作者：张天琦 （光大环保技术研究院（南京）有限公司 江苏南京 211102）

摘要 利用电厂尾部烟气余热处理脱硫废水是废水零排放的一个重要方法。 该文根据计算流体动力学（CFD）对脱硫废水喷 雾蒸发进行了数值计算，探讨各因素对处理量的影响规律，包括喷嘴的安装位置、烟气温度、烟气流速、雾化粒径。 结果表明：安装 在下管道上部喷雾蒸发效果最好；烟气温度、雾化粒径对烟道流场影响较大；烟气流速对烟道流场影响较小。

关键词 脱硫废水 蒸发 流场 CFD

0 引言

自然界的 SO2 主要来源于以煤为原料的燃烧工艺，释放源 包括热力发电厂、垃圾焚烧厂、金属冶炼厂等。 现阶段，燃煤行业的烟气脱硫技术主要是湿法脱硫。 在湿 法烟气脱硫工艺流程中，烟气先后经过热交换器、吸收塔，SO2 在吸收塔里与石灰浆直接接触并被吸收去除。 脱硫废水的主 要组成就是石膏浆液的脱水产物。 由于石膏浆液不断吸收烟 气中的氯化物，导致氯离子浓度升高。 为了维持系统物质的平 衡，防止氯离子浓度超标，要从系统中排放一定量的脱硫废水［1］ 。 现有技术中，脱硫废水的去除工艺主要有膜法、沉淀法和 蒸发法。 其中喷雾蒸发法只需要在烟道的特定位置布置一定 数量的雾化喷枪， 通过压缩空气将废液雾化成较小粒径的雾 滴，雾滴在高温烟气的作用下完全蒸发。 该工艺不仅成本低， 而且能够使得废液零排放，优势明显［2-3］ 。 本文基于 CFD 软件， 对某电厂 660 MW 尾部烟道进行脱 硫废水喷雾蒸发数值模拟研究， 探讨各因素对废水处理量的 影响规律。

1 模型设置

1.1 模拟对象 某电厂 660 MW 机组尾部弯曲烟道横截面长 5.4 m，宽 4.2 m，竖直段高为 9 m，总长度 28 m，如图 1 所示。 1.2 模拟假设 模型计算过程，采用如下假设：①烟气流动为不可压缩流 动；②忽略气液两相与烟道壁面的换热；③忽略喷枪对流场的 影响。

1.3 基本参数 模型计算基本参数设定如下：①烟气量为 8.65×105 Nm3 /h； ②脱硫废水排放量为 3.2 m3 /h； ③空预器出口烟气温度 150 ℃； ④烟气流速为 10 m/s。

1.4 数学模型 （1）连续相模型。 本文采用颗粒轨道模型进行研究，控制 方程组如式（1）～（3）。 式中：uk、vk、wk 分别为颗粒的瞬时轴向速度、 径向速度和切向 速度，u、v、w 以及 u′、v′、w′分别为气相在 3 个方向上的时均速 度和脉动速度，rk 为径向坐标，t 为弛豫时间，g 为重力加速度。 （2）离散相模型。 颗粒轨道模型的基本方程组包括：颗粒连 续方程如式（4）、颗粒动量方程如式（5）、颗粒能量方程如式（6）。 （3）液滴蒸发模型。 当液温低于其沸腾温度时，模型方程 如式（7）。

式中：mp（t+δt）表示液滴相变后的质量，mp（t）为相变前的质量， Ni 为液滴单位面积蒸发率，Ap 为液滴的表面积，Mw，i 为蒸发组 分的分子量，δt 为步长。 当液温高于其沸腾温度时，模型方程如式（8）。 式中：Cp，∞ 为气体定压比热，ρp 为液滴密度，k∞ 为气相导热率， hfg 为气化潜热。 （4）组分输运模型。 本文模拟过程中存在水蒸汽的扩散， 并发生能量交换，故需要采用组分输运模型。 （5）湍流模型。CFD 共提供了多种粘性模型，本文选择 k-ε 模型。 脱硫废水的密度与自来水比较接近，采样分析固率约为 0.8%，忽略废水中的颗粒物对蒸发的影响效果。

2 模拟结果

2.1 喷嘴安装位置对液滴蒸发轨迹的影响 模拟条件为：烟速 10 m/s，烟温 150 ℃，喷水量 3.2 m3 /h， 雾化粒径 70 μm。 喷嘴安装位置对液滴蒸发轨迹的影响如图 2 所示。 由图 2 可知，安装在上壁面的喷嘴对液滴蒸发扩散较好， 只有较少液滴颗粒靠近壁面； 而安装在下壁面及第一个弯头 的喷嘴使得多数液滴颗粒都靠近了烟道右壁面， 容易造成管 道壁面的腐蚀及积灰； 而且由于液滴颗粒没有完全的扩散开 来， 使得蒸发不完全， 有部分液滴颗粒在烟道内没有完全蒸 发。 安装在竖直烟道处的喷嘴由于蒸发烟道较短，有部分液滴 没有完全蒸发，故选择喷嘴安装在上壁面。 2.2 烟气温度对废水完全蒸发长度的影响 模拟固定烟气流速为 10 m/s， 液滴粒子平均粒径 70 μm， 入口烟气温度分别为：180 ℃、170 ℃、160 ℃、150 ℃、140 ℃、 130 ℃。 烟气温度对颗粒蒸发轨迹的影响如图 3 所示。 由图 3 可知， 烟气温度与未完全蒸发的液滴的质量分数 呈相反方向变化。 烟气温度增高，颗粒达到临界蒸发温度所需 时间就越少。 当烟气温度为 180 ℃时，废水颗粒基本在进入第 二个弯管就已经完全蒸发；当烟气温度为 130 ℃时，到布袋进 口才完全蒸发。

2.3 烟气流速对废水完全蒸发长度的影响 模拟烟气温度为 150 ℃， 液滴粒子平均粒径为 70 μm，烟 气流速分别为 7 m/s、8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s、12 m/s。 烟气 流速对颗粒蒸发轨迹的影响如图 4 所示。 由图 4 可知，烟气流速对雾滴流场影响不大。 2.4 液滴粒径对废水完全蒸发长度的影响 模拟烟气温度为 150 ℃，烟气流速为 10 m/s，液滴粒径分 别为 50 μm、60 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm。 液滴粒径 对颗粒蒸发轨迹的影响如图 5 所示。

由图 5 可知，液滴粒径对蒸发影响非常大，当液滴粒径在 50 μm～60 μm 之间时， 液滴基本在管道第二个弯道前就已经 蒸发完全， 而液滴粒径较大的则还需要一段距离才能完全蒸 发。 颗粒粒径越小，液滴的比表面积越大，对流传热接触面积 就越大，蒸发的速率越快，完全蒸发长度也就越小。 但是，雾化 粒径越小，雾化耗能越大、成本越高，应综合考虑。 3 结语 （1）当喷嘴安装在烟道上壁面时，流场较为稳定，雾化颗 粒接触烟道壁面较少， 减少了烟道壁面的腐蚀问题而喷射角 度对流场的影响。 （2）随着烟气温度的升高，烟道内完全蒸发的液滴颗粒也 就越多。 （3）烟气流速对液滴蒸发影响较小。

（4）影响液滴蒸发较大的因素是液滴粒径，粒径与蒸发时 间呈正向关系变化。