目前，燃煤電廠普遍采用石灰石一石膏濕法脫硫工藝，該工藝具有脫硫效率高及運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，但運(yùn)行過(guò)程中會(huì)排放一定量的脫硫廢水，排放量為15～20kg/(Mw•h)。脫硫廢水一般具有懸浮物含量高、水質(zhì)為弱酸性、含鹽量高等特點(diǎn)，因此不能直接排放。近年來(lái)，隨著“水十條”的發(fā)布，工業(yè)水的排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，脫硫廢水作為工業(yè)水的一種，其排放控制引起了廣泛關(guān)注。
旋轉(zhuǎn)噴霧干燥技術(shù)是利用旋轉(zhuǎn)霧化器將液滴霧化成粒徑為10～60μm的細(xì)小液滴噴人干燥塔，從空預(yù)器前引出高溫?zé)煔庾鳛闊嵩磳⒁旱卧诟稍锼䞍?nèi)快速蒸干，可有效解決主、旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)積灰和噴嘴堵塞的問(wèn)題，相較于主煙道蒸發(fā)技術(shù)和旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。
本文開(kāi)展了不同懸浮物及含鹽量的脫硫廢水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，并采用可視化手段觀察了脫硫廢水在干燥塔內(nèi)的蒸發(fā)特性，在此基礎(chǔ)上考察了脫硫廢水噴霧蒸發(fā)所需要的停留時(shí)間，從而為脫硫廢水旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)工藝的工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
1、實(shí)驗(yàn)裝置及分析測(cè)試
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
脫硫廢水旋轉(zhuǎn)噴霧干燥系統(tǒng)如圖1所示，由脫硫廢水供水系統(tǒng)、模擬煙氣系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)組成。干燥塔的頂部布置有LPG-50型旋轉(zhuǎn)霧化器以及蝸殼式熱風(fēng)分布器，在干燥塔沿程布置溫度感應(yīng)器以及觀察和采樣。干燥塔塔高6.5m、塔徑1.6m，額定處理煙氣量600m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)，額定廢水處理量50L/h。廢水干燥的工藝流程為：脫硫廢水經(jīng)脫硫廢水供水系統(tǒng)進(jìn)入干燥塔頂部的旋轉(zhuǎn)霧化器霧化為細(xì)小液滴，在干燥塔內(nèi)與經(jīng)過(guò)電加熱器加熱的中高溫模擬煙氣接觸進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，干燥后的顆粒部分被干燥塔自身分離進(jìn)入塔底，部分隨煙氣進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)處理后排放。圖2為干燥塔測(cè)點(diǎn)的布置，沿程共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為60cm，之外有塔入口煙道測(cè)點(diǎn)，塔出口煙道測(cè)點(diǎn)和塔底測(cè)點(diǎn)。
1.2 分析測(cè)試方法
實(shí)驗(yàn)過(guò)程巾需要測(cè)試沿程煙氣溫度、濕度、沿程灰分含水率以及塔底與塔出口灰分含水率。沿程溫度采用熱電偶(WRP-130)在線檢測(cè)；沿程濕度采用煙氣水分儀(HMS545P)測(cè)試；沿程灰分含水率采用自制采樣槍采樣，將采集的樣品收集到塑封袋進(jìn)行保存。塔出口煙氣中固體顆粒依據(jù)GB/T16157—1996《同定污染源排氣巾顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》、采用WJ-60B型皮托管平行全自動(dòng)煙塵采樣器，在等速采樣條件下由加裝于采樣槍中的玻璃纖維濾筒采集；塔底固相顆粒在一組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后打開(kāi)塔底灰斗閥門用塑封袋收集并保存。采集到的灰樣取部分稱重后放置烘箱在120℃的環(huán)境下烘干30～60min，之后再次稱重。
可視化實(shí)驗(yàn)通過(guò)在脫硫廢水中加入熒光劑，在紫外燈的照射下經(jīng)具有耐高溫玻璃板的觀察孔進(jìn)行觀察。
2、結(jié)果與分析
2.1 脫硫廢水原水旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)特性
實(shí)驗(yàn)選取中鹽廢水(Cl-質(zhì)量濃度為13489mg/L)，在噴霧干燥塔進(jìn)口煙氣溫度為350℃、脫硫廢水處理量為50L/h、進(jìn)口煙氣流量為600m3/h的工況下進(jìn)行脫硫廢水的旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2次，一次煙氣含燃煤粉塵(粉塵質(zhì)量濃度約為10g/m3)，一次是不含燃煤粉塵。實(shí)驗(yàn)記錄每個(gè)工況下沿程煙氣溫度、濕度以及對(duì)沿程灰分的含水率和塔底灰分進(jìn)行采樣并測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。
由圖3、圖4以及圖5可以看出，沿程溫度、濕度和沿程灰分的含水率在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2之間的變化最為劇烈，隨后沿程溫度、濕度及沿程灰分的含水率變化趨勢(shì)逐漸平緩，這表明脫硫廢水經(jīng)霧化盤霧化噴出之后在測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2之問(wèn)區(qū)域迅速蒸干，屬于主蒸發(fā)區(qū)(距離霧化盤約1.0m)。此外，從圖3、圖4以及圖5還可以看出，燃煤粉塵對(duì)塔內(nèi)煙氣溫度和濕度分布影響不大，但含燃煤粉塵時(shí)，塔中下部固體顆粒的蒸干速率略有降低，這是由于在含燃煤粉塵的工況下，部分燃煤粉塵顆粒會(huì)與脫硫廢水液滴接觸并附著在液滴表面，在液滴蒸發(fā)過(guò)程中，這部分粉塵會(huì)逐漸形成一層硬殼限制液滴的繼續(xù)蒸發(fā)，在主蒸發(fā)區(qū)內(nèi)，由于硬殼尚未完全成型，對(duì)液滴蒸發(fā)的限制不大，對(duì)沿程顆粒含水率的影響并不明顯，當(dāng)液滴隨著煙氣離開(kāi)主蒸發(fā)區(qū)至塔體中下部時(shí)，硬殼基本完全成型，限制了液滴的蒸發(fā)，這時(shí)添加燃煤粉塵的工況其塔體中下部的灰分含水率會(huì)比未添加燃煤粉塵的工況高。另外由圖5可知，至塔中部區(qū)域(測(cè)點(diǎn)3)，顆粒的含水率基本在10%～15%，之后逐步蒸干，至塔底時(shí)灰分含水率均在2%以下。
2.2 含懸浮物的脫硫廢水的蒸發(fā)特性
實(shí)驗(yàn)選取中鹽脫硫廢水，采用不含懸浮物的原始脫硫廢水，以及在其中加入燃煤粉塵和石膏顆粒配制成懸浮性固體(suspended solid，SS)含量分別為3%、6%和10%的脫硫廢水，在塔入口煙溫約為345℃、煙氣流量為600m3/h、煙氣不含燃煤粉塵、脫硫廢水液量為50L/h的工況下開(kāi)展蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)并測(cè)試沿程煙氣溫度、濕度、干燥塔沿程、出口和塔底粉塵含水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。
由圖6、圖7及圖8可知，在蒸干不同懸浮物含量的脫硫廢水時(shí)，干燥塔沿程煙氣溫度和濕度變化不大，但隨著懸浮物含量的增加，塔體中下部灰分的含水率有所增加，這是由于在主蒸發(fā)區(qū)大部分水分被直接蒸發(fā)，而離開(kāi)主蒸發(fā)區(qū)后，由于水分的減少，脫硫廢水霧化液滴粒徑會(huì)減小，脫硫廢水中含有的懸浮物顆粒之間的距離會(huì)減小至接觸形成一層硬殼，這層硬殼的存在會(huì)嚴(yán)重限制剩余水分的蒸發(fā)，而脫硫廢水中懸浮物含量越高，硬殼的厚度越大，對(duì)液滴繼續(xù)蒸發(fā)的限制效果越強(qiáng)。因此，在塔體巾下部時(shí)，隨著懸浮物含量的增加，灰分含水率會(huì)增大。對(duì)比圖5可以發(fā)現(xiàn)，脫硫廢水中懸浮性固體對(duì)脫硫廢水蒸發(fā)的影響高于燃煤粉塵，這是因?yàn)檫M(jìn)入干燥塔的燃煤粉塵屬于高溫干燥顆粒，而脫硫廢水中的懸浮性固體屬于高濕低溫顆粒，同時(shí)，脫硫廢水中懸浮物對(duì)廢水蒸發(fā)后期存在較大影響。但在該工況下，塔底的含水率均小于2%，蒸干效果尚可。
2.3 經(jīng)濃縮的高鹽脫硫廢水的蒸發(fā)特性
為降低熱煙氣抽取量，部分電廠對(duì)脫硫廢水經(jīng)濃縮減量獲得高鹽廢水后再采用熱煙氣蒸發(fā)處理。為考察旋轉(zhuǎn)噴霧干燥技術(shù)對(duì)高鹽廢水的適應(yīng)性，實(shí)驗(yàn)選取經(jīng)低溫多效閃蒸濃縮的高鹽脫硫廢水，在塔入口煙溫為350℃、煙氣流量為600m3/h、脫硫廢水量為50L/h下開(kāi)展蒸干實(shí)驗(yàn)并測(cè)試沿程煙氣溫度、濕度、干燥塔沿程及其塔底粉塵含水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10及圖11。
由圖9、圖10及圖11可知，經(jīng)濃縮的高鹽廢水在蒸發(fā)的過(guò)程中沿程煙氣溫度和濕度普遍略低于脫硫原水蒸發(fā)的過(guò)程，在主蒸干區(qū)經(jīng)濃縮的高鹽脫硫廢水蒸干產(chǎn)物含水率低于脫硫廢水原水，但在塔體中下部時(shí)，高鹽脫硫廢水蒸干產(chǎn)物含水率略高于脫硫廢水原水，這是由于在蒸干過(guò)程中相界面表面水蒸氣處于飽和狀態(tài)，脫硫廢水是含鹽溶液，含鹽量越高相界面的表面蒸汽壓越低；另外還由于傳質(zhì)動(dòng)力為濃度差，高鹽廢水的濃度大導(dǎo)致濃度差小，傳質(zhì)動(dòng)力低于脫硫廢水原水。因此，高鹽脫硫廢水蒸發(fā)難度加大，這也解釋了高鹽廢水蒸發(fā)過(guò)程中沿程煙氣溫度和濕度普遍略低于脫硫原水蒸發(fā)過(guò)程。此外，高鹽廢水中含鹽量過(guò)高，其本身含水率低于脫硫廢水原水，因此在主蒸發(fā)區(qū)內(nèi)，高鹽脫硫廢水蒸干產(chǎn)物含水率低于脫硫廢水原水，但當(dāng)未完全蒸干的脫硫廢水液滴隨煙氣離開(kāi)主蒸發(fā)區(qū)到塔體中下部時(shí)，高鹽廢水的傳質(zhì)效率低于脫硫廢水原水的傳質(zhì)效率，另外由于高鹽廢水析出的硬殼會(huì)嚴(yán)重限制剩余水分的蒸發(fā)，脫硫廢水中含鹽量越高，硬殼形成越早越多，會(huì)對(duì)水分的蒸發(fā)起到一定的限制作用，導(dǎo)致高鹽廢水蒸干產(chǎn)物的含水率高于脫硫廢水原水的含水率。
2.4 脫硫廢水蒸發(fā)可視化實(shí)驗(yàn)
為了觀察脫硫廢水在干燥塔內(nèi)的蒸發(fā)特性本文開(kāi)展了可視化實(shí)驗(yàn)。可視化實(shí)驗(yàn)在典型工況下進(jìn)行，即塔入口煙溫為350℃、煙氣流量為600m3/h、脫硫廢水流量為50L/h，部分觀察結(jié)果如圖12所示。
從圖12可以看出(有明顯積灰結(jié)垢的地方為溫度感應(yīng)器探頭)，霧滴粒徑細(xì)小、質(zhì)量輕，噴射后霧滴近似于失重狀態(tài)，幾乎呈現(xiàn)漂浮和彌漫狀態(tài)；同時(shí)，霧滴和煙氣流碰撞后，近乎失重狀態(tài)的霧滴隨風(fēng)而動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，以一種紊流狀態(tài)出現(xiàn)，被煙氣包裹后隨之有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。另外，脫硫廢水從旋轉(zhuǎn)霧化器噴出后迅速蒸發(fā)，主蒸發(fā)區(qū)位于霧化盤下方高約0.75m的區(qū)問(wèn)內(nèi)，脫硫廢水霧滴在該區(qū)域的停留時(shí)問(wèn)為2.0～3.0S，在設(shè)于霧化盤下方2.0m處的觀察口已看不到熒光液滴。此外，從上述脫硫廢水原水、含懸浮物的脫硫廢水以及經(jīng)濃縮的高鹽脫硫廢水的蒸發(fā)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可看出，從塔入口煙溫測(cè)點(diǎn)至位于主蒸發(fā)區(qū)測(cè)點(diǎn)的煙溫下降最為顯著，水汽含量增加也最為明顯(占總增加值的70%～80%)；后續(xù)測(cè)點(diǎn)的煙溫僅降低約10℃、煙氣含濕量?jī)H增加約2%，均不顯著。
2.5 煙氣在噴霧干燥塔內(nèi)的停留時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)
脫硫廢水旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)是熱煙氣和脫硫廢水液滴的傳質(zhì)傳熱的過(guò)程，要使最終的固相干燥產(chǎn)物的含水率小于2%，一方面要提供足夠的熱量，另一方面需要足夠的時(shí)間。通常，在蒸發(fā)的第一階段開(kāi)始的蒸發(fā)速率很高，絕大部分水分在很短時(shí)間內(nèi)就蒸發(fā)完成：但在第二蒸發(fā)階段，蒸發(fā)速率很快降低，要使顆粒達(dá)到很低的水分含量需要較長(zhǎng)的時(shí)間，另外還要求若干秒的額外時(shí)間使最終的水分含量降低到容許的標(biāo)準(zhǔn)。目前，由于蒸發(fā)過(guò)程涉及復(fù)雜的氣液固三相傳熱、傳質(zhì)過(guò)程很難通過(guò)理論計(jì)算獲得精確的蒸發(fā)時(shí)間，主要依據(jù)中試實(shí)驗(yàn)和工程裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定。因此，本文開(kāi)展了相同氣液比(氣液比為12000m3/m3廢水)下，通過(guò)改變進(jìn)口煙氣流量改變停留時(shí)間的實(shí)驗(yàn)考察停留時(shí)間對(duì)廢水液滴蒸發(fā)的影響。實(shí)驗(yàn)保持入口煙溫為350℃、氣液比為12000m3/m3廢水不變，含灰量約為10g/m3，選取以下3種工況：(1)煙氣量為600mh、脫硫廢水流量為50L/h；(2)煙氣量為720m3/h、脫硫廢水流量為60L/h；(3)煙氣量為9003/h、脫硫廢水流量為75L/h上述3種工況對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間分別為27s、21s和18s，分別測(cè)試塔出口灰分含水率和塔底灰分含水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖13。
從圖13可以看出，隨著停留時(shí)問(wèn)的增加，塔出口及塔底灰分的含水率不斷降低，當(dāng)停留時(shí)問(wèn)從18S增至21S時(shí)，塔出口及塔底灰分含水率分別從2.78%降至1.89%、2.51%降至0.92%；當(dāng)停留時(shí)間從21S增至27S時(shí)，塔出口及塔底灰分含水率分別從1.89%降至1.38%、0.92%降至0.89%；當(dāng)停留時(shí)間大于21S時(shí)，塔出口及塔底粉塵含水率均在2.0%以下。這表明在脫硫廢水液滴蒸干之前(固相蒸干產(chǎn)物含水率大于2%)，停留時(shí)間對(duì)液滴蒸發(fā)的影響較大，在脫硫廢水液滴基本蒸干的情況下(同相蒸干產(chǎn)物含水率小于2%)，停留時(shí)問(wèn)對(duì)液滴蒸發(fā)的影響較小。這是因?yàn)樵诿摿驈U水蒸發(fā)的過(guò)程中，大部分水分的蒸發(fā)是比較容易的，隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，一方面脫硫廢水液滴蒸發(fā)析出無(wú)機(jī)鹽晶體，無(wú)機(jī)鹽晶體的存在降低了液體的蒸汽壓并減小了傳質(zhì)的蒸汽壓推動(dòng)力；另一方面隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，蒸發(fā)析出的鹽分會(huì)在脫硫廢水液滴表面形成一層硬殼阻礙廢水的蒸發(fā)。
2.6 進(jìn)口煙氣溫度的影響實(shí)驗(yàn)
實(shí)際工程中，干燥塔的熱煙氣為抽取空預(yù)器前后的中高溫?zé)煔狻榱丝疾爝M(jìn)口煙氣溫度的影響，實(shí)驗(yàn)保持煙氣量為600m3/h、脫硫廢水流量為50L/h、含灰量為10g/m3，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣加熱器的功率，對(duì)入口的模擬煙氣的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別為280℃、300℃、320℃、340℃和360℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集塔底及塔出口粉塵，對(duì)其含水率進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。
從圖14可以看出，塔底及塔出口灰分的含水率均隨著入口煙氣溫度的升高而減小，在入口煙氣溫度從280℃上升至360℃的過(guò)程中，塔出口及塔底灰分含水率分別從4.21%降至0.89%、3.12%降至0.4%。主要原因是霧化液滴與煙氣之間的溫差越大，擴(kuò)散泳力和熱泳力作用越強(qiáng)，傳質(zhì)傳熱作用越強(qiáng)，蒸發(fā)效果越好。以蒸發(fā)產(chǎn)物含水率低于2%作為干燥良好的考察指標(biāo)，在氣液比為12000m3/m3廢水下，入口煙溫280℃時(shí)已經(jīng)難以保證廢水液滴良好蒸發(fā)。工程應(yīng)用中，空預(yù)器入口煙溫會(huì)隨鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化，當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低導(dǎo)致煙溫下降時(shí)，結(jié)合上述入口煙氣溫度對(duì)蒸發(fā)特性的影響，需要對(duì)熱煙氣抽取量及脫硫廢水處理量進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，提高熱煙氣量或降低廢水處理量，以保證脫硫廢水在塔內(nèi)的干燥蒸發(fā)效果。
2.7 氣液比的影響實(shí)驗(yàn)
實(shí)際工程中由于鍋爐負(fù)荷過(guò)低會(huì)導(dǎo)致干燥塔入口煙氣溫度過(guò)低。為了保證蒸干效果，此時(shí)應(yīng)通過(guò)其他方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，比如氣液比的調(diào)節(jié)，因此，本實(shí)驗(yàn)考察了氣液比對(duì)干燥特性的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持入口煙溫為340℃、煙氣量為600m3/h、含灰量約為10g/m3，脫硫廢水流量分別設(shè)置為40、50、60、70、80L/h，對(duì)應(yīng)氣液比分別為15000、12000、10000、8500、7500m3/m3廢水。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集塔底及塔出口粉塵，對(duì)其含水率進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。
從圖15可以看出，在入口煙氣溫度為340℃、氣液比大于10000m3/m3時(shí)，塔底灰分含水率小于2%，蒸發(fā)效果良好。氣液比降低，塔底及塔出口灰分含水率升高，主要原因是在熱煙氣量相同時(shí)，氣液比越低相當(dāng)于脫硫廢水流量越高，廢水蒸發(fā)所需要的熱量越多，如熱煙氣量不足以提供廢水蒸發(fā)所需要的熱量就會(huì)導(dǎo)致廢水無(wú)法蒸干。
3、結(jié)論
(1)脫硫廢水中懸浮物含量較高時(shí)，塔內(nèi)煙氣溫度和濕度分布變化不大，但塔中下部的灰分含水率有所增大；由于高鹽廢水蒸發(fā)過(guò)程中硬殼的形成量高于中低鹽廢水，降速蒸發(fā)階段的蒸發(fā)速率要慢于中低鹽廢水，但仍可保證脫硫廢水的有效蒸干，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)工藝對(duì)高鹽、高懸浮物含量等復(fù)雜脫硫廢水組分具有較佳的適應(yīng)性。
(2)脫硫廢水從旋轉(zhuǎn)霧化器噴出后迅速蒸發(fā)，主蒸發(fā)區(qū)位于霧化盤下方0.75~1.00m的區(qū)間內(nèi)，脫硫廢水霧滴在該區(qū)域的停留時(shí)間為2.0~3.0s至塔中部區(qū)域，灰分含水率基本為10%~15%；隨后是蒸發(fā)析出的濕鹽分以及濕鹽分或未蒸發(fā)的廢水液滴與粉塵碰撞接觸形成的潮濕顆粒進(jìn)一步蒸干至含水率低于2%的過(guò)程；煙氣在噴霧干燥塔內(nèi)的停留時(shí)間需要維持在20s以上才能保證塔出口灰分含水率低于2%。
(3)入口煙氣溫度、氣液比對(duì)灰分含水率有著明顯的影響，提升入口煙氣溫度和氣液比均可降低顆粒含水率。（來(lái)源：大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東南大學(xué))）
