作者：潘好伟１，张 亮２，李 伟２，郜 宁２，刘 寅２，邹 梦２ （１．新疆新能集团有限责任公司 乌鲁木齐电力建设调试所，新疆 乌鲁木齐 ８３００１１； ２．国网新疆电力有限公司 电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 ８３００１１）

摘要：研究了采用喷雾蒸发试验台在含尘烟气中喷雾蒸发脱硫废水，考察了烟气中飞灰质量浓度、烟气流动速 度和温度、喷雾流量对雾滴完全蒸发距离的影响，以及废水喷雾蒸发对烟尘比电阻的影响，建立了液滴蒸发动 力学模型，并采用该模型解释了飞灰质量浓度、烟气流动速度和温度等对雾滴蒸发速度的影响。结果表明：飞 灰质量浓度可显著提高雾滴蒸发速度，缩短雾滴完全蒸发距离；提高烟气流动速度会加快雾滴蒸发；但雾滴移 动速度加快会加大雾滴完全蒸发距离；随烟气温度升高，液滴蒸发速度提高，雾滴完全蒸发距离缩短；喷雾 流 量越大，雾滴完全蒸发距离也会延长；随废水喷雾流量增大，飞灰比电阻略有升高。

关键词：脱硫废水；烟气；喷雾；蒸发；雾滴 

石灰石－石膏湿法脱硫技术较为成熟且脱硫效 率较高，广泛用于燃煤电站锅炉烟气的ＳＯ２ 脱除治 理。湿法脱硫工艺会产生大量脱硫废水，废水成分 复杂，污染严重，不能直接外排，需要处理［１］。 脱硫废水治理技术有多种［２－３］，其中蒸发结晶 法和烟道蒸发法应用较广［４］。烟道蒸发法是将脱 硫废水直接喷入锅炉电除尘前的烟道中，利用烟 气显热使废水迅速蒸发，蒸发结晶产物在电除尘 中被一并脱除。相比蒸发结晶法，烟道蒸发法的 优势在于系统简单，不需要增加专用蒸发设备，因 此成本较低［５－６］；但该工艺可能存在废水在烟道内 蒸发不完全或结晶物质影响电除尘效率、导致烟 道腐蚀等问题：因此，研究脱硫废水雾滴在烟道内 的蒸发过程对该工艺的设计和应用有重要意义。 目前，针对脱硫废水烟道蒸发技术，已研发出 雾化专用喷头［７－１１］；采用 Ｆｌｕｅｎｔ软 件 模 拟 烟 道 内 废水液滴运动与蒸发过程研究了烟气温度、流速 及雾滴粒径、初始速度等因素对雾滴蒸发过程的 影响［９，１２－１４］；研发出喷雾实验台，可采用雾滴激光 粒度仪研究喷嘴空气压力、水流量、风温等对空气 雾化喷嘴雾 化 效 果、蒸发特性的影响［１５］；模 仿 烟 道结构设计出烟道喷雾蒸发实验台，可用于研究 喷嘴安装位置、烟气温度及流速等对液滴完全蒸 发距离的影响［１１］。 但目前的研究多采用无灰空气或烟气代替实 际烟气，无论是模拟还是试验，多不考虑烟气中的 高浓度飞 灰 对 脱 硫 废 水 喷 雾 蒸 发 可 能 存 在 的 影 响；而 且，已有的对飞灰与液滴相互影响 的 研 究［１６－１７］主要采用数值模拟法［１６］，而关于飞灰对喷 雾蒸发过程的影响目前尚未见有报道。 试验通过搭建喷雾蒸发实验台，采用 螺 旋 给 粉机将飞灰注入空气中模拟含灰烟气，重点研究 飞灰对喷雾蒸发过程的影响，并建立液滴蒸发模 型以解释各因素对喷雾蒸发的影响机制，以求了 解真实烟道内雾滴的蒸发过程及指导脱硫废水喷 雾蒸发系统的设计。

１ 试验系统与方法
试验系统如图１所示。模拟烟道为不锈钢圆筒，内径０．２ｍ，有效长度２ｍ，外覆５ｃｍ 厚保温 棉。雾化喷嘴布置在圆筒顶部，为空气雾化喷头， 喷雾角度 约 ４５°。高压空气由空气压缩机提供， 液体由水泵提供并由浮子流量计控制。在泵入口 管路中加装微孔滤芯以过滤脱硫废液中可能含有 的固体杂质。用空气代替烟气，由风机为系统提 供空气，流量由气体涡轮流量计测定。空气流经 电热丝被加热，空气温度由喷嘴上方的热电偶测 定并反馈至温控仪，温控精度为±１ ℃。煤灰由 螺旋给粉机送入风道，给粉机输送煤灰的速度与 转速成正比，范围为０．１～１．０ｇ／ｓ。流经烟道的 飞灰由布置在烟道尾部的布袋除尘器捕捉。
雾滴完全蒸发距离是设计喷雾系统的重要参 数。为了测定烟道内液滴的完全蒸发距离，实验 台采用 “测 温 法”（如 图 １ 所 示）在 喷 嘴 后 每 隔 ２０ｃｍ布置１个热电 偶 测 点（共１０个，Ｔ 型，精 度 ±０．５ ℃）。热电偶探头位于烟道中心轴上，采用 相邻２个测点温差反映雾滴的蒸发进程。雾滴蒸 发过程中吸收大量热量，相应位置的烟气温度降 低，相邻测点间产生温差，当某相邻温度测点的温 差较小时，说明雾滴在此之前已经蒸发［１１］。考虑 到烟道存在自然散热情况，以式（１）作为判断雾滴 蒸发的判据。 Δｔ≤２Δｔｄ 。 （１） 式中：Δｔ—喷雾时相邻测点之间的温差，℃；Δｔｄ— 相同工况下不喷雾时相邻温度测点的平均温降， 即由于烟道自然散热导致的相邻测点烟气温度下 降平均值，℃。 　　需要说明的是，烟道内的雾滴蒸发是一个渐 进过程，并不存在绝对的完全蒸发界面，因此，根 据上述方法得到的完全蒸发距离仅用于本试验对 比不同工况下液滴蒸发的相对速度的快慢。 试验首先测定相应工况下不喷雾时烟道自然 散热 温 降 Δｔｄ，然后向烟道喷雾并测定喷雾过程 中烟气温度，最后采用式（１）判断完全蒸发距离。 每次测量前系统运行３０ｍｉｎ，使系统温度充分稳 定。试验中多次测定取平均值以降低测定误差。 试验所 采 用 的 脱 硫 废 水 和 飞 灰 均 采 自 某 ６００ＭＷ燃煤机 组。废 水 经 过 滤 处 理，其 主 要 污 染物成分见表１。煤灰以小于６０μｍ 粒径细灰为 主。试验前，将煤灰在１２０ ℃干燥箱内干燥１ｈ。 　　为分析脱硫废水喷雾蒸发过程对电除尘可能 产生的影响，采用高压飞灰比电阻测试仪测定喷雾 前后的飞灰比电阻。测量电压２ｋＶ，温度２５℃。

2 试验结果与讨论 2．１ 飞灰质量浓度对雾滴蒸发的影响 烟气温度１２０℃，流动速度０．８ｍ／ｓ，飞灰质量 浓度１８ｇ／ｍ３。不喷雾及喷雾流量为１２ｍＬ／ｍｉｎ、 无灰和飞灰质量浓度为１８ｇ／ｍ３ 条件下烟气温度 变化如图２所示。 的１２０．０℃降到第１０个测点处的１１８．０℃，总 温降２．０ ℃，则 相 邻 温 度 测 点 之 间 的 平 均 温 降 Δｔｄ＝０．２ ℃。由图２（ｂ）看出：飞灰加快了烟气温 度下降速度。基于公式（１）和 Δｔｄ＝０．２ ℃，可以 得到无飞灰时的雾滴完 全 蒸 发 距 离 为１．６ｍ，而 飞灰质量浓度为１８ｇ／ｍ３ 时雾滴完全蒸发距离缩 短为１．２ｍ。可 见，飞灰的存在显著加快雾滴的 蒸发速度。 所建立的模型可定性解释飞灰颗粒加速液滴 蒸发的原因。已有研究［１６］表明，烟道内雾滴会与 飞灰颗粒发生碰撞。雾滴与灰粒的碰撞有２种结 果：一种是雾滴破碎，使雾滴初始粒径减小，根据 式（３），其他条件不变情况下，雾滴直径减小可缩 短雾滴完全蒸发时间，加快雾滴蒸发速度；另一种 可能是雾滴与灰粒碰撞后铺展到灰粒表面，液滴 比表面积增大，则雾滴蒸发速度也会加快。 飞灰质量浓度对雾滴蒸发速度的影响试验结 果如图３所示。

由图３看出：烟气中喷雾完全蒸发距离与飞 灰质量浓度大体上呈线性关系，随飞灰质量浓度 升高，喷雾完全蒸发距离缩短。灰粒的存在会加 快液滴蒸发速度，使雾滴完全蒸发距离不断缩短。 飞灰质量浓度越高，飞灰颗粒与液滴之间的碰撞 概率越大，灰粒对加快液滴蒸发速度效应越明显。 飞灰对雾滴的蒸发有显著影响，因此，研究脱 硫废水在烟道内喷雾蒸发过程时不应忽略飞灰的 作用，所以，后续试验均在含飞灰条件下进行。

３．２ 烟气流动速度对雾滴蒸发的影响 锅炉负荷变化导致烟气流动速度发生变化。 烟气流动速度对喷雾蒸发的影响试验结果如图４ 所示。烟气温度１２０ ℃，飞灰质量浓度１８ｇ／ｍ３， 喷雾流量１２ｍＬ／ｍｉｎ。 图４ 烟气流动速度对雾滴蒸发的影响 　　由图４看出：喷雾完全蒸发距离随烟气流动 速度加快而显著增加，由０．４ｍ／ｓ时的０．８ｍ 增 加到１ｍ／ｓ时的１．６ｍ。计算液滴的完全蒸发时 间，０．４ｍ／ｓ烟气流动速度时需要２ｓ蒸发完毕， 而烟气 流 动 速 度 １ ｍ／ｓ时 仅 需 １．６ｓ即 蒸 发 完 毕，可 见，高 烟 气 流 动 速 度 使 得 实 际 蒸 发 时 间 缩 短，蒸发速度加快。 这与上文模型的定性分析结果也是一致的， 根据式（５），当液滴与烟气间存在相对运行时，相 对运动越快，则液滴表面的雷诺数 Ｒｅ越大，蒸发 速度因子ｋ′１ 也 越 大，此 时 由 式（３）可 知 蒸 发 时 间 会缩短。从更基本的机制分析，烟气与雾滴的相 对流速增加能加快雾滴与烟气的对流换热和传 质，从而加快其蒸发速度。 但是，烟气流速增加也会加快雾滴移动速度。 试验结果表明，烟气流动速度的增加缩短了完全 蒸发时间，但却导致雾滴完全蒸发距离增大。可 见，在实际脱硫废水烟道蒸发设计中，应考虑烟气 流动速度对雾滴完全蒸发距离的影响。 ３．３ 烟气温度对雾滴蒸发的影响 不同大小的机组有不同的排烟温度，一 般 在 １１０～１４０ ℃范围内。烟气温度对雾滴蒸发的影响 试验结果如图５所示。喷雾流量１２ｍＬ／ｍｉｎ，烟气 流动速度０．８ｍ／ｓ，飞灰质量浓度为１８ｇ／ｍ３。 图５ 烟气温度对雾滴蒸发的影响 　　由图５看出，随烟气温度升高，雾滴完全蒸发 距离显著缩短，二者之间呈显著负相关关系。烟 气温度主要影响雾滴的吸热和蒸发速度，高温烟 气使液态雾滴更快地升温、汽化，从而缩短完全蒸 发距离。这一点由公式（４）能够定量证明，雾滴蒸 发速度因子ｋ１ 与烟气－雾滴温差（Ｔ－Ｔｓ）正相关， 雾滴蒸发过程中，烟气温度越高则 Ｔ－Ｔｓ 越 大， ｋ１ 越大，蒸发速度越快。 锅炉的负荷会影响排烟温度，低负荷 下 锅 炉 排烟 温 度 一 般 较 低，以 某 ６００ ＭＷ 机 组 为 例， ５０％负荷的排烟温度为９８．３ ℃，比１００％负荷下 （１１２．８ ℃）低１５ ℃左右，如果仅从低负荷排烟温 度降低上看，低负荷下雾滴的完全蒸发距离会变 大，但由于低负荷下烟气流动速度也会大幅下降， 根据图５可知，烟气流动速度降低则会缩短雾滴 完全蒸发距离。因此，设计中计算脱硫废水雾滴 完全蒸发距离时，应综合考虑不同负荷下的烟气 温度、流动速度的影响。

３．４ 喷雾流量对雾滴蒸发的影响 不同脱硫废 水 预 处 理 工 艺 产 生 的 最 终 废 水 流量有所 差 异，因此最终需要 进行烟道喷雾蒸 发处理的废水流 量 也 可 能 是 变 化 的。喷 雾 流 量 （对应６００ ＭＷ 锅 炉 约７～２８ｔ／ｈ脱 硫 废 水）对 雾滴蒸发的影响 试 验 结 果 如 图６所 示。烟 气 流 动速度０．８ ｍ／ｓ，温 度１２０ ℃，飞灰质量浓度为 １８ｇ／ｍ３。

由图６看出，随脱硫废水喷雾流量增大，雾滴 完全蒸发距离显著增加，二者之间近似呈正向线 性关系。这一 规 律 与 张 天 琦 等［１１］的 研 究 结 论 一 致。废水流量的增加还将影响烟道出口的烟气温 度，烟道出口烟气温度（１０号热电偶）与喷雾流量 之间的变化关系如图７所示。 图７ 不同喷雾流量下的烟道出口烟气温度 　　由图７看出，烟道出口烟气温度随喷雾流量 增加而下降，二者之间呈显著线性关系。根据拟 合公式，当喷雾流量为５．３３ｍＬ／ｍｉｎ时，烟 道 出 口烟气温度比不喷雾时约下降１０ ℃。计算结果 表明，对 满 负 荷 运 行６００ ＭＷ 锅 炉，烟 道 喷 雾 流 量达１０ｔ／ｈ时烟气温度也会下降 约１０ ℃，降 幅 明显。喷雾流量增加会提高烟气水蒸气浓度，从 而提高烟气的酸露点［１９］，而喷雾流量增加导致的 烟气温度降低会进一步加剧烟道酸性气体结露的 可能性，因此在进行脱硫废水烟气喷雾蒸发的设 计时，烟道低温腐蚀是必须考虑的问题。

３．５ 喷雾流量对飞灰比电阻的影响 在脱硫废水喷雾蒸发工艺中，废水中含有的各 种盐类物质会混入飞灰中，从而可能改变飞灰的物 理特性。重要参数之一是飞灰比电阻，该参数影响 电除尘器捕集飞灰的效率。为了分析脱硫废水喷 雾对飞灰比电阻的影响，从实验台尾部的布袋除尘 器内采集了不同喷雾流量下的飞灰，并进行比电阻 测试，试验结果如图８所示。温度１２０ ℃，烟气流 动速度０．８ｍ／ｓ，飞灰质量浓度为１８ｇ／ｍ３。

由图８看出，随喷雾流量增加，飞灰比电阻呈 上升趋势。喷雾流量增加后，飞灰中混入的脱硫 废水结晶产物也增多，脱硫废水中的钙、镁离子含 量一般较高，而钙、镁盐比电阻较高，从而导致喷 雾流量增加时飞灰比电阻升高［２０］。但 从 图８看 出，不同喷雾流量下的飞灰比电阻差别不足一个 数量级，均属于中比电阻 飞 灰（１×１０４ Ω·ｃｍ ＜ ρ＜５×１０１０ Ω·ｃｍ），因此单纯由于废水结晶盐混 入飞灰对电除尘效率的影响不大［２１］。 但需要指出的是，本试验飞灰比电阻 是 将 飞 灰从烟道内取出，在室温下进行离线测量得到，工 程实际中废水喷雾对烟道内烟气湿度和飞灰温度 产生影响并进一步导致飞灰比电阻的变化，还需 要更深入的研究。 ４ 结论 采用喷雾蒸发实验台，考察了含尘烟 气 中 飞 灰质量浓度、烟气温度和速度、喷雾流量等因素对 脱硫废水蒸发的影响；建立了液滴蒸发动力学模 型，并采用该模型揭示主要试验因素的影响机制。 结果表明：飞灰颗粒与雾滴碰撞，减小雾滴直径或 增加雾滴的铺展面积，加速雾滴的蒸发速度，且飞 灰质量浓度越高雾滴完全蒸发距离越短；烟气流 动速度增大会加大雾滴表面的流动雷诺数，促使 液滴蒸发传质速度加快，但由于雾滴移动速度也 加快，最终完全蒸发距离增加；烟气温度升高会增 大烟气－雾滴的 温 差，提高雾滴蒸发速度因子，降 低完全蒸发距离；雾滴完全蒸发距离随喷雾流量 增加而增加，同时烟道出口温度随喷雾流量增加、而降低；脱硫废水喷雾蒸发后的飞灰比电阻随喷 雾流量增加而略有升高。