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(kāi)發(fā)了一種新型的脫硫廢水處理技術(shù)—蒸發(fā)塔技術(shù)，可以實(shí)現脫硫廢水的零排放。在實(shí)驗室搭建了小型蒸發(fā)塔實(shí)驗臺，對脫硫廢水的蒸發(fā)特性、熱量衡算進(jìn)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)區在塔體中心位置，隨著(zhù)脫硫廢水處理量的增加，主蒸發(fā)區域向塔壁和塔體下部偏移;導流板角度減小，高溫區下移;霧矩受給液量和霧化器轉速的雙重影響，給液量越大，霧矩越大，轉速越大，霧矩越小;塔徑一定的條件下，適當調節進(jìn)風(fēng)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)系統抽取熱煙氣量較少，不會(huì )對電廠(chǎng)熱系統產(chǎn)生明顯影響。

關(guān)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(wù)院發(fā)布了體污染行動(dòng)計劃》(《水十條》)，國家將強化對各類(lèi)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(guān)注。在此背景下，某些地區要求電廠(chǎng)關(guān)閉廢水外排口，實(shí)現脫硫廢水的零排放。

目前，國內脫硫廢水零排放技術(shù)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(guò)自然蒸發(fā)減少廢水體積的一種方法，在美國約有10余個(gè)電廠(chǎng)應用此技術(shù)進(jìn)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(jià)格低的半干旱或干旱地區使用。但是此技術(shù)需要做防滲處理，且當廢水處理量大時(shí)，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(shù)利用高速旋轉的扇葉或是高壓噴嘴將廢水霧化成細小液滴，通過(guò)液滴與空氣的強烈對流進(jìn)行蒸發(fā)。在上世紀90年代，此技術(shù)己經(jīng)應用于礦井高含鹽水及電廠(chǎng)高含鹽水的處理。但該技術(shù)存在液滴的風(fēng)吹損失，造成周邊環(huán)境的鹽污染。

蒸發(fā)結晶技術(shù)主要包括3個(gè)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(guò)結晶器形成鹽分然后回收利用或者填埋。蒸發(fā)結晶技術(shù)是一項成熟的技術(shù)，在國內外都有部分應用，但經(jīng)濟上存在著(zhù)投資和運行費用高等問(wèn)題，限制了此技術(shù)的廣泛應用。

煙道蒸發(fā)技術(shù)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化為結晶物或鹽類(lèi)，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)現脫硫廢水的蒸發(fā)呈現前期快速蒸發(fā)和后期緩慢蒸發(fā)的特點(diǎn);康梅強等研究了煙道結構、煙氣溫度和噴霧粒徑等參數對蒸發(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(shù)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(huì )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，減少了脫硫系統的水耗量。但煙道蒸發(fā)技術(shù)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(chǎng)。

本研究涉及一種蒸發(fā)塔技術(shù)，可用于脫硫廢水的處理。蒸發(fā)塔工藝系統如圖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(guò)程所需的氣體從空預器前抽取，經(jīng)過(guò)氣體分布器后以一定角度進(jìn)入蒸發(fā)塔頂部，氣量可根據需要調整;經(jīng)霧化器霧化的液滴和來(lái)自氣體分布器的熱煙氣在噴霧蒸發(fā)塔內相互接觸、混合，進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，即進(jìn)行干燥;干燥的產(chǎn)品與煙氣一起進(jìn)入電除塵器，隨粉塵一起被捕集。

圖1蒸發(fā)塔工藝系統圖

該技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:

1)實(shí)現脫硫廢水零排放，緩解電廠(chǎng)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)易于在現有設備上進(jìn)行改造，改造費用低;

4)操作簡(jiǎn)單，運行費用低，且相對獨立于電廠(chǎng)現有系統，方便檢修維護。

但該技術(shù)仍然存在需要探究的問(wèn)題:

1)系統的蒸發(fā)特性，其關(guān)系到塔型的設計;

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

3)系統對后續設備及飛灰綜合利用的影響，其關(guān)系到技術(shù)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(guān)系，并進(jìn)行理論推導。對于蒸發(fā)塔技術(shù)下脫硫廢水蒸發(fā)特性的研究，有助于驗證技術(shù)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(shù)的經(jīng)濟性，二者都為蒸發(fā)塔技術(shù)的工業(yè)化應用做出重要的鋪墊。

1實(shí)驗系統及裝置

實(shí)驗系統如圖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(guò)氣體分布器呈一定角度進(jìn)入蒸發(fā)塔，二者在噴霧干燥室內相互接觸混合，進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)的干燥過(guò)程，干燥形成的顆粒物被旋風(fēng)分離器捕集，廢氣排空。

圖2實(shí)驗系統圖

實(shí)驗所用蒸發(fā)塔設計參數參考傳統干燥行業(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(dòng)泵;蒸發(fā)塔黑點(diǎn)位置設置溫度探頭(天津吉星)，豎直方向距塔頂的距離分別為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(jìn)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，內置16個(gè)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(fēng)機為SINNEN1.5kW高壓風(fēng)機。

氣體分布器和霧化器的布置如圖3所示，熱空氣通過(guò)若干進(jìn)風(fēng)管和調節閥的控制均勻進(jìn)入進(jìn)風(fēng)通道中，通過(guò)導流板的調節呈一定角度旋轉并與旋流霧化器出來(lái)的霧滴進(jìn)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(diǎn)為圓心，在吸濕紙畫(huà)出一個(gè)大的圓周，隨機間隔1200等角度取3條半徑作為測點(diǎn)(位置1一3)進(jìn)行測量。

2實(shí)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域內脫硫廢水的蒸發(fā)特性，溫度下降越多，說(shuō)明此區域蒸發(fā)反應越激烈。

實(shí)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(jìn)氣溫度為300℃、氣體通入量為160kg˙h-1時(shí)，隨著(zhù)脫硫廢水給液量的不同，蒸發(fā)塔內溫度場(chǎng)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(shí)，塔體高溫區集中在距塔頂53cm的水平區域內;當導流板角度為30°時(shí)，塔體高溫區集中在距塔頂76cm的水平區域內，說(shuō)明隨著(zhù)導流板角度減小，高溫區

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

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(jìn)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(zhù)噴入量的增加，貼近塔壁位置和塔體下部溫度下降開(kāi)始明顯，說(shuō)明隨著(zhù)脫硫廢水噴入量的增加，主反應區同時(shí)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(guān)系密切，當塔徑較小時(shí)，脫硫廢水液滴會(huì )粘壁，造成塔壁結構和腐蝕。因此需要通過(guò)適當調節，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(gè)測定，無(wú)風(fēng)狀況下，霧化器霧化半徑與給液量的關(guān)系如圖6所示，從圖6中可以看出，霧化器轉速為18000r˙min-1的條件下，隨著(zhù)給液量的增加，霧矩增大。

圖6霧矩隨給液量變化

以3個(gè)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(zhù)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速有關(guān)，如圖8所示。給液量為1.5kg˙h-1，隨著(zhù)轉速的增加，霧矩呈減小趨勢。從圖中也可以看出，3個(gè)位置的霧矩差距較大，其源于霧矩的不均勻性。但在實(shí)際運行過(guò)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。

圖8霧矩隨霧化器轉速變化

進(jìn)風(fēng)量為160kg˙h-1時(shí)，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(guò)進(jìn)風(fēng)量以及導流板的調節，蒸發(fā)塔處理量大大增加，從無(wú)風(fēng)的2.88kg˙h-1增加到進(jìn)風(fēng)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)塔系統能量系統圖，以蒸發(fā)塔為研究對象，進(jìn)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熱量衡算系統圖

圖10中:

L一絕干空氣流量((kg˙h-1);

Io一進(jìn)口空氣焓值(KJ˙（kg干空氣)-1);

Xo一進(jìn)口空氣濕含量(kg水˙(kg絕干空氣)-1);

I1一進(jìn)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(guò)程中的物料守恒為:

脫硫廢水蒸發(fā)過(guò)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(shí)際電廠(chǎng)煙氣，其焓值為:

式中:為實(shí)際電廠(chǎng)煙氣焓值。c為粉塵的焓值;k為煙氣中粉塵含量。

實(shí)驗過(guò)程中主要以熱空氣進(jìn)行干燥，粉塵熱值為0.

進(jìn)塔風(fēng)量為160kg˙h-1，通過(guò)未噴液時(shí)塔體的能量損失推算塔體散熱系數，選取進(jìn)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(jìn)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(shí)驗值是相符的。但隨著(zhù)實(shí)驗的進(jìn)行，理論值略大于實(shí)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(chǎng)600MW機組為例，空預器前溫度為350℃、煙氣量約200萬(wàn)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(shí)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(shí)際煙氣中粉塵也會(huì )放出熱量，因此實(shí)際煙氣值應略低于此數值。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(shù)，搭建了小型蒸發(fā)塔，以真實(shí)的脫硫廢水進(jìn)行實(shí)驗，對此技術(shù)的蒸發(fā)特性及熱量衡算等進(jìn)行了研究，結論如下:

1)在一定條件下，脫硫廢水主蒸發(fā)區域在塔體中心位置，隨著(zhù)噴液量的增加，主蒸發(fā)區域會(huì )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的位置，導流板角度變小，高溫區下移;

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

4)適當調節調節導流板角度及進(jìn)風(fēng)量可增加脫硫廢水的處理量;

5)估算結果表明，此技術(shù)所需熱煙氣量不大，不會(huì )對電廠(chǎng)熱系統產(chǎn)生明顯影響。柴油發(fā)電機組