作者：马双忱１， 陈嘉宁１， 刘 宁２， 万忠诚３， 柴 晋１， 岳培恒２， 张净瑞３， 梁维青１ （１．华北电力大学 环境科学与工程系，河北保定 ０７１００３；２．大唐（北京）水务工程技术有限公司， 北京 １０００９７；３．盛发环保科技（厦门）有限公司，福建厦门 ３６１０００）

摘 要：搭建了烟气浓缩实验台，采用新型的“水帘式”喷淋方式，通过单因素实验与正交实验相结 合的方法，利用含盐水及实际电厂脱硫废水进行实验研究，探究了烟气体积流量、入口烟温、进水体 积流量和盐水电导率等对低温烟气蒸发能力的影响。结果表明：在实验台最佳条件下，单位体积烟 气最大蒸发能力为１５．３３ｍＬ／ｍ３；影响烟气蒸发能力因素由主到次依次为烟气体积流量、入口烟 温、进水体积流量；利用“水帘式”喷淋方式时，喷管堵塞风险较小；蒸发产物成分主要为 ＮａＣｌ。

关键词：低温烟气；脱硫废水；浓缩减量；实验研究

我国淡水资源严重短缺，对水环境的保护及利 用尤为重要。随着我国环保政策的节节加码，对水 污染的治理力度也不断增大，燃煤电厂作为用水和 排水大户，其废水的处理长期以来受到环保行业的 密切关注。２０１５年４月１４日发布的《水污染防治 行动计划》（即“水十条”）明确提出要全面控制污染 物排放，一些重点区域禁止污水排放［１］。２０１８年６ 月６日修编的《发电厂废水治理设计规范》对电厂废 水处理设计进行了明确规定，新增了废水收集和贮 存等设施的相关设计要求［２］。 我国对电厂脱硫废水的治理是逐渐实现零排 放。现阶段实现脱硫废水零排放的整体技术思路 为：脱硫废水→预处理→浓缩减量→蒸发结晶（转移 固化）［３］。在脱硫废水的预处理方面，传统的处理方 法主要是采用化学加药的方法，去除废水中大量的 钙镁离子及部分重金属离子，如常见的三联箱处理 技术和双碱法等［４］。浓缩减量阶段的目的是减少后 续蒸发固化的处理量，降低废水蒸发固化的成本［５］。 废水的浓缩减量主要有２种方法：膜法浓缩和热法 浓缩。膜法浓缩技术中比如应用较为广泛的反渗透 （ＲＯ）、正 渗 透 （ＦＯ）、纳 滤 （ＮＦ）和 电 渗 析 （ＥＤ） 等［６－１１］，但由于膜法浓缩存在诸多问题，如成本 问 题、前处理要求高问题、易结垢和堵塞问题等，不能 够普遍应用于所有电厂［１２］。热法浓缩技术主要是 采用蒸汽进行废水的蒸发结晶，如机械蒸汽再压缩 （ＭＶＲ）、蒸 汽 热 力 再 压 缩 （ＴＶＲ）、多 效 蒸 发 （ＭＥＤ）［１３－１５］以 及 利 用 电 厂 烟 气 余 热 进 行 废 水 蒸 发［１６］。利用蒸汽蒸发时蒸发器造价较高，同时消耗 蒸汽量大，经多方面考虑采用烟气余热进行废水的 浓缩减量是目前较为实用、经济的技术。 目前，利用烟气余热蒸发脱硫废水主要是利用 旁路烟道蒸发，抽取空气预热器（简称空预器）前部 ３５０ ℃左右高温烟气［１７］，将废水用泵送至蒸发结晶 器中雾化成小颗粒液滴，利用高温烟气将废水蒸发 结晶，产生的结晶盐被电除尘器捕集，其对电厂整体 系统的影响较小［１８］；或将废水直接喷入空预器与电 除尘器间烟道内，利用 １５０ ℃ 左 右 烟 温 将 废 水 蒸 发［１９］。这２种技术无论是将废水进行旁路烟道蒸 发还是烟道内直接喷雾蒸发，均采用单流体雾化喷 头将废水雾化成小颗粒，因此难以避免产生喷头堵 塞的问题［２０］。现有的处理技术难以解决设备的结 垢堵塞问题，设备结垢堵塞主要是因为废水的硬度 离子钙镁含量较高，去除废水中的钙镁离子需要进 行废水预处理，增加了废水的处理成本。为防止结 垢堵塞问题，从废水的喷淋形式上进行改造是可行 的。笔者利用低温烟气余热对脱硫废水进行蒸发浓 缩减量，并采用“水帘式”喷淋方式，通过单因素实验 与正交实验相结合的方法，探究了烟气体积流量、入 口烟温、进水体积流量和盐水电导率对实验台蒸发 水量的影 响，为 实 际 工 程 应 用 提 供 了 实 验 依 据 与 指导。

１ 低温烟气余热浓缩脱硫废水

１．１ 实验装置 本低温烟气余热浓缩实验台主要由鼓风机、加 热管、模拟烟道、烟温测量装置、喷淋装置、冲洗装 置、冲洗泵、喷淋泵和浓缩罐９部分组成（规格见表 １），整体实验装置见图１。 每次实验时在浓缩罐中 加入一定体积的含盐水，含盐水经喷淋泵送至烟道 内喷淋装置中，利用转子流量计控制进水体积流量， 浓缩罐内设有温度计，用于测量含盐水水温。鉴于 实验室条件，利用热空气模拟电厂烟气，利用变频器 控制鼓风机来调节空气流量，空气经过加热管被加 热到指定温度，热空气进入模拟烟道与含盐水进行 接触换热，未蒸发的含盐水经模拟烟道下部的集水 口进入浓缩罐，再次通过喷淋泵进入烟道内蒸发，蒸 发产生的水蒸气被模拟烟气携带出去。

为了避免喷淋过程的喷头堵塞问题，常见的雾 化喷头被替代，笔者采用新型的喷淋方式“水帘式”。 通过在管道侧面进行切口来实现“水帘式”喷淋，切 口为矩形，横截面积 Ａｓ＝长×宽＝１８ｃｍ×０．１ｃｍ （切口尺寸根据“水帘”的喷射速度来确定）。模拟烟 道横截面为边长２０ｃｍ 的正方形，烟气流速ｖｇａｓ为 １．３８８９～３．１２５０ｍ／ｓ（烟气流速通过调节鼓风机空 气流量来实现），水流的喷射速度ｖｗ 按ｖｗ∶ｖｇａｓ＝１∶ １计算，从而确定进水体积流量ｑＶ（ｑＶ ＝ｖｗ·Ａｓ）。

１．２ 实验用水 实验用水为含盐水（含盐水水质按照实际电厂 普遍脱硫废水水质配制）。配置含盐水的药品纯度 均为分析纯，含盐水的离子质量浓度见表２。 １．３ 实验台操作流程 打开实验台总开关，打开风机开关，通过变频器 调节风量至实验所需，打开主加热器开关，待烟温升 至８０ ℃左右（由于观察口材料为有机玻璃板，为防 止玻璃板发生变形破坏，温度不宜过高）打开喷淋开 关，依靠溶液的扰动将含盐水混合均匀，实验台运行 ３～５ｍｉｎ后，利用硅胶管和洗耳球在浓缩罐中间位 置取部分盐水，测定盐水中各离子质量浓度，记录其 为初始质量浓度。 通过观察温度视窗和水温来确定实验台运行是 否已经稳定，当温度视窗显示温度变化幅度在１～２ Ｋ，同时水温基本保持在３６～３７．５ ℃（该数据经长 期实验经验得知）时，则表示实验台已经稳定运行。 开始记录数据，包括入口烟温、出口烟温、水位（记录 罐体的刻度）和水温，每组实验运行１ｈ。

２ 探究单因素条件对低温烟气蒸发 能力的影响 采用控制变量法，探究单因素条件对低温烟气 蒸发能力的影响。进行如下定义： （１）蒸发能力：单位体积烟气量能够蒸发的水 量，ｍＬ／ｍ３。 （２）蒸发水量：实验台运行１ｈ浓缩罐中水样 体积的减少量，ｍＬ。

２．１ 烟气体积流量对蒸发能力的影响 实验条件设定：入口烟温为１００℃，进水体积流 量为１７Ｌ／ｍｉｎ，改变烟气体积流量大小（依次为２００ ｍ３／ｈ、２４０ｍ３／ｈ、２７０ｍ３／ｈ和３００ｍ３／ｈ）。实验结 果见图２。

根据图２可知，随着烟气体积流量的增大，蒸发 水量呈现先增长后逐渐趋于平缓的趋势。在烟道横 截面积不变的情况下，烟气体积流量的增大意味着 烟气流速变大，使得单位时间内与废水进行热交换 的能量增强，较大的烟气流速使得水蒸气被烟气迅 速带走，而避免其在烟道局部区域凝结为水。同时 烟气体积流量增大能够携带的水蒸气量增加，有利 于废水的蒸发。当烟气体积流量为２７０ｍ３／ｈ时，曲 线开始 趋 向 平 缓，再 次 增 大 烟 气 体 积 流 量 至 ３００ ｍ３／ｈ，蒸发水量增幅较小，基本不变，由于实验台的 限制，烟 气 蒸 发 能 力 存 在 极 限 值。在 入 口 烟 温 为 １００℃，进水体积流量为１７Ｌ／ｍｉｎ，烟气体积流量为 ３００ｍ３／ｈ时，最大蒸发水量为３．９６Ｌ。 ２．２ 入口烟温对蒸发能力的影响 实验条件设定：烟气体积流量为３００ｍ３／ｈ，进 水体积流量为２１Ｌ／ｍｉｎ，改变入口烟温（依次为８０ ℃、９０ ℃、１００ ℃和１１０ ℃）。实验结果见图３。

根据图３可知，随着入口烟温的不断提高，蒸发 水量逐渐增加。入口烟温越高，越有利于废水的蒸发，当入口烟温为 １１０ ℃ 时，最大蒸发水量为 ４．６ Ｌ，即蒸发能力最大为１５．３３ｍＬ／ｍ３。 ２．３ 进水体积流量对蒸发能力的影响 实验条件设定：入口烟温为１００℃，烟气体积流 量为３００ ｍ３／ｈ，改变进水体积流量（依次为１５Ｌ／ ｍｉｎ、１７Ｌ／ｍｉｎ、１９Ｌ／ｍｉｎ和２１Ｌ／ｍｉｎ）。实验结果 见图４

根据图４可知，随着进水体积流量的增大，蒸发 水量呈现先增加后降低的趋势。在该实验条件下， 存在一个极值点，当进水体 积 流 量 小 于 １９Ｌ／ｍｉｎ 时，蒸发水量呈线性增长，当进水体积流量大于１９ Ｌ／ｍｉｎ时，蒸发水量开始下降。这主要是因为进水 体积流量过大，喷射速度过快，导致水流的更新速度 过快，烟气与水流的接触时间变短，传热效率下降， 最终导致蒸发能力下降。在该实验条件下，最大蒸 发水量为４．３Ｌ，即最大蒸发能力为１４．３５ｍＬ／ｍ３。

２．４ 盐水电导率对蒸发能力的影响 实验条件：入口烟温为１００℃，烟气体积流量为 ２５０ｍ３／ｈ，进水体积流量为１８．７５Ｌ／ｍｉｎ，改变实验 用水（将原始盐水离子质量浓度依次扩大 ２ 倍、３ 倍、４倍和５倍（即改变盐水电导率）进行实验）。实 验结果见图５

根据图５可知，随着初始盐水电导率的增大，蒸 发水量呈现先下降后逐渐增加的趋势。盐水电导率 对蒸发的传热性能影响较大，随着盐水电导率的升 高，传热系数减小，这是由流体的物理性质决定的， 液体黏度的增大会影响传热过程的进行，进而影响 液体的流动状态。当溶液中离子质量浓度增幅大于 ２倍时，蒸发水量开始出现明显下降的趋势。当溶 液中离子质量浓度增大至３倍时，随着溶液盐分的 增加，溶液离子强度提高，水蒸发减慢。当溶液中离 子质量浓度增幅超过３倍以后，溶液出现明显的硫 酸钙白色沉淀及分层，溶液中部分阴阳离子结合为 沉淀析出，这样会使溶液中离子质量浓度下降，溶液 的蒸发能力上升，因此蒸发曲线又呈现上升趋势。

３ 正交实验 采用正交实验的方法来确定影响低温烟气蒸发 能力因素的主次。选取入口烟温、烟气体积流量、进 水体积流量和喷管位置４个影响因素，建立四因素 三水平正交实验。正交实验计划表见表３。
利用极差分析法来分析正交实验结果，见表４。 根据极差Ｒ 可确定影响因素的主次，极差大，对指 标（蒸发能力）的影响大，为主要因素；极差小，对指 标的影响小，为次要因素［２１］。 根据本次结果分析，依照极差大小确定出影响 因素由主到次为：喷管编号→烟气体积流量→入口 烟温→进水体积流量。 各因素的取值：选取因素的水平与要求的指标 （本实验的指标为蒸发水量或蒸发能力）有关，要求 的指标越大越好，本次实验选取使指标最大（即蒸发 水量最大或蒸发能力最大）的那个水平，即入口烟温 １１０ ℃，烟气体积流量３００ｍ３／ｈ，进水体积流量２１ Ｌ／ｍｉｎ，喷管编号取２号喷管。在实际工程中，喷管 的位置是确定的，在本实验中，水平烟道与加热管的连接处是渐扩管，进入水平烟道内的烟气流速会由 于渐扩管段发生突变，烟气流场不稳定，离烟道入口 越近的喷管受影响越大，会将“水帘”吹散，对蒸发水 量产生影响。 ４ 某电厂实际脱硫废水实验

４．１ 蒸发能力实验 从某电厂２×３００ＭＷ 机组采集脱硫废水，其 脱硫废水水质见表５。 为探究单因素烟气体积流量对蒸发能力的影 响，共进行了２组实验，在其他条件相同（入口烟温 和进水体积流量）的情况下，对实验条件进行设定， 由于该电厂低温段烟温为９５℃，则本次实验将入口 烟温设定为９５ ℃，具体实验条件设定见表６，每次 实验 时 长 ４．５ｈ（长 时 间 运 行 观 察 实 验 台 结 垢 情况）。

根据实验测得的低温烟气蒸发水量为 ２７００ ｍＬ（蒸发能力为９ｍＬ／ｍ３）计算，对于３００ ＭＷ 机 组，其烟气体积流量约为１×１０６ ｍ３／ｈ，则能够蒸发 约９ｔ／ｈ的水量。

４．２ 实验现象分析 在实际工程应用中，除需达到预期的浓缩效果， 其装置结垢及后期的维护同样应受到重视。观察模 拟烟道壁的打壁现象以及喷管的结垢堵塞现象，实 验台情况见图６和图７所示。 初始烟道壁情况 １．５ｈ后结垢情况 ３ｈ后结垢情况 ４．５ｈ后结垢情况 ５ 结 论 （１）在最佳实验条件（入口烟温为１１０ ℃，烟气 体积流量为３００ｍ３／ｈ，进水体积流量为２１Ｌ／ｍｉｎ， 喷管编号为２号喷管）下，单位体积烟气的最大蒸发 能力为１５．３３ｍＬ／ｍ３。 （２）影响低温烟气蒸发能力的因素由主到次依 次为：烟气体积流量→入口烟温→进水体积流量。 （３）新型“水帘式”喷淋方式不会产生喷管堵塞 问题；为了防止打壁现象的出现，喷射区应距离烟道 壁一定距离；为防止盐分在烟道壁的团聚，应在烟道 内部布置冲洗装置。 （４）在实际工程应用中应特别注意选材问题。 在高浓度含盐水对喷管的腐蚀较为严重时，应采用 防腐蚀材料，同时对烟道内壁应采取防腐和加固措 施，浓缩水箱应采用防腐和抗酸材料。 （５）本工艺技术能够实现脱硫废水零排放，具 有低成本和不易堵塞等优点。烟气经洗涤后烟温降 低，可减少吸收塔出口烟气带水。