摘要：脫硫廢水水質(zhì)復雜、含有重金屬，處理難度很大，為此開發(fā)了一種新型的脫硫廢水處理技術—蒸發(fā)塔技術，可以實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。在實驗室搭建了小型蒸發(fā)塔實驗臺，對脫硫廢水的蒸發(fā)特性、熱量衡算進行了研究。研究表明:導流板角度一定的情況下，脫硫廢水主蒸發(fā)區(qū)在塔體中心位置，隨著脫硫廢水處理量的增加，主蒸發(fā)區(qū)域向塔壁和塔體下部偏移;導流板角度減小，高溫區(qū)下移;霧矩受給液量和霧化器轉(zhuǎn)速的雙重影響，給液量越大，霧矩越大，轉(zhuǎn)速越大，霧矩越小;塔徑一定的條件下，適當調(diào)節(jié)進風量和導流板角度可增加脫硫廢水的處理量;模擬計算表明，蒸發(fā)系統(tǒng)抽取熱煙氣量較少，不會對電廠熱系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響。

關鍵詞：脫硫廢水;零排放;蒸發(fā)塔;蒸發(fā)特性;熱量衡算

2015年4月16日，國務院發(fā)布了體污染行動計劃》(《水十條》)，國家將強化對各類水污染的治理力度，脫硫廢水因成分復雜、含有重金屬引起業(yè)界關注。在此背景下，某些地區(qū)要求電廠關閉廢水外排口，實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。

目前，國內(nèi)脫硫廢水零排放技術主要有3種，分別是蒸發(fā)池、蒸發(fā)結晶及煙道蒸發(fā)。蒸發(fā)池是通過自然蒸發(fā)減少廢水體積的一種方法，在美國約有10余個電廠應用此技術進行脫硫廢水的處理。蒸發(fā)池的處理效率取決于廢水水量而非污染物濃度，因此，該方法適用于處理高濃度、總量少的含鹽廢水。此外，蒸發(fā)池處理廢水成本低，適用于土地價格低的半干旱或干旱地區(qū)使用。但是此技術需要做防滲處理，且當廢水處理量大時，所需土地面積增加，處理成本增加。為提高蒸發(fā)池的蒸發(fā)速率，減少蒸發(fā)池的占地面積，可考慮采用機械霧化蒸發(fā)。機械霧化蒸發(fā)技術利用高速旋轉(zhuǎn)的扇葉或是高壓噴嘴將廢水霧化成細小液滴，通過液滴與空氣的強烈對流進行蒸發(fā)。在上世紀90年代，此技術己經(jīng)應用于礦井高含鹽水及電廠高含鹽水的處理。但該技術存在液滴的風吹損失，造成周邊環(huán)境的鹽污染。

蒸發(fā)結晶技術主要包括3個步驟，即預處理+膜/熱力濃縮+結晶:預處理主要是去除脫硫廢水中的硬度離子;濃縮主要是將脫硫廢水減量化，產(chǎn)生可用水和濃水;濃水經(jīng)過結晶器形成鹽分然后回收利用或者填埋。蒸發(fā)結晶技術是一項成熟的技術，在國內(nèi)外都有部分應用，但經(jīng)濟上存在著投資和運行費用高等問題，限制了此技術的廣泛應用。

煙道蒸發(fā)技術是利用氣液兩相流噴嘴將脫硫廢水霧化并噴入空預器與除塵器之間的煙道中，利用煙氣余熱將廢水完全蒸發(fā)，使廢水中的污染物轉(zhuǎn)化為結晶物或鹽類，隨飛灰一起被除塵器捕集。對于脫硫廢水煙道蒸發(fā)的特性，張子敬等研究發(fā)現(xiàn)脫硫廢水的蒸發(fā)呈現(xiàn)前期快速蒸發(fā)和后期緩慢蒸發(fā)的特點;康梅強等研究了煙道結構、煙氣溫度和噴霧粒徑等參數(shù)對蒸發(fā)特性的影響;張志榮等Dal研究了不

同煙氣速度等對蒸發(fā)特性的影響;冉景煌等[研究了不同物性液滴如酸堿液滴的蒸發(fā)特性。此外，對于煙道蒸發(fā)技術的可行研究，DENG等和JIANG等研究表明脫硫廢水煙道蒸發(fā)不會對除塵器產(chǎn)生負面影響;劉勇等研究表明脫硫廢水煙道蒸發(fā)對除塵器出口PM2.5濃度影響不大。此外，脫硫廢水煙道蒸發(fā)降低了煙道溫度，減少了脫硫系統(tǒng)的水耗量。但煙道蒸發(fā)技術受限于兩方面:處理廢水量少，且受鍋爐負荷影響大;不適用于除塵器前安裝煙冷器的電廠。

本研究涉及一種蒸發(fā)塔技術，可用于脫硫廢水的處理。蒸發(fā)塔工藝系統(tǒng)如圖1所示。脫硫廢水由料液泵輸送到蒸發(fā)塔頂部的霧化器霧化為霧滴;干燥過程所需的氣體從空預器前抽取，經(jīng)過氣體分布器后以一定角度進入蒸發(fā)塔頂部，氣量可根據(jù)需要調(diào)整;經(jīng)霧化器霧化的液滴和來自氣體分布器的熱煙氣在噴霧蒸發(fā)塔內(nèi)相互接觸、混合，進行傳熱與傳質(zhì)，即進行干燥;干燥的產(chǎn)品與煙氣一起進入電除塵器，隨粉塵一起被捕集。

圖1蒸發(fā)塔工藝系統(tǒng)圖

該技術具有以下幾點優(yōu)勢:

1)實現(xiàn)脫硫廢水零排放，緩解電廠廢水處理的壓力;

2)不受鍋爐負荷的影響，脫硫廢水的處理量取決于塔型設計、引入煙氣量及煙氣溫度;

3)易于在現(xiàn)有設備上進行改造，改造費用低;

4)操作簡單，運行費用低，且相對獨立于電廠現(xiàn)有系統(tǒng)，方便檢修維護。

但該技術仍然存在需要探究的問題:

1)系統(tǒng)的蒸發(fā)特性，其關系到塔型的設計;

2}脫硫廢水處理量與抽取煙氣量的關系，其關系到系統(tǒng)的經(jīng)濟性;

3)系統(tǒng)對后續(xù)設備及飛灰綜合利用的影響，其關系到技術的應用前景。

本研究搭建了小型蒸發(fā)塔，主要探究脫硫廢水的蒸發(fā)特性及對脫硫廢水的處理量與煙氣抽取量的關系，并進行理論推導。對于蒸發(fā)塔技術下脫硫廢水蒸發(fā)特性的研究，有助于驗證技術的可靠性及塔徑塔高的設計;脫硫廢水處理量與煙氣抽取量的推導，有利于探究技術的經(jīng)濟性，二者都為蒸發(fā)塔技術的工業(yè)化應用做出重要的鋪墊。

1實驗系統(tǒng)及裝置

實驗系統(tǒng)如圖2所示，脫硫廢水經(jīng)料液泵輸送蒸發(fā)塔頂部的旋流霧化器霧化為液滴，空氣經(jīng)加熱管加熱到一定溫度通過氣體分布器呈一定角度進入蒸發(fā)塔，二者在噴霧干燥室內(nèi)相互接觸混合，進行傳熱與傳質(zhì)的干燥過程，干燥形成的顆粒物被旋風分離器捕集，廢氣排空。

圖2實驗系統(tǒng)圖

實驗所用蒸發(fā)塔設計參數(shù)參考傳統(tǒng)干燥行業(yè)5kg˙h-1物料干燥的標準塔型，塔徑為1.1m，直筒高度為0.8m，灰斗角度為600;所用給料泵為雷弗BT101L蠕動泵;蒸發(fā)塔黑點位置設置溫度探頭(天津吉星)，豎直方向距塔頂?shù)木嚯x分別為13、33、53及76cm，徑向方向距塔壁的距離分別為50、33、19及3.5cm;塔體外部用巖棉進行保溫(出口處保溫效果不好，因此，以塔體底部第2塊溫度表計為出口煙溫);塔頂設置霧化器和氣體分布器，其中霧化器為旋流霧化器，直徑為50mm，內(nèi)置16個直徑3.3mm的圓形通道，最大處理量為5kg.h-1;電加熱器功率為18kW，引風機為SINNEN1.5kW高壓風機。

氣體分布器和霧化器的布置如圖3所示，熱空氣通過若干進風管和調(diào)節(jié)閥的控制均勻進入進風通道中，通過導流板的調(diào)節(jié)呈一定角度旋轉(zhuǎn)并與旋流霧化器出來的霧滴進行充分接觸和強烈的傳質(zhì)傳熱反應。

圖3氣體分布器和霧化器的布置

霧化器霧矩的測量是將霧化器置于離地面20cm處，地面鋪一層吸水紙，以霧化器正下方點為圓心，在吸濕紙畫出一個大的圓周，隨機間隔1200等角度取3條半徑作為測點(位置1一3)進行測量。

2實驗結果及討論

2.1蒸發(fā)特性

塔體溫度變化可以顯示不同區(qū)域內(nèi)脫硫廢水的蒸發(fā)特性，溫度下降越多，說明此區(qū)域蒸發(fā)反應越激烈。

實驗所需脫硫廢水含固量為3.92%，密度為1019kg˙m-3。如圖4和圖5所示分別為為當氣體分布器導流板角度為30°和20°、進氣溫度為300℃、氣體通入量為160kg˙h-1時，隨著脫硫廢水給液量的不同，蒸發(fā)塔內(nèi)溫度場的變化趨勢。對比圖4中(a)圖和圖5中(a)圖可以看出，當導流板角度為300時，塔體高溫區(qū)集中在距塔頂53cm的水平區(qū)域內(nèi);當導流板角度為30°時，塔體高溫區(qū)集中在距塔頂76cm的水平區(qū)域內(nèi)，說明隨著導流板角度減小，高溫區(qū)

呈現(xiàn)下移趨勢;對比圖4(c)圖和圖5中(b)圖可以看出，隨著導流板角度的減少，主反應區(qū)也呈現(xiàn)下移的趨勢。

圖4導流板角度為300,塔體溫度隨噴液量變化

圖5導流板角度為200,塔體溫度隨噴液量變化

分別將圖4中(b)一(d)與(a)圖進行對比，可以看出霧化器下端(距塔頂13cm處)溫降較大，從塔體中心向塔壁方向，溫度逐漸降低;隨著噴入量的增加，貼近塔壁位置和塔體下部溫度下降開始明顯，說明隨著脫硫廢水噴入量的增加，主反應區(qū)同時向塔體下部和塔壁方向偏移。蒸發(fā)塔的蒸發(fā)量與塔徑關系密切，當塔徑較小時，脫硫廢水液滴會粘壁，造成塔壁結構和腐蝕。因此需要通過適當調(diào)節(jié)，使得液滴在粘壁之前蒸干。

將霧化器取出，置于地面20cm處，地面鋪一層吸水紙，間隔1200等角度取3個測定，無風狀況下，霧化器霧化半徑與給液量的關系如圖6所示，從圖6中可以看出，霧化器轉(zhuǎn)速為18000r˙min-1的條件下，隨著給液量的增加，霧矩增大。

圖6霧矩隨給液量變化

以3個位置的方差代表霧矩的均勻度，均勻度隨給液量的變化如圖7所示，可以看出隨著給液的增加，霧化器的均勻度變差。

圖7霧矩均勻度隨給液量變化

另外，霧矩的大小還有霧化器的轉(zhuǎn)速有關，如圖8所示。給液量為1.5kg˙h-1，隨著轉(zhuǎn)速的增加，霧矩呈減小趨勢。從圖中也可以看出，3個位置的霧矩差距較大，其源于霧矩的不均勻性。但在實際運行過程中，為了避免未蒸發(fā)液滴的粘壁，往往以最大霧矩作為設計與運行的依據(jù)。

圖8霧矩隨霧化器轉(zhuǎn)速變化

進風量為160kg˙h-1時，不同導流板角度下，臨界粘壁給液量如圖9所示。塔徑一定的情況下，通過進風量以及導流板的調(diào)節(jié)，蒸發(fā)塔處理量大大增加，從無風的2.88kg˙h-1增加到進風量160kg˙h-1、導流板角度為20°的4.38kg˙h-1，處理量增加50%。

圖9不同條件粘壁臨界給液量

2.2熱量衡算

如圖10所示為蒸發(fā)塔系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖，以蒸發(fā)塔為研究對象，進塔能量包括空氣帶入的能量、物料帶入的能量及加熱器加入的能量，出塔能量包括蒸發(fā)產(chǎn)物帶出的熱量、廢氣帶走的熱量及塔體損失的能量，根據(jù)物料和能量守恒，可以計算出特定脫硫廢水處理量情況下，所需空氣量及出塔溫度。

圖10熱量衡算系統(tǒng)圖

圖10中:

L一絕干空氣流量((kg˙h-1);

Io一進口空氣焓值(KJ˙（kg干空氣)-1);

Xo一進口空氣濕含量(kg水˙(kg絕干空氣)-1);

I1一進塔空氣焓值(KJ˙（kg干空氣)-1);

參考干燥理論，脫硫廢水蒸發(fā)過程中的物料守恒為:

脫硫廢水蒸發(fā)過程中的能量守恒為:

式中:I為空氣焓值，為空氣濕含量;T為空氣溫度(℃);Q為蒸發(fā)塔熱損失。

對于實際電廠煙氣，其焓值為:

式中:為實際電廠煙氣焓值。c為粉塵的焓值;k為煙氣中粉塵含量。

實驗過程中主要以熱空氣進行干燥，粉塵熱值為0.

進塔風量為160kg˙h-1，通過未噴液時塔體的能量損失推算塔體散熱系數(shù)，選取進氣溫度分別為200,250,300及325℃，探究不同噴液量下出口溫度的變化，并與計算值進行對比，其結果如圖11所示。從圖11中可以看出，理論計算結果與實驗值是相符的。但隨著實驗的進行，理論值略大于實驗值，其原因可能是塔體的再熱效應減弱。

圖11出口溫度隨廢水噴入量的變化

以某電廠600MW機組為例，空預器前溫度為350℃、煙氣量約200萬Nm3、脫硫廢水處理量為7.5t˙h-1，出塔煙溫設定為130℃，假設塔體設計與實驗蒸發(fā)塔相似，且熱能利用率達90%，則需抽取熱空氣量為107296kg絕干氣體˙h-1，考慮到實際煙氣中粉塵也會放出熱量，因此實際煙氣值應略低于此數(shù)值。假設煙氣密度與干空氣密度相同，為1.293kgNm-3，則抽取煙氣量為82982Nm3˙h-1生明顯影響。

3結論

本文提出了一種新型脫硫廢水零排放工藝一蒸發(fā)塔技術，搭建了小型蒸發(fā)塔，以真實的脫硫廢水進行實驗，對此技術的蒸發(fā)特性及熱量衡算等進行了研究，結論如下:

1)在一定條件下，脫硫廢水主蒸發(fā)區(qū)域在塔體中心位置，隨著噴液量的增加，主蒸發(fā)區(qū)域會向塔壁和塔體下部偏移;

2)氣體分布器的導流板角度可以決定塔體高溫區(qū)的位置，導流板角度變小，高溫區(qū)下移;

3)霧矩影響塔徑大小，其受給液量和霧化器轉(zhuǎn)速的雙重影響:給液量越大，霧矩越大;轉(zhuǎn)速越大，霧矩越小;

4)適當調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)導流板角度及進風量可增加脫硫廢水的處理量;

5)估算結果表明，此技術所需熱煙氣量不大，不會對電廠熱系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響。柴油發(fā)電機組