 南京　210096)

摘　要：脱硫废水旋转喷雾干燥技术是一种利用热烟气蒸发脱硫废水的零排放技术。开展了不同悬浮物 （SS）含量的脱硫废水原水以及经浓缩的高盐废水的蒸发实验，采用可视化手段观察了脱硫废水在干燥塔 内的蒸发特性，考察了脱硫废水喷雾蒸发过程中停留时间、进口烟气温度、气液比对蒸发特性的影响。结 果表明，旋转喷雾蒸发工艺对高盐、高 SS 含量等复杂脱硫废水组分具有较佳的适应性；脱硫废水从旋转 雾化器喷出后迅速蒸发，主蒸发区在雾化盘下方0.75~1.00 m区域内；随后是蒸发析出的未干盐分及未完全 蒸发的废水液滴进一步蒸干至含水率低于2 %；烟气在喷雾干燥塔内的停留时间需要维持在20 s以上才能保 证塔出口灰分含水率低于2 %；入口烟气温度越高，其塔底及塔出口的灰分含水率越低，在气液比为12 000 m3 /m3 （标准状态）的废水工况下，入口烟温为280 ℃时已经难以保证废水液滴良好蒸发；在入口烟气温度为340 ℃、 气液比大于10 000 m3 /m3（标准状态）时，塔底灰分含水率小于 2%，蒸发效果良好。

关键词：脱硫废水；蒸发特性；停留时间；悬浮物浓度；可视化实验

0 引言

目前，燃煤电厂普遍采用石灰石˗石膏湿法脱 硫工艺，该工艺具有脱硫效率高及运行成本低等 特点，但运行过程中会排放一定量的脱硫废水， 排放量为 15~20 kg/（MW·h）[1-6]。脱硫废水一般 具有悬浮物含量高、水质为弱酸性、含盐量高等 特点[7-9]，因此不能直接排放。近年来，随着“水 十条”的发布[1 0-1 1]，工业水的排放标准更加严 格，脱硫废水作为工业水的一种，其排放控制引 起了广泛关注。 旋转喷雾干燥技术是利用旋转雾化器将液滴 雾化成粒径为 10~60 μm 的细小液滴喷入干燥塔， 从空预器前引出高温烟气作为热源将液滴在干燥 塔内快速蒸干，可有效解决主、旁路烟道蒸发技 术积灰和喷嘴堵塞的问题，相较于主烟道蒸发技 术和旁路烟道蒸发技术有一定的技术优势，具有 良好的应用前景。 本文开展了不同悬浮物及含盐量的脱硫废水 蒸发实验，并采用可视化手段观察了脱硫废水在干燥塔内的蒸发特性，在此基础上考察了脱硫废 水喷雾蒸发所需要的停留时间，从而为脱硫废水 旋转喷雾蒸发工艺的工程应用提供实验基础。

1 实验装置及分析测试

1.1 实验装置

脱硫废水旋转喷雾干燥系统如图 1 所示，由 脱硫废水供水系统、模拟烟气系统、旋转喷雾干 燥系统和尾气处理系统组成。干燥塔的顶部布置 有 LPG-50 型旋转雾化器以及蜗壳式热风分布器， 在干燥塔沿程布置温度感应器以及观察孔和采样 孔。干燥塔塔高 6.5 m、塔径 1.6 m，额定处理烟 气量 600 m3 /h（标准状态，下同），额定废水处 理量 50 L/h。废水干燥的工艺流程为：脱硫废水 经脱硫废水供水系统进入干燥塔顶部的旋转雾化 器雾化为细小液滴，在干燥塔内与经过电加热器 加热的中高温模拟烟气接触进行传质传热，干燥 后的颗粒部分被干燥塔自身分离进入塔底，部分 随烟气进入尾气处理系统处理后排放。图 2 为干 燥塔测点的布置，沿程共布置 6 个测点，每个测点之间的距离 为 60 cm，之外有塔入口烟道测点，塔出口烟道测点和塔底测点。

1.2 分析测试方法

实验过程中需要测试沿程烟气温度、湿度、 沿程灰分含水率以及塔底与塔出口灰分含水率。 沿程温度采用热电偶（WRP-130）在线检测；沿 程湿度采用烟气水分仪（HMS545P）测试；沿程 灰分含水率采用自制采样枪采样，将采集的样品 收集到塑封袋进行保存。塔出口烟气中固体颗粒 依据 GB/T 16157—1996《固定污染源排气中颗粒 物测定与气态污染物采样方法》、采用 WJ-60B 型皮托管平行全自动烟尘采样器，在等速采样条 件下由加装于采样枪中的玻璃纤维滤筒采集；塔 底固相颗粒在一组实验结束后打开塔底灰斗阀门 用塑封袋收集并保存。采集到的灰样取部分称重 后放置烘箱在 120 ℃ 的环境下烘干 30~60 min，之 后再次称重。 可视化实验通过在脱硫废水中加入荧光剂， 在紫外灯的照射下经具有耐高温玻璃板的观察孔 进行观察。

2 结果与分析

2.1 脱硫废水原水旋转喷雾蒸发特性 实验选取中盐废水（Cl–质量浓度为 13 489 mg/L）， 在喷雾干燥塔进口烟气温度为 350 ℃、脱硫废水 处理量为 50 L/h、进口烟气流量为 600 m3 /h 的工况 下进行脱硫废水的旋转喷雾蒸发实验。实验进行 2 次，一次烟气含燃煤粉尘（粉尘质量浓度约为 10 g/m3），一次是不含燃煤粉尘。实验记录每个工 况下沿程烟气温度、湿度以及对沿程灰分的含水 率和塔底灰分进行采样并测试，实验结果如图 3、 图 4 和图 5 所示。 由图 3、图 4 以及图 5 可以看出，沿程温度、 湿度和沿程灰分的含水率在测点 1 和测点 2 之间 的变化最为剧烈，随后沿程温度、湿度及沿程灰分的含水率变化趋势逐渐平缓，这表明脱硫废水 经雾化盘雾化喷出之后在测点 1 与测点 2 之间区 域迅速蒸干，属于主蒸发区（距离雾化盘约1.0 m）。 此外，从图 3、图 4 以及图 5 还可以看出，燃煤粉 尘对塔内烟气温度和湿度分布影响不大，但含燃 煤粉尘时，塔中下部固体颗粒的蒸干速率略有降 低，这是由于在含燃煤粉尘的工况下，部分燃煤 粉尘颗粒会与脱硫废水液滴接触并附着在液滴表 面，在液滴蒸发过程中，这部分粉尘会逐渐形成 一层硬壳限制液滴的继续蒸发[12-14]，在主蒸发区 内，由于硬壳尚未完全成型，对液滴蒸发的限制 不大，对沿程颗粒含水率的影响并不明显，当液 滴随着烟气离开主蒸发区至塔体中下部时，硬壳 基本完全成型，限制了液滴的蒸发，这时添加燃 煤粉尘的工况其塔体中下部的灰分含水率会比未 添加燃煤粉尘的工况高。另外由图 5 可知，至塔中 部区域（测点 3），颗粒的含水率基本在 10%~15%， 之后逐步蒸干，至塔底时灰分含水率均在 2% 以下。 2.2 含悬浮物的脱硫废水的蒸发特性 实验选取中盐脱硫废水，采用不含悬浮物的 原始脱硫废水，以及在其中加入燃煤粉尘和石膏 颗粒配制成悬浮性固体（suspended solid, SS）含量 分别为 3%、6% 和 10% 的脱硫废水，在塔入口烟 温约为 345 ℃、烟气流量为 600 m3 /h、烟气不含燃 煤粉尘、脱硫废水液量为 50 L/h 的工况下开展蒸 发实验并测试沿程烟气温度、湿度、干燥塔沿 程、出口和塔底粉尘含水率，实验结果如图 6、图 7 和图 8 所示。

由图 6、图 7 及图 8 可知，在蒸干不同悬浮物 含量的脱硫废水时，干燥塔沿程烟气温度和湿度 变化不大，但随着悬浮物含量的增加，塔体中下 部灰分的含水率有所增加，这是由于在主蒸发区 大部分水分被直接蒸发，而离开主蒸发区后，由于水分的减少，脱硫废水雾化液滴粒径会减小， 脱硫废水中含有的悬浮物颗粒之间的距离会减小 至接触形成一层硬壳，这层硬壳的存在会严重限 制剩余水分的蒸发，而脱硫废水中悬浮物含量越 高，硬壳的厚度越大，对液滴继续蒸发的限制效 果越强。因此，在塔体中下部时，随着悬浮物含 量的增加，灰分含水率会增大[15]。对比图 5 可以 发现，脱硫废水中悬浮性固体对脱硫废水蒸发的 影响高于燃煤粉尘，这是因为进入干燥塔的燃煤 粉尘属于高温干燥颗粒，而脱硫废水中的悬浮性 固体属于高湿低温颗粒，同时，脱硫废水中悬浮 物对废水蒸发后期存在较大影响。但在该工况 下，塔底的含水率均小于 2%，蒸干效果尚可。 2.3 经浓缩的高盐脱硫废水的蒸发特性 为降低热烟气抽取量，部分电厂对脱硫废水 经浓缩减量获得高盐废水后再采用热烟气蒸发处 理。为考察旋转喷雾干燥技术对高盐废水的适应 性，实验选取经低温多效闪蒸浓缩的高盐脱硫废 水，在塔入口烟温为 350 ℃、烟气流量为 600 m3 /h、 脱硫废水量为 50 L/h 下开展蒸干实验并测试沿程 烟气温度、湿度、干燥塔沿程及其塔底粉尘含水 率，实验结果见图 9、图 10 及图 11。 由图 9、图 10 及图 11 可知，经浓缩的高盐废 水在蒸发的过程中沿程烟气温度和湿度普遍略低 于脱硫原水蒸发的过程，在主蒸干区经浓缩的高 盐脱硫废水蒸干产物含水率低于脱硫废水原水， 但在塔体中下部时，高盐脱硫废水蒸干产物含水 率略高于脱硫废水原水，这是由于在蒸干过程中 相界面表面水蒸气处于饱和状态，脱硫废水是含 盐溶液，含盐量越高相界面的表面蒸汽压越低； 另外还由于传质动力为浓度差，高盐废水的浓度 大导致浓度差小，传质动力低于脱硫废水原水[16]。 因此，高盐脱硫废水蒸发难度加大，这也解释了 高盐废水蒸发过程中沿程烟气温度和湿度普遍略低于脱硫原水蒸发过程。此外，高盐废水中含盐 量过高，其本身含水率低于脱硫废水原水，因此 在主蒸发区内，高盐脱硫废水蒸干产物含水率低 于脱硫废水原水，但当未完全蒸干的脱硫废水液 滴随烟气离开主蒸发区到塔体中下部时，高盐废 水的传质效率低于脱硫废水原水的传质效率，另 外由于高盐废水析出的硬壳会严重限制剩余水分 的蒸发，脱硫废水中含盐量越高，硬壳形成越早 越多，会对水分的蒸发起到一定的限制作用，导 致高盐废水蒸干产物的含水率高于脱硫废水原水 的含水率。 2.4 脱硫废水蒸发可视化实验 为了观察脱硫废水在干燥塔内的蒸发特性， 本文开展了可视化实验。可视化实验在典型工 况下进行，即塔入口烟温为 350 ℃、烟气流量为 600 m3 /h、脱硫废水流量为 50 L/h，部分观察结果 如图 12 所示。
从图 12 可以看出（有明显积灰结垢的地方为 温度感应器探头），雾滴粒径细小、质量轻，喷 射后雾滴近似于失重状态，几乎呈现漂浮和弥漫 状态；同时，雾滴和烟气流碰撞后，近乎失重状 态的雾滴随风而动，运动方向发生改变，以一种 紊流状态出现，被烟气包裹后随之有一个旋转的 运动方向。另外，脱硫废水从旋转雾化器喷出后 迅速蒸发，主蒸发区位于雾化盘下方高约 0.75 m 的区间内，脱硫废水雾滴在该区域的停留时间为 2.0~3.0 s，在设于雾化盘下方 2.0 m 处的观察口已 看不到荧光液滴。此外，从上述脱硫废水原水、 含悬浮物的脱硫废水以及经浓缩的高盐脱硫废 水的蒸发特性实验结果也可看出，从塔入口烟温 测点至位于主蒸发区测点的烟温下降最为显著， 水汽含量增加也最为明显（占总增加值的 70%~ 80%）；后续测点的烟温仅降低约 10 ℃、烟气含 湿量仅增加约 2%，均不显著。

2.5 烟气在喷雾干燥塔内的停留时间影响实验 脱硫废水旋转喷雾蒸发是热烟气和脱硫废水 液滴的传质传热的过程，要使最终的固相干燥产 物的含水率小于 2%，一方面要提供足够的热量， 另一方面需要足够的时间。通常，在蒸发的第一 阶段开始的蒸发速率很髙，绝大部分水分在很短 时间内就蒸发完成；但在第二蒸发阶段，蒸发速 率很快降低，要使颗粒达到很低的水分含量需要 较长的时间，另外还要求若干秒的额外时间使最 终的水分含量降低到容许的标准。目前，由于蒸 发过程涉及复杂的气液固三相传热、传质过程， 很难通过理论计算获得精确的蒸发时间，主要依 据中试实验和工程装置运行经验确定。因此，本 文开展了相同气液比（气液比 为 12 000 m3 /m3 废水）下，通过改变进口烟气流量改变停留时间 的实验考察停留时间对废水液滴蒸发的影响。实 验保持入口烟温为 350 ℃、气液比为 12 000 m3 /m3 废水不变，含灰量约为 10 g/m3，选取以下 3 种工 况：（1）烟气量为 600 m3 /h、脱硫废水流量为 50 L/h； （2）烟气量为 720 m3 /h、脱硫废水流量为 60 L/h； （3）烟气量为 900 m3 /h、脱硫废水流量为 75 L/h。 上述 3 种工况对应的停留时间分别为 27 s、21 s 和 18 s，分别测试塔出口灰分含水率和塔底灰分 含水率，实验结果见图 13。
从图 13 可以看出，随着停留时间的增加，塔 出口及塔底灰分的含水率不断降低，当停留时间 从 18 s 增至 21 s 时，塔出口及塔底灰分含水率分 别从 2.78% 降至 1.89%、2.51% 降至 0.92%；当停留时间从 21 s 增至 27 s 时，塔出口及塔底灰分含 水率分别从 1.89% 降至 1.38%、0.92% 降至 0.89%； 当停留时间大于 21 s 时，塔出口及塔底粉尘含水 率均在 2.0% 以下。这表明在脱硫废水液滴蒸干之 前（固相蒸干产物含水率大于 2%），停留时间对 液滴蒸发的影响较大，在脱硫废水液滴基本蒸干 的情况下（固相蒸干产物含水率小于 2%），停留 时间对液滴蒸发的影响较小。这是因为在脱硫废 水蒸发的过程中，大部分水分的蒸发是比较容易 的，随着蒸发过程的进行，一方面脱硫废水液滴 蒸发析出无机盐晶体，无机盐晶体的存在降低了 液体的蒸汽压并减小了传质的蒸汽压推动力；另 一方面随着蒸发过程的进行，蒸发析出的盐分会 在脱硫废水液滴表面形成一层硬壳阻碍废水的蒸 发[17]。

2.6 进口烟气温度的影响实验 实际工程中，干燥塔的热烟气为抽取空预器 前后的中高温烟气。为了考察进口烟气温度的影 响，实验保持烟气量为 600 m3 /h、脱硫废水流量 为 50 L/h、含灰量为 10 g/m3，通过调节空气加热 器的功率，对入口的模拟烟气的温度进行调节， 分别为 280 ℃、300 ℃、320 ℃、340 ℃ 和 360 ℃。 实验过程采集塔底及塔出口粉尘，对其含水率进 行测试，实验结果如图 14 所示。

从图 14 可以看出，塔底及塔出口灰分的含水 率均随着入口烟气温度的升高而减小，在入口烟 气温度从 280 ℃ 上升至 360 ℃ 的过程中，塔出口 及塔底灰分含水率分别从 4.21% 降至 0.89%、3.12% 降至 0.4%。主要原因是雾化液滴与烟气之间的 温差越大，扩散泳力和热泳力作用越强，传质传 热作用越强，蒸发效果越好。以蒸发产物含水率 低于 2% 作为干燥良好的考察指标，在气液比为 12 000 m3 /m3 废水下，入口烟温 280 ℃ 时已经难 以保证废水液滴良好蒸发。工程应用中，空预器 入口烟温会随锅炉负荷发生变化，当锅炉负荷 降低导致烟温下降时，结合上述入口烟气温度对蒸 发特性的影响，需要对热烟气抽取量及脱硫废水 处理量进行同步调节，提高热烟气量或降低废水 处理量，以保证脱硫废水在塔内的干燥蒸发 效果。 2.7 气液比的影响实验 实际工程中由于锅炉负荷过低会导致干燥塔 入口烟气温度过低。为了保证蒸干效果，此时应 通过其他方式进行调节，比如气液比的调节，因 此，本实验考察了气液比对干燥特性的影响。实验 过程中保持入口烟温为 340 ℃、烟气量为 600 m3 /h、 含灰量约为 10 g/m3，脱硫废水流量分别设置为 40、50、60、70、80 L/h，对应气液比分别为 15 000、 12 000、10 000、8 500、7 500 m3 /m3 废水。实验过 程采集塔底及塔出口粉尘，对其含水率进行测 试，实验结果如图 15 所示。 从图 15 可以看出，在入口烟气温度为 340 ℃、 气液比大于 10 000 m3 /m3 时，塔底灰分含水率小 于 2%，蒸发效果良好。气液比降低，塔底及塔出 口灰分含水率升高，主要原因是在热烟气量相同 时，气液比越低相当于脱硫废水流量越高，废 水蒸发所需要的热量越多，如热烟气量不足以 提供废水蒸发所需要的热量就会导致废水无法 蒸干。

3 结论 （1）脱硫废水中悬浮物含量较高时，塔内烟 气温度和湿度分布变化不大，但塔中下部的灰分 含水率有所增大；由于高盐废水蒸发过程中硬壳 的形成量高于中低盐废水，降速蒸发阶段的蒸发 速率要慢于中低盐废水，但仍可保证脱硫废水的 有效蒸干，说明旋转喷雾蒸发工艺对高盐、高悬 浮物含量等复杂脱硫废水组分具有较佳的适应性。 （2）脱硫废水从旋转雾化器喷出后迅速蒸 发，主蒸发区位于雾化盘下方 0.75~1.00 m 的区间 内，脱硫废水雾滴在该区域的停留时间为 2.0~3.0 s， 至塔中部区域，灰分含水率基本为 10%~15%；随 后是蒸发析出的湿盐分以及湿盐分或未蒸发的废 水液滴与粉尘碰撞接触形成的潮湿颗粒进一步蒸 干至含水率低于 2% 的过程；烟气在喷雾干燥塔 内的停留时间需要维持在 20 s 以上才能保证塔出 口灰分含水率低于 2 %。 （3）入口烟气温度、气液比对灰分含水率有 着明显的影响，提升入口烟气温度和气液比均可 降低颗粒含水率。