作者：陈鸿伟， 王广涛， 王朝阳， 徐继法， 刘啸东 （华北电力大学 能源与动力工程学院，河北保定 ０７１００３）

摘 要：为研究电厂脱硫废水蒸发的规律，对喷入锅炉尾部烟道内的雾化液滴进行数值模拟，分析 了运行参数对雾化液滴蒸发时间的影响，并通过拟合得到了烟气温度与喷嘴最佳喷射质量流量的 关系式。结果表明：当尾部烟气速度为１０ｍ／ｓ、雾化液滴初始速度为５ｍ／ｓ时蒸发时间最短；确定 了喷嘴最佳喷射质量流量，使得雾化液滴在进入电除尘器前完全蒸发，且烟气温度高于酸露点；喷 嘴喷射质量流量与蒸发时间呈线性正相关，与进入电除尘器前的烟气温度呈线性负相关。

关键词：脱硫废水；液滴蒸发；烟气温度；最佳喷射质量流量；数值模拟

　目前，国内外针对脱硫废水的主要处理方式是 水力除灰和设置化学水处理系统［１］。水力除灰是将 不经处理的废水排入除灰系统，利用废水弱酸性与 灰反应生成固体。化学水处理系统主要利用三联箱 对脱硫废水进行中和，沉淀浓缩澄清，当废水达到标 准后外排。传统的废水处理技术发展比较成熟，但 对废水中微量金属和氯离子的去除效率不高，且存 在成本高 的 问 题。随 着 国 家 对 环 保 工 作 的 不 断 重视，对电厂湿法脱硫废水的水质污染物排放指标的 规定也更加严格，而传统的废水处理技术无法解决 氯离子的问题［２］。对此，研究人员提出了尾 部 烟 道 蒸发废水技术，即在空气预热器与电除尘器之间的 尾部烟道处喷入雾化后的废水，利用尾部烟气的余 热对废水进行蒸发处理，废水吸热后变为水蒸气，在 烟气的推动下废水中的细小固体颗粒与灰尘进入电 除尘器，被电除尘器中的电极捕捉，实现废水的零排 放。该方法满足环保要求，操作简单，具有重要的工 程实用价值［３］。该方法还未在国内电厂实际应用， 主要是因为要保证在烟道中喷入的废水进入电除尘 器前完全蒸发，且气液换热后进入电除尘器的烟气 温度必须在酸露点以上，否则尚未蒸发的小液滴会 对后续设备造成腐蚀。 张子敬等［４］通过建立雾化液滴蒸发传热模型， 发现气液表面蒸汽相浓度差会对蒸发产生影响。马 双忱等［５］为使废水在进入电除尘器前完全蒸发，提 出雾化液滴直径应小于１００μｍ。Ｋｉｍ 等［６］采 用 电 偶悬浮液滴法对乳化燃料进行了蒸发实验。虽然液 滴蒸发的研究较多，但关于脱硫废水烟道蒸发理论 的研究较少。 笔者利用数值模拟方法分析了影响废水液滴蒸 发的关键因素，定性定量地确定了最佳气液速度，并 在保证尾部烟气温度高于酸露点的情况下确定了不 同烟气温度下对应的最佳喷射质量流量。

１ 物理模型和数学模型 为研究电厂 脱 硫 废 水 蒸 发 的 规 律，选 取 某３００ ＭＷ 电站机组 空 气 预 热 器 与 电 除 尘 器 间 的 尾 部 烟 道为计算区 域，具 体 的 烟 道 结 构 见 图１。烟 道 的 竖 直高度为１７．１ｍ，入口段烟道高度为２．３ｍ，宽 度 为３．８２ｍ。由于尾部烟道结构相对简单，所以选择 六面体网格进行划分。图２和图３给出了网格划分 模型，网格质量较高，网格数约为８０万。 为便于计算，对喷入尾部烟道的雾化液滴蒸发 过程进行如下假设：锅炉尾部烟气速度不高，视为不 可压缩性流体；忽略烟道中布置的喷嘴等部件对烟 气流场的影响；雾化液滴近似为球形，雾化液滴的蒸 发过程为对称蒸发，忽略雾化液滴间的相互碰撞；不 考虑热辐射效应，忽略烟道壁面与烟气的换热，边界 条件设置为“绝热”。 由于作为主相的烟气体积流量远大于喷射体积 流量的１０％，所以雾化液滴蒸发选择离散相（ＤＰＭ） 模型，进行离散相和连续相耦合计算，其中雾化液滴 为离散相，烟气为连续相。设定连续相每迭代３０次 进行离散相的计算。选择稳态追踪方式，设定最大 迭代步长为５００００，离散相的尺度为０．０１ｍ。对雾 化液滴属 性 进 行 设 定，选 取ｓｏｌｉｄｅ－ｃｏｎｅ型 喷 嘴，颗 粒流的数 量 设 为１０，颗 粒 类 型 选 定 Ｄｒｏｐｌｅｔ。设 定 喷射半径为０．０２５ｍ，喷射角度为４５°。由于废水蒸 发实 质 上 是 纯 水 蒸 发，故 蒸 发 组 分 选 择 ｗａｔｅｒ－ｌｉｑ－ ｕｉｄ，雾化液滴直径分布选择ｕｎｉｆｏｒｍ 分布。

１．１ 雾化液滴运动方程 对喷入烟道的雾化液滴进行受力分析［７］。在烟 气作用下运动粒子受到的作用力为重力、曳力、虚拟 质量力、布 朗 力 以 及ｓａｆｆｍａｎ力 等［８］。雾 化 液 滴 直 径远大于亚观粒子，因此仅考虑曳力和重力。雾化 液滴的动量方程为： ｄｕｐ ｄｔ ＝ＦＤ（ｕｇ －ｕｐ）＋ｇ（ρｐ －ρｇ） ρｐ （１）

２ 计算参数 具体计算参数来自某３００ ＭＷ 机组的数据，由 于脱硫废水雾化液滴在锅炉尾部蒸发，烟气环境与 大气环境较接近［１２］，废水液滴的受热蒸发过程实质 上是水分蒸发，所以用单组分的纯水代替多组分的 脱硫废水进行雾化液滴蒸发计算。雾化液滴在尾部 烟道蒸发时，由于机组通常变负荷运行，所以将锅炉 尾部烟气的速度范围扩大为５～１５ｍ／ｓ，烟 气 温 度 范围提高至４１３～４７３Ｋ。表１给 出 了 不 同 温 度 下 烟气和雾化液滴的物性参数。 ３ 结果分析

３．１ 烟气和雾化液滴速度对蒸发时间的影响 图４给出了不同烟气速度下雾化液滴蒸发的温 度云图，设置雾化液滴进入烟道中的速度均为５ｍ／ ｓ，烟气温度为４３３Ｋ。由图４（ａ）可知，当烟气速度 为５ｍ／ｓ时喷射附近会出现低温区域，雾化液滴初 始温度为３７５Ｋ。随着烟气携带雾化液滴上升，由 于烟气对雾化液滴不断加热，雾化液滴初始温度升 高。随着烟气速度的增大，雾化液滴初始温度提高。

烟气速度为７ｍ／ｓ时，雾化液滴初始温度为３９２Ｋ； 烟气速度 为 ９ ｍ／ｓ时，雾 化 液 滴 初 始 温 度 提 高 至 ４０２Ｋ；烟气速度为２５ｍ／ｓ时，雾化液滴初始温度达 到４２６Ｋ。这是因为烟气与雾化液滴喷射的相对速 度越大［１３］，烟气 对 雾 化 液 滴 的 扰 动 也 越 大，传 热 系 数增大，使得雾化液滴能够迅速蒸发。由图４可知， 随着烟气速度的增大，气液相对速度增大，尾部出口 烟气温度降幅减小。烟气速度 分 别 为５ｍ／ｓ、７ｍ／ ｓ、９ｍ／ｓ和２５ｍ／ｓ时，由于雾化液滴吸收了烟气的 部分热量用于蒸发，尾部出口烟气温度比进口时分 别低７Ｋ、５Ｋ、３Ｋ 和１Ｋ。随 着 气 液 相 对 速 度 增 大，雾化液滴初始温度上升，烟气出口温度也有所上 升。气液相对速 度 每 增 大２ｍ／ｓ，尾 部 出 口 烟 气 温 度会降低３Ｋ 左右。

图５给出了烟气速度对雾化液滴蒸发时间的影 响。由图５可知，烟气速度与喷嘴的喷射速度相差 较大时蒸发时间较短，但烟气速度超过１５ｍ／ｓ后， 雾化液滴蒸发时间随烟气速度的变化趋于平缓，结 合电厂负荷变化时烟道尾部烟气速度一般为５～１０ ｍ／ｓ可知，当烟气速度为１０ｍ／ｓ时雾化液滴的存活 时间最短。因此，在 烟 气 速 度 为１０ｍ／ｓ、特 定 温 度 下对雾化液滴蒸发特性进行研究，计算工况见表２。 　　 在不同雾化液滴初始速度（５ ｍ／ｓ、１０ ｍ／ｓ、１５ ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓ和２５ｍ／ｓ）下进行数值模拟，结果见图６。由图６可知，雾化液滴初始速度为２５ｍ／ｓ时，雾 化液滴蒸发时间为０．２５５ｓ，比５ｍ／ｓ工况下的雾化 液滴存活时间 仅 缩 短０．３％，可 见 雾 化 液 滴 初 始 速 度对蒸发时间影响不大，这是因为雾化液滴直径非 常小，在烟气的作用下［１４］很快达到烟气速度。为缩 短雾化液滴存活时间，增大气液相对速度主要从改 变烟气速度方面考虑，通过增大烟气速度来提高气 液相对速度，进而缩短雾化液滴在烟道内的存活时 间。通过分析烟气速度和雾化液滴初始速度对蒸发 时间的影响曲线，发现烟气速度为１０ｍ／ｓ、雾 化 液 滴初始速度为５ｍ／ｓ时雾化液滴存活时间最短。

３．２ 尾部烟气温度对雾化液滴蒸发特性的影响 为研究尾部烟气温度对雾化液滴蒸发时间的影响，在不同烟气温度下对直径为６０μｍ 的雾化液滴 进行研究，烟气温度对雾化液滴蒸发特性的影响见 图７。由图７可知，随着尾部烟气温度的提高，喷入 尾部烟道中的雾化液滴存活时间缩短，蒸发时间随 烟气温度的升高大致呈指数递减。随着烟气温度的 升高，雾化液滴的蒸发时间减幅很大；烟气温度达到 ５５０Ｋ 后雾化液滴蒸发时间曲线趋于平缓。其原因 是雾化液滴由喷嘴喷射到尾部烟气主要为非稳态预 热和稳态蒸发过程，雾化液滴吸收的烟气热量先均 用于加热自身，导致雾化液滴外部与内部存在温度 梯度，外部烟气温度越高，温度梯度越大，单位时间 内雾化液滴吸收的烟气热量就越多。随着烟气温度 的升高，雾化液滴存活时间缩短；当烟气温度继续升 高时，一部分雾化液滴接触到烟气的瞬间吸收大量 的热量，雾化液滴内外部达到沸腾温度，直接过渡到 稳态的蒸发阶段，因此随着烟气温度的继续升高，雾 化液滴存活时间减幅不明显，雾化液滴蒸发时间曲 线趋于平缓。 ３．３ 喷嘴位置对雾化液滴蒸发时间的影响 如图８所示，在竖直高度为３．３ｍ 处单排布置 了７个喷嘴。

分别对７个不同位置的喷嘴进行模拟，喷嘴均 距后壁面１．７ｍ。 由图９可知，喷嘴与左壁面的距离对雾化液滴 蒸发时间的影响很小，可忽略不计。为避免喷嘴过 于靠近两侧壁面导致雾化液滴蒸发不完全，从而使 烟道壁面发生腐蚀［１５］，应在靠近烟道中间位置布置 喷嘴。

３．４ 雾化液滴蒸发时间和尾部出口烟气温度与 喷射质量流量的关系 影响雾化液滴存活时间的因素主要是烟气温度 和烟气速度。在保证单位时间内喷射到烟道的雾化 液滴短时间内完全蒸发的同时，还应使烟气温度在 进入电除尘器之前略高于酸露点。尾部烟气温度一 般低于４５３Ｋ，不同烟气温度下雾化液滴蒸发时间 和尾部出口烟气温度随喷嘴喷射质量流量的变化见 图１０。随着喷射质量流量的增加，雾化液滴蒸发时 间延长，由于单位时间内烟气所需蒸发的雾化液滴 量增加，烟气与雾化液滴间换热量增大，导致尾部出 口烟气温 度 降 低。烟气温度分别为 ４１３ Ｋ、４３３ Ｋ 和４５３Ｋ 时，雾化液滴蒸发时间和尾部出口烟气温 度与喷射质量流量呈线性关系。烟气温度为４１３Ｋ 时，最佳喷射质量流量为０．１６２ｋｇ／ｓ，此时进入电除 尘器前的烟气温度高于酸露点（约为３９８Ｋ）。烟气 温度为４３３Ｋ 和４５３Ｋ 时，最佳喷射质量流量分别 为０．３２４ｋｇ／ｓ和０．３８８ｋｇ／ｓ。通过图１１的拟合曲 线可定量确定喷嘴最佳喷射质量流量随尾部出口烟 气温度的变化规律。 ｑｍ０ ＝－２５．８＋０．１１３９５Ｔ－１．２５×１０－４ Ｔ２ （１０） 式中：ｑｍ０为喷嘴最佳喷射质量流量，ｋｇ／ｓ；Ｔ 为尾部 出口烟气温度，Ｋ。 ４ 结 论 （１）喷入烟道的雾化液滴的存活时间主要与烟 气温度、烟气速度以及喷嘴喷射质量流量有关，雾化 液滴的初始速度和喷嘴距烟道壁面的距离对蒸发时 间影响不大。 （２）烟气与雾化液滴喷射的相对速度越大，烟气对雾化液滴的扰动越大，传热系数越大，雾化液滴 能迅速蒸发；烟气速度为１０ｍ／ｓ、雾化液滴 初 始 速 度为５ｍ／ｓ时雾化液滴存活时间最短。 （３）随着尾 部 烟 气 温 度 的 升 高，喷 入 尾 部 烟 道 中的雾化液滴存活时间缩短，蒸发时间随烟气温度 大致呈指数递减。当烟气温度达到５５０Ｋ 后，雾化 液滴蒸发时间曲线趋于平缓。 （４）雾化液滴蒸发时间和尾部出口烟气温度均 与喷嘴喷射质量流量呈线性变化。喷嘴最佳喷射质 量流量随尾部出口烟气温度变化的规律为：ｑｍ０ ＝ －２５．８＋０．１１３９５Ｔ－１．２５×１０－４Ｔ２。