脫硫廢水旋轉噴霧蒸發技術

       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行成本低等特點，但運行過程中會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、水質為弱酸性、含鹽量高等特點，因此不能直接排放。近年來，隨著“水十條”的發布，工業水的排放標準更加嚴格，脫硫廢水作為工業水的一種，其排放控制引起了廣泛關注。

       旋轉噴霧干燥技術是利用旋轉霧化器將液滴霧化成粒徑為10～60μm的細小液滴噴人干燥塔，從空預器前引出高溫煙氣作為熱源將液滴在干燥塔內快速蒸干，可有效解決主、旁路煙道蒸發技術積灰和噴嘴堵塞的問題，相較于主煙道蒸發技術和旁路煙道蒸發技術有一定的技術優勢，具有良好的應用前景。

       本文開展了不同懸浮物及含鹽量的脫硫廢水蒸發實驗，并采用可視化手段觀察了脫硫廢水在干燥塔內的蒸發特性，在此基礎上考察了脫硫廢水噴霧蒸發所需要的停留時間，從而為脫硫廢水旋轉噴霧蒸發工藝的工程應用提供實驗基礎。

 

       1、實驗裝置及分析測試

       1.1 實驗裝置

       脫硫廢水旋轉噴霧干燥系統如圖1所示，由脫硫廢水供水系統、模擬煙氣系統、旋轉噴霧干燥系統和尾氣處理系統組成。干燥塔的頂部布置有LPG-50型旋轉霧化器以及蝸殼式熱風分布器，在干燥塔沿程布置溫度感應器以及觀察和采樣。干燥塔塔高6.5m、塔徑1.6m，額定處理煙氣量600m3/h(標準狀態，下同)，額定廢水處理量50L/h。廢水干燥的工藝流程為：脫硫廢水經脫硫廢水供水系統進入干燥塔頂部的旋轉霧化器霧化為細小液滴，在干燥塔內與經過電加熱器加熱的中高溫模擬煙氣接觸進行傳質傳熱，干燥后的顆粒部分被干燥塔自身分離進入塔底，部分隨煙氣進入尾氣處理系統處理后排放。圖2為干燥塔測點的布置，沿程共布置6個測點，每個測點之間的距離為60cm，之外有塔入口煙道測點，塔出口煙道測點和塔底測點。

       1.2 分析測試方法

       實驗過程巾需要測試沿程煙氣溫度、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；沿程濕度采用煙氣水分儀(HMS545P)測試；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行保存。塔出口煙氣中固體顆粒依據GB/T16157—1996《同定污染源排氣巾顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》、采用WJ-60B型皮托管平行全自動煙塵采樣器，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驗結束后打開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℃的環境下烘干30～60min，之后再次稱重。

       可視化實驗通過在脫硫廢水中加入熒光劑，在紫外燈的照射下經具有耐高溫玻璃板的觀察孔進行觀察。

 

       2、結果與分析

       2.1 脫硫廢水原水旋轉噴霧蒸發特性

       實驗選取中鹽廢水(Cl-質量濃度為13489mg/L)，在噴霧干燥塔進口煙氣溫度為350℃、脫硫廢水處理量為50L/h、進口煙氣流量為600m3/h的工況下進行脫硫廢水的旋轉噴霧蒸發實驗。實驗進行2次，一次煙氣含燃煤粉塵(粉塵質量濃度約為10g/m3)，一次是不含燃煤粉塵。實驗記錄每個工況下沿程煙氣溫度、濕度以及對沿程灰分的含水率和塔底灰分進行采樣并測試，實驗結果如圖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點1和測點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逐漸平緩，這表明脫硫廢水經霧化盤霧化噴出之后在測點1與測點2之問區域迅速蒸干，屬于主蒸發區(距離霧化盤約1.0m)。此外，從圖3、圖4以及圖5還可以看出，燃煤粉塵對塔內煙氣溫度和濕度分布影響不大，但含燃煤粉塵時，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與脫硫廢水液滴接觸并附著在液滴表面，在液滴蒸發過程中，這部分粉塵會逐漸形成一層硬殼限制液滴的繼續蒸發，在主蒸發區內，由于硬殼尚未完全成型，對液滴蒸發的限制不大，對沿程顆粒含水率的影響并不明顯，當液滴隨著煙氣離開主蒸發區至塔體中下部時，硬殼基本完全成型，限制了液滴的蒸發，這時添加燃煤粉塵的工況其塔體中下部的灰分含水率會比未添加燃煤粉塵的工況高。另外由圖5可知，至塔中部區域(測點3)，顆粒的含水率基本在10%～15%，之后逐步蒸干，至塔底時灰分含水率均在2%以下。

       2.2 含懸浮物的脫硫廢水的蒸發特性

       實驗選取中鹽脫硫廢水，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的工況下開展蒸發實驗并測試沿程煙氣溫度、濕度、干燥塔沿程、出口和塔底粉塵含水率，實驗結果如圖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，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，這是由于在主蒸發區大部分水分被直接蒸發，而離開主蒸發區后，由于水分的減少，脫硫廢水霧化液滴粒徑會減小，脫硫廢水中含有的懸浮物顆粒之間的距離會減小至接觸形成一層硬殼，這層硬殼的存在會嚴重限制剩余水分的蒸發，而脫硫廢水中懸浮物含量越高，硬殼的厚度越大，對液滴繼續蒸發的限制效果越強。因此，在塔體巾下部時，隨著懸浮物含量的增加，灰分含水率會增大。對比圖5可以發現，脫硫廢水中懸浮性固體對脫硫廢水蒸發的影響高于燃煤粉塵，這是因為進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，脫硫廢水中懸浮物對廢水蒸發后期存在較大影響。但在該工況下，塔底的含水率均小于2%，蒸干效果尚可。

       2.3 經濃縮的高鹽脫硫廢水的蒸發特性

       為降低熱煙氣抽取量，部分電廠對脫硫廢水經濃縮減量獲得高鹽廢水后再采用熱煙氣蒸發處理。為考察旋轉噴霧干燥技術對高鹽廢水的適應性，實驗選取經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下開展蒸干實驗并測試沿程煙氣溫度、濕度、干燥塔沿程及其塔底粉塵含水率，實驗結果見圖9、圖10及圖11。

       由圖9、圖10及圖11可知，經濃縮的高鹽廢水在蒸發的過程中沿程煙氣溫度和濕度普遍略低于脫硫原水蒸發的過程，在主蒸干區經濃縮的高鹽脫硫廢水蒸干產物含水率低于脫硫廢水原水，但在塔體中下部時，高鹽脫硫廢水蒸干產物含水率略高于脫硫廢水原水，這是由于在蒸干過程中相界面表面水蒸氣處于飽和狀態，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；另外還由于傳質動力為濃度差，高鹽廢水的濃度大導致濃度差小，傳質動力低于脫硫廢水原水。因此，高鹽脫硫廢水蒸發難度加大，這也解釋了高鹽廢水蒸發過程中沿程煙氣溫度和濕度普遍略低于脫硫原水蒸發過程。此外，高鹽廢水中含鹽量過高，其本身含水率低于脫硫廢水原水，因此在主蒸發區內，高鹽脫硫廢水蒸干產物含水率低于脫硫廢水原水，但當未完全蒸干的脫硫廢水液滴隨煙氣離開主蒸發區到塔體中下部時，高鹽廢水的傳質效率低于脫硫廢水原水的傳質效率，另外由于高鹽廢水析出的硬殼會嚴重限制剩余水分的蒸發，脫硫廢水中含鹽量越高，硬殼形成越早越多，會對水分的蒸發起到一定的限制作用，導致高鹽廢水蒸干產物的含水率高于脫硫廢水原水的含水率。

       2.4 脫硫廢水蒸發可視化實驗

       為了觀察脫硫廢水在干燥塔內的蒸發特性本文開展了可視化實驗。可視化實驗在典型工況下進行，即塔入口煙溫為350℃、煙氣流量為600m3/h、脫硫廢水流量為50L/h，部分觀察結果如圖12所示。

       從圖12可以看出(有明顯積灰結垢的地方為溫度感應器探頭)，霧滴粒徑細小、質量輕，噴射后霧滴近似于失重狀態，幾乎呈現漂浮和彌漫狀態；同時，霧滴和煙氣流碰撞后，近乎失重狀態的霧滴隨風而動，運動方向發生改變，以一種紊流狀態出現，被煙氣包裹后隨之有一個旋轉的運動方向。另外，脫硫廢水從旋轉霧化器噴出后迅速蒸發，主蒸發區位于霧化盤下方高約0.75m的區問內，脫硫廢水霧滴在該區域的停留時問為2.0～3.0S，在設于霧化盤下方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濃縮的高鹽脫硫廢水的蒸發特性實驗結果也可看出，從塔入口煙溫測點至位于主蒸發區測點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%)；后續測點的煙溫僅降低約10℃、煙氣含濕量僅增加約2%，均不顯著。

       2.5 煙氣在噴霧干燥塔內的停留時間影響實驗

       脫硫廢水旋轉噴霧蒸發是熱煙氣和脫硫廢水液滴的傳質傳熱的過程，要使最終的固相干燥產物的含水率小于2%，一方面要提供足夠的熱量，另一方面需要足夠的時間。通常，在蒸發的第一階段開始的蒸發速率很高，絕大部分水分在很短時間內就蒸發完成：但在第二蒸發階段，蒸發速率很快降低，要使顆粒達到很低的水分含量需要較長的時間，另外還要求若干秒的額外時間使最終的水分含量降低到容許的標準。目前，由于蒸發過程涉及復雜的氣液固三相傳熱、傳質過程很難通過理論計算獲得精確的蒸發時間，主要依據中試實驗和工程裝置運行經驗確定。因此，本文開展了相同氣液比(氣液比為12000m3/m3廢水)下，通過改變進口煙氣流量改變停留時間的實驗考察停留時間對廢水液滴蒸發的影響。實驗保持入口煙溫為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種工況對應的停留時間分別為27s、21s和18s，分別測試塔出口灰分含水率和塔底灰分含水率，實驗結果見圖13。

       從圖13可以看出，隨著停留時問的增加，塔出口及塔底灰分的含水率不斷降低，當停留時問從18S增至21S時，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%；當停留時間從21S增至27S時，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%；當停留時間大于21S時，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(固相蒸干產物含水率大于2%)，停留時間對液滴蒸發的影響較大，在脫硫廢水液滴基本蒸干的情況下(同相蒸干產物含水率小于2%)，停留時問對液滴蒸發的影響較小。這是因為在脫硫廢水蒸發的過程中，大部分水分的蒸發是比較容易的，隨著蒸發過程的進行，一方面脫硫廢水液滴蒸發析出無機鹽晶體，無機鹽晶體的存在降低了液體的蒸汽壓并減小了傳質的蒸汽壓推動力；另一方面隨著蒸發過程的進行，蒸發析出的鹽分會在脫硫廢水液滴表面形成一層硬殼阻礙廢水的蒸發。

       2.6 進口煙氣溫度的影響實驗

       實際工程中，干燥塔的熱煙氣為抽取空預器前后的中高溫煙氣。為了考察進口煙氣溫度的影響，實驗保持煙氣量為600m3/h、脫硫廢水流量為50L/h、含灰量為10g/m3，通過調節空氣加熱器的功率，對入口的模擬煙氣的溫度進行調節，分別為280℃、300℃、320℃、340℃和360℃。實驗過程采集塔底及塔出口粉塵，對其含水率進行測試，實驗結果如圖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，擴散泳力和熱泳力作用越強，傳質傳熱作用越強，蒸發效果越好。以蒸發產物含水率低于2%作為干燥良好的考察指標，在氣液比為12000m3/m3廢水下，入口煙溫280℃時已經難以保證廢水液滴良好蒸發。工程應用中，空預器入口煙溫會隨鍋爐負荷發生變化，當鍋爐負荷降低導致煙溫下降時，結合上述入口煙氣溫度對蒸發特性的影響，需要對熱煙氣抽取量及脫硫廢水處理量進行同步調節，提高熱煙氣量或降低廢水處理量，以保證脫硫廢水在塔內的干燥蒸發效果。

       2.7 氣液比的影響實驗

       實際工程中由于鍋爐負荷過低會導致干燥塔入口煙氣溫度過低。為了保證蒸干效果，此時應通過其他方式進行調節，比如氣液比的調節，因此，本實驗考察了氣液比對干燥特性的影響。實驗過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置為40、50、60、70、80L/h，對應氣液比分別為15000、12000、10000、8500、7500m3/m3廢水。實驗過程采集塔底及塔出口粉塵，對其含水率進行測試，實驗結果如圖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，塔底灰分含水率小于2%，蒸發效果良好。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，氣液比越低相當于脫硫廢水流量越高，廢水蒸發所需要的熱量越多，如熱煙氣量不足以提供廢水蒸發所需要的熱量就會導致廢水無法蒸干。

 

       3、結論

       (1)脫硫廢水中懸浮物含量較高時，塔內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；由于高鹽廢水蒸發過程中硬殼的形成量高于中低鹽廢水，降速蒸發階段的蒸發速率要慢于中低鹽廢水，但仍可保證脫硫廢水的有效蒸干，說明旋轉噴霧蒸發工藝對高鹽、高懸浮物含量等復雜脫硫廢水組分具有較佳的適應性。

       (2)脫硫廢水從旋轉霧化器噴出后迅速蒸發，主蒸發區位于霧化盤下方0.75~1.00m的區間內，脫硫廢水霧滴在該區域的停留時間為2.0~3.0s至塔中部區域，灰分含水率基本為10%~15%；隨后是蒸發析出的濕鹽分以及濕鹽分或未蒸發的廢水液滴與粉塵碰撞接觸形成的潮濕顆粒進一步蒸干至含水率低于2%的過程；煙氣在噴霧干燥塔內的停留時間需要維持在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。

 

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