煙氣余熱蒸發(fā)濃縮技術(shù)中噴霧錐角影響分析
摘 要：利用燃煤電廠煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水已是電廠廢水零排放主流工藝路線之一。分析了不同角度的錐形噴嘴在蒸發(fā)濃縮脫硫廢水時(shí)的蒸發(fā)效率，考察了噴嘴角度對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。
關(guān)鍵詞：煙氣余熱濃縮;脫硫廢水;錐形噴嘴;
當(dāng)前我國(guó)燃煤電廠大多采用濕式石灰石-石膏法脫除煙氣中二氧化硫，為了維持脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及防止脫硫塔內(nèi)部材料的腐蝕，一般要求漿液中Cl-的濃度維持在12000-20000mg/L。為控制循環(huán)漿液中氯離子濃度，需外排出一部分廢水即脫硫廢水。隨著環(huán)保政策的收緊，國(guó)家現(xiàn)已要求新建燃煤電廠實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放。
目前，利用燃煤電廠煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水已是電廠廢水零排放主流工藝路線之一。本文分析了不同角度的錐形噴嘴在蒸發(fā)濃縮脫硫廢水時(shí)的蒸發(fā)效率，考察了噴嘴角度對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。
1 熱平衡理論
對(duì)廢水蒸發(fā)進(jìn)行能量守恒計(jì)算和水分的物質(zhì)平衡計(jì)算，考察抽取煙氣量變化對(duì)蒸發(fā)濃縮塔出口煙氣溫度、濕度以及相對(duì)濕度的影響規(guī)律。煙氣中所能攜帶的水蒸氣總量通過(guò)飽和含濕量（Hs）衡量，即煙氣中水蒸氣的分壓達(dá)到水蒸氣的飽和分壓。大氣壓條件下，水蒸氣的飽和分壓的數(shù)值主要受溫度影響。
其中，H為煙氣含濕量，指單位質(zhì)量干煙氣中所攜帶的水蒸氣的質(zhì)量，g/g（干空氣）；ps該溫度下的水蒸氣飽和分壓，Pa;p為煙氣總壓強(qiáng)，Pa；為水蒸氣摩爾質(zhì)量與煙氣平均摩爾質(zhì)量的比值，此處為0.623；φ為相對(duì)濕度，對(duì)于飽和煙氣取100%。
根據(jù)熱量平衡，有煙氣放熱量和廢水蒸發(fā)吸熱量的關(guān)系如下：
2 實(shí)驗(yàn)與分析
本實(shí)驗(yàn)以合川雙槐電廠一期脫硫廢水零排放項(xiàng)目的煙氣余熱濃縮塔為模型。結(jié)合熱平衡理論分析，選取單一實(shí)錐形噴嘴，廢水流量為4000kg/h為研究對(duì)象，選擇4.8m塔徑，高為20m的蒸發(fā)空間下，煙氣流速為5m/s時(shí)，可以提供22.6萬(wàn)m3用于廢水蒸發(fā)。在30°～120°實(shí)錐形噴嘴的錐角，噴嘴出口處的液滴流速為20m/s工況下，脫硫廢水蒸發(fā)分布情況如表1和圖1所示。
從煙氣逃逸量可以知道，在保證較佳的煙氣流速和液滴粒徑工況下，30°～120°錐角范圍內(nèi)，脫硫廢水逃逸不到總廢水量的2.5%，可以認(rèn)為噴嘴錐角對(duì)于煙氣攜帶液滴的影響不大。但從廢水直接回落到蓄水池以及廢水蒸發(fā)的效果來(lái)看，其受噴淋的錐角的影響較大，其中30°錐角時(shí)廢水回落量達(dá)到了總廢水量的58.5%，而錐角為90°和120°時(shí)僅為11%左右。主要是因?yàn)檩^小的噴淋錐角使得液滴集中在噴嘴下方，氣流與液滴之間的相互作用減小，降低噴淋液滴的速度衰減，液滴的停留時(shí)間也相應(yīng)減少，此外氣液兩相的傳熱傳質(zhì)效率減低，進(jìn)而廢水蒸發(fā)效率低，更多的液滴回落到塔底。
為了進(jìn)一步研究塔內(nèi)廢水蒸發(fā)特性，截取不同軸向高度的界面上的水蒸氣的分布，如圖2所示。煙氣進(jìn)口處的水蒸氣的質(zhì)量流率為23500kg/h，隨著距離噴嘴的位置越近，其質(zhì)量流率先增大而后略有些下降，其最大值出現(xiàn)在軸向高度為14～18m的液滴富集區(qū)域。結(jié)合圖3的塔內(nèi)液滴質(zhì)量分布也可以很清楚地看到，在離噴嘴出口不遠(yuǎn)處形成的液滴的富集。液滴的富集是由于離開(kāi)噴嘴后的液滴與煙氣的相對(duì)速度到達(dá)最大，其速度極大的衰減，而噴嘴又不斷有新的液滴噴淋處。此外，在液滴富集的區(qū)域下方，液滴的質(zhì)量和煙氣中的水蒸氣質(zhì)量的變化率達(dá)到最大，即脫硫廢水在這個(gè)區(qū)域的蒸發(fā)效率較高，因此減小液滴富集的區(qū)域，改善該區(qū)域的氣液兩相的傳熱傳質(zhì)，有利于促進(jìn)廢水的蒸發(fā)濃縮。
液滴在塔內(nèi)的停留時(shí)間直接影響了其蒸發(fā)效率的高低，利用塔內(nèi)不同高度截面對(duì)廢水液滴進(jìn)行采樣捕捉，統(tǒng)計(jì)液滴到達(dá)各個(gè)截面的所需的平均時(shí)間，圖4即為從噴嘴出口噴淋的液滴隨時(shí)間的分布情況。剛離開(kāi)噴嘴1s左右的時(shí)間，不同噴嘴錐角下的液滴分布較為相近，這是因?yàn)槌跏茧A段液滴的速度衰減主要受液滴初始速度的影響，而液滴之間的分散情況影響較小，而大于2s后，從較小錐角噴淋的液滴分布較為集中，核心處的液滴受煙氣曳力作用降低，依舊能夠保持一定的流速通過(guò)蒸發(fā)空間，降低液滴在塔內(nèi)的停留時(shí)間。
同時(shí)，如表2所示的液滴蒸發(fā)在噴嘴噴淋距離為0～10m的區(qū)域是主要的蒸發(fā)區(qū)間，噴嘴錐角為90°和120°的工況下在該區(qū)域的蒸發(fā)占比達(dá)到了78.48%和84.38%，液滴的停留時(shí)間也達(dá)到4s以上。而噴嘴錐角為30°的工況，由于在該區(qū)的停留時(shí)間過(guò)短，廢水液滴與煙氣在該區(qū)的傳質(zhì)過(guò)程受限，導(dǎo)致其蒸發(fā)量較小。
3 結(jié)論
以合川雙槐電廠一期脫硫廢水零排放項(xiàng)目的煙氣余熱濃縮塔為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析了不同角度的錐形噴嘴在蒸發(fā)濃縮脫硫廢水時(shí)的蒸發(fā)效率，考察了噴嘴角度對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。整體上來(lái)看，噴嘴錐角為90°和120°的工況下脫硫廢水的蒸發(fā)效果更高，回落塔底的廢水量小。同時(shí)，在噴淋塔設(shè)計(jì)時(shí)要保證蓄水液面與噴淋層的高度至少為10m，才能保證脫硫廢水的蒸發(fā)效率較高。
作者簡(jiǎn)介：阮柏松（1982—），男，安徽金寨人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳白詣?dòng)化。
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