作者：董 桃 1 ，解利昕 1 ，徐世昌 1 ，裴 迪 2 ，杜亚威 3 （1.天津大学化工学院，天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津 300354； 2.北京兴晟科技有限公司，北京 100070； 3.河北工业大学化工学院，天津 300130）

摘 要：模拟烟道气和脱硫废水直接接触传质传热过程，进行了热空气和氯化钠溶液相关实验，研究了气液传质系 数和系统蒸发量随操作条件的变化规律。结果表明，气液传质系数和系统蒸发量随空气流量、空气温度、溶液温度的 提高变大，随溶液盐度的增加而变小。其中空气温度的影响最为明显，当空气温度从 65 ℃增加到 110 ℃时，气液传 质系数由 10 g/(m2 ·s)增加到 21 g/(m2 ·s)，系统蒸发量由 0.13 kg/h 增加至 0.51 kg/h。烟道气与脱硫废水进行逆向流动 直接接触方法对实际脱硫废水的现场实验表明，脱硫废水浓缩倍率达到 10 以上。可为利用电厂烟道气处理脱硫废 水提供依据。

关键词：烟道气；脱硫废水；传质；蒸发；工业应用

脱硫废水具有高悬浮物、高盐、水质复杂、波动 大等特征，其处理技术一直是环保领域的研究热点 之一[1-2]。目前脱硫废水的处理技术主要有膜法和热 法[3-4]。膜法主要采用反渗透（RO）技术，对经过预处 理后脱硫废水进行脱盐处理，该方法需要复杂的预 处理工艺，且受到压力的限制浓缩倍率较低[5-6]；热法 主要采用多效蒸发（MED）技术，脱硫废水通过蒸 发得到浓缩，但过程中发生相变能耗较高。 将废水喷入烟道或设置旁路利用烟道气的废热 使废水浓缩及干化，近年来被用于脱硫废水的处理， 成为目前的研究热点[8]。关于气液直接接触换热传 质过程研究，目前集中于冷空气和热溶液进行传热 传质理论分析和实验研究[9-11]。对于温度较高的烟道 气和含盐废水直接接触传质过程报道较少，因此开 展此方面的研究十分必要。 本研究利用热空气和氯化钠溶液进行气液直接 接触传质过程研究，探究传质系数及系统蒸发量随 不同操作工况的变化规律。采用实际电厂烟道气和 脱硫废水进行直接接触换热传质，考察脱硫废水蒸 发浓缩运行实际效果。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验采用氯化钠（分析纯）和去离子水配制不 同含量的模拟溶液，溶液 NaCl 的质量浓度分别为 5、10、15、20、25 g/L。去离子水，电导率不高于 10 μS/cm。 1.2 装置与流程 实验装置如图 1 所示，主要由气液接触装置、溶 液循环以及鼓风系统 3 部分组成。 气液接触装置的长×宽×高为 500 mm×250 mm× 100 mm，由 10 mm 的有机玻璃制成，有效接触面积0.125 m2 。 空气由鼓风机送入气液接触装置内，其温度通 过加热器调节，湿度通过加水量调节。溶液通过隔膜 泵输送到气液接触装置内，经液体调节分布板使其 均匀分布在装置底部流动，其温度通过恒温水浴锅 调节。 实验中控制绝对湿度 0.05 kg/m3 和溶液质量流 量 4.75 kg/min 的条件下，分别改变空气温度、溶液 温度、溶液盐度和空气流量等操作条件进行实验。 进出口溶液温度采用精密玻璃温度计测量，溶 液流量由转子流量计测量，空气流量采用 TASI- TA 8166 热敏式风速风量计测量，进出口空气温湿度采 用 CEM-DT625 温湿度计测量，溶液中总溶解固体 （TDS）含量采用 DDSJ-308A 电导率仪测定。 1.3 数据处理 在假设整个过程是稳态的以及不考虑设备的散 热的情况下，以气液接触的微元体（图 2）作为研究 对象，建立传热传质模型。 气侧。物料平衡方程： 

 式中，Ga 为空气的质量流量，xa 为空气中水的 质量分数，xw" 为空气与水接触处空气饱和水的质量 分数，σ 为气液总传质系数。 能量平衡方程：

 式中，ha 为空气的质量焓，h(v,s)为空气与水交 界面处温度下的水蒸气的质量焓，α 为传热系数，ta 和 tw 分别为空气温度和溶液的温度。 液侧。物料平衡方程：

式中，Gw 为溶液的质量流量。 能量平衡方程：

 式中，cw 为水的比热容。 对式（1）～（4）积分得：

式中，xw1'' 和 xw2'' 分别是进口和出口溶液温度下 的饱和湿度，xa1 和 xa2 分别为进口和出口空气中水的 质量分数。 通过进出口空气含湿量的差计算蒸发质量流量 Qzf： Qzf=GaΔx。 （6） 式中，Δx 为进出口空气中水的质量分数差。 2 结果与讨论

2.1 空气温度的影响 在溶液温度 20 ℃、溶液盐度 15 g/L 和空气质 量流量 18 g/s 的条件下，系统蒸发量和气液传质系 数随进口空气温度变化如图 3 所示。 由图 3 可知，随着空气温度的提高，气液传质系 数和系统蒸发量均增加。提高进口空气温度，空气传 递给溶液的热量增加，溶液温度增加的幅度变大，溶 液水分子无规则运动程度增加，气液传质系数变大。 对应气液界面处的饱和含湿量提高，在空气含湿量不 变的情况下，其传质推动力增大，系统蒸发量增加。 2.2 溶液盐度的影响 在溶液温度 20 ℃、空气温度 90 ℃和空气质量 流量 18 g/s 的条件下，气液传质系数和系统蒸发量 随溶液盐度变化规律如图 4 所示。 由图 4 可知，随着溶液盐度的提高，气液传质系 数和系统蒸发量呈下降趋势。溶液盐度较高时，黏度 较大，表面张力越高，气液传质系数减少。且随着盐 度的提高，相同液体温度时对应较高盐度溶液气液 界面处空气侧的饱和含湿量减少，在空气含湿量不变的情况下，其传质推动力越小，系统蒸发量减小。 2.3 溶液温度的影响 在空气温度 90 ℃、溶液盐度 15 g/L 和空气质 量流量 18 g/s 的条件下，气液传质系数和系统蒸发 量随进口溶液温度变化如表 1 所示。 由表 1 可知，随着溶液温度的提高，气液传质系 数和系统蒸发量均增加。当溶液温度较高时，溶液水 分子无规则运动程度增加，气液传质系数增加。溶液 温度越高，则气液界面处空气侧的饱和含湿量越高， 在进口空气含湿量不变的情况下，其传质推动力越 大，系统蒸发量增加。

2.4 空气流量的影响 在空气温度 90 ℃、溶液盐度 15 g/L 和溶液温度 20 ℃的条件下，气液传质系数和系统蒸发量随空气 流量变化如表 2 所示。 由表 2 可知，随着空气流量的提高，气液传质系 数和系统蒸发量均增加。在热空气和溶液接触体系中， 热量由空气传递给溶液，空气温度降低的同时溶液 温度升高。随着空气流量增大，气体的湍动程度增加， 边界层厚度变小。同时当空气流量增大时，空气温度 下降的幅度减小，水分子扩散速度越快，对应气液传 质系数增加。对应较大空气流量，热量传递增加，气 液界面处气相侧的饱和含湿量变大，在空气含湿量 不变的情况下，传质推动力变大，系统蒸发量增加。

3 现场实验 针对电厂实际脱硫废水，设计了如图 5 所示的 浓缩处理工艺并进行了相关研究。 风机从主烟道抽出一部分烟道气进入气液接触 塔，由塔底部分布管均匀喷出，与脱硫废水接触后携 带水蒸汽从塔顶排到主烟道和其他烟道气混合后至 脱硫塔进行脱硫处理。电厂实际脱硫废水采用三联 箱处理后进入脱硫废水池中，脱硫废水通过进料泵进 入气液接触塔循环管道从塔上部布水管均匀淋下， 与烟气直接接触换热传质后蒸发浓缩，其浓缩液由 塔底排出进入干燥装置。 在脱硫废水进口温度 20 ℃和 TDS 的质量浓度 20.14 g/L，烟道气温度 145.2 ℃、水的质量分数为 98.9 g/kg 的条件下，利用 准4 m 的气液接触塔进行烟道 气和脱硫废水直接接触蒸发浓缩实验，当脱硫废水 进料体积流量 5 m3 /h 时，采用体积流量 68.67×103 m3 /h（标准状态）烟道气能够将脱硫废水处理到 TDS的质量浓度 204.5 g/L，其浓缩 10 倍以上，满足 后续干燥工艺要求。

4 结 论 探讨了热空气和浓盐水直接接触传热传质过 程，研究了操作工况对气液传质系数和系统蒸发量 的影响规律。随着空气流量、温度和溶液温度的提 高，传质推动力增加，蒸发量和传质系数呈上升趋 势，但随着溶液盐度的提高，传质推动力减小，蒸发 量与传质系数呈下降趋势。对气液传质系数和系统 蒸发量的影响程度由大到小排序，其中空气温度最 为明显，其次为空气流量。在实验条件下，当空气温 度从 65 ℃增加到 110 ℃时，气液传质系数增加了 110%，系统蒸发量增加至 4 倍；当空气的质量流量 从 20 g/s 增加到 60 g/s 时，传质系数增加了 50 %， 系统蒸发量增加到 2 倍。 通过电厂烟道气和脱硫废水直接接触方式实现了脱硫废水的蒸发浓缩。在现场实验条件下，脱硫废 水的浓缩倍率达到了 10 倍以上。 研究结果可为脱硫废水处理提供新的思路，为 工业化应用奠定基础。