脱硫废水高温旁路干燥塔蒸发系统仿真研究

凌卫平，虞 斌，许 蕾，陈 晨，方玮玮

（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211816）

燃煤电厂排放物对环境危害大，不符合我国“碳达峰、碳中和”战略要求［1］，必须进行治理。燃煤电厂排放物的含硫废水，一般采用干法、湿法或半干法处理，其中湿法石灰石- 石膏脱硫技术［2］工业应用最广泛。石灰石- 石膏脱硫装置排放的脱硫废水［3］需要做进一步无害化处理，虞斌等［4］研发了一种新型脱硫废水零排放处理系统，该系统综合利用分离式相变换热技术［5］、多效蒸发浓缩技术［6］以及喷雾干燥固化技术，通过多效蒸发将废水浓缩倍率控制在8～10［7］，通过喷雾干燥实现浓缩废水的固化。

喷雾干燥技术的应用需要解决两个问题，一是提供大量的热能，二是提高液滴蒸发的效率。锅炉烟气含有大量余热［8-9］，作为喷雾干燥的热源，可以实现含硫废水和烟气余热的双向利用，基于此设计的高温烟气旁路喷雾干燥技术已经引发广泛关注。高温烟气旁路喷雾干燥技术也称高温旁路蒸发塔技术，采用高温烟气与脱硫废水喷雾液滴直接接触方式换热，换热过程中液滴的蒸发特性直接影响干燥效率，是技术优化和改进的重要评价指标，许多研究人员采用理论计算和实验方法进行相关研究，获取了有一定参考价值的研究成果。

P Ceidk 等［10］提出了平均液滴直径和气流之间的经验关系，液滴流速一定，平均液滴直径随气体流速增加而减小。Xinglian Ye 等［11］利用热重分析仪研究了脱硫废水液滴蒸发和结晶特性影响因素，发现升温速率越高，蒸发和结晶速率越高，液滴体积的增加会使得液滴结晶的速率降低。Zhengxing Liang 等［12］的研究表明，在液滴蒸发后期，含盐量较高的液滴需要更多的时间和距离才能完全蒸发。Jiangtao Fu 等［13］试验发现，在不同锅炉负荷条件下，烟气温度和速度的提高有利于液滴的蒸发。

计算流体动力学（CFD）数值模拟软件可以描述液滴群的蒸发过程，已有研究人员将其运用于废水蒸发研究［14-15］。针对目前脱硫废水喷雾蒸发数值模拟研究以纯水蒸发代替脱硫废水蒸发的实际情况，文中进一步将高浓度脱硫废水蒸发后形成的固体结晶物对蒸发效果的影响纳入考虑，通过建立渐扩式入口蒸发塔结构模型，采用DPM 离散相计算模型，模拟高浓度脱硫废水在旁路喷雾干燥塔内的蒸发过程，讨论脱硫废水在塔内的蒸发机理。

1 喷雾干燥塔物理模型建立

1.1 物理模型

某燃煤电厂采用旁路高温喷雾干燥塔技术处理脱硫废水，脱硫废水在塔内通过三流体喷嘴雾化成液滴，高温烟气从渐扩式入口进入塔内，脱硫废水雾化液滴接触高温烟气后迅速蒸发。喷雾干燥塔外形总体为立式三段式结构，塔体的总长度10 000 mm，高温烟气入口直径1 400 mm，上锥段长2 000 mm，中间圆筒段直径2 800 mm、长度7 000 mm，下锥段长2 000 mm。

建立喷雾干燥塔几何模型，采用结构化网格对模型进行划分，得到单元数395 632 个，喷雾干燥塔网格模型见图1。

图1 喷雾干燥塔几何模型

1.2 控制方程

考虑高温烟气密度在脱硫废水雾化干燥过程中变化较小，对传热和传质过程的影响不大，在计算中忽略其影响，将高温烟气简化处理为不可压缩理想气体。

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

组分输运方程：

式中：ρg为密度，t 为时间，Vg为体积，fi为体积力，pij为表面力、cV为比热容、T 为温度，K 为传热系数，ϕ为内部热源，Ys为组分s 的质量分数、ui为组分s 的速度失量,xi为组分s 的空间坐标，ωs为组分s 的净质量生产率，Sh为组分s 的体积热源项。

1.2.1 液滴动量方程

脱硫废水雾化液滴的动量方程运用拉格朗日方法求解。考虑到在气体密度远小于液体密度时Magnuss 力、Saffman 升力、热泳力和布朗力均较小，进行简化处理，忽略其影响，仅考虑曳力和重力作用。

式中：FD为曳力，u 为气相速度，up为液滴速度，g为重力加速度，ρ 为气相密度，ρp为液滴密度。

1.2.2 液滴蒸发模型

雾化液滴传热过程的温度较低，不考虑辐射传热。液滴和烟气之间温差较大，按照两相接触后液滴温度迅速升高到达沸点处理。

式中：mp为液滴质量，cp为液滴比定压热容，Tp为液滴温度，h 为液滴蒸发过程对流传热系数，Ap为液滴表面积，T∞为进口烟气温度，hfg为脱硫废水汽化潜热。

液滴与烟气在干燥塔传热，当液滴温度Tp达到蒸发温度Tvap时液滴开始传质过程，直至液滴温度Tp达到沸点温度Tbp或者完全蒸发，此时液滴蒸发速率与液滴表面以及烟气的水蒸气浓度差有关：

式中：Ni为蒸汽摩尔通量，ke为传质系数，Ci，s为液滴表面的蒸汽浓度，Ci，g为来流烟气的蒸汽浓度，cp，∞为气体比定压热容，ρp为液滴密度，k∞为气体导热率，hlg为汽化潜热，dp为液滴直径，Rep为液滴相对烟气的雷诺数。

1.3 边界条件

仿真研究过程中使用的气液两相流场参数见表1。模拟过程分为2 个步骤，第一步进行连续相的计算，确定烟气在干燥塔内的流场分布。第二步加入离散相雾化液滴，设置雾化液滴参数进行双向耦合计算。

表1 气液两相流场参数

烟气在喷雾干燥塔内压力变化不大，据此采用基于压力的求解器，湍流模型选择标准k-ε 模型。开启组分输运模型以便模拟塔内液滴蒸发机理。采用SIMPLE 算法，先稳态粗算，再瞬态详算。

对于连续相，入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。考虑干燥塔壁面有保温层，热损失很小，采用绝热壁面条件。对于离散相，经多效蒸发后的脱硫废水溶液浓度高，含有的氯离子和钠离子量大，模拟时用质量分数15%的NaCl 溶液代替脱硫废水。

设置喷嘴类型为实心圆锥喷嘴，颗粒流的数量设置为30，类型选择Droplet，考虑颗粒的湍流，开启随机轨道模型，考虑重力的影响，在y 方向设置加速度-9.81 m/s2。出口设置为逃逸出口。

2 脱硫废水喷雾蒸发过程仿真及影响因素分析

2.1 喷嘴布置影响

2.1.1 颗粒轨迹

在脱硫废水总质量流量0.6 kg/s、烟气温度623 K、雾化液滴粒径100 μm 条件下，调整喷雾干燥塔内安装的喷嘴数量、喷射角度和位置，形成单喷嘴、三喷嘴和四喷嘴布置。单喷嘴布置是在塔顶部布置一个喷射角度为60°的喷嘴。三喷嘴布置是在塔体上部锥体中间，以半径为0.6 m 的圆互相夹角120°布置3 个喷射角度为30°的喷嘴。四喷嘴在三喷嘴的前提下在中间加1 个喷嘴，这样布置可以获得更加合理的塔体空间利用效果。分别模拟单喷嘴、三喷嘴和四喷嘴布置的雾化液滴颗粒轨迹，结果见图2。图2 对应的蒸发塔出口参数模拟计算结果见表2。

表2 不同喷嘴布置蒸发塔出口参数模拟计算结果

图2 不同喷嘴布置的液滴颗粒轨迹图

从表2 的蒸发效率来看，相比单喷嘴布置，三喷嘴布置的蒸发效率明显提高，四喷嘴的蒸发效率略有降低。从出口温度来看，三喷嘴布置和四喷嘴布置的都较单喷嘴布置的低。从蒸发距离来看，三喷嘴布置和四喷嘴布置的都较单喷嘴布置的短。

综合分析图2 和表2 可知，适当增加喷嘴数量减少了单个喷嘴的雾化量和喷嘴间的空间，有增大雾化液滴与热空气接触面积、缩短液滴蒸发距离、加快液滴与热空气之间的传热、使液滴蒸发更完全、烟气热量利用更充分的作用。2 种多喷嘴布置中，三喷嘴布置的蒸发效果更佳，适合用做喷雾干燥塔进一步对比试验的基础模型。

2.1.2 温度分布

在脱硫废水总质量流量0.6 kg/s、烟气温度623 K、雾化液滴粒径100 μm 条件下，分别模拟单喷嘴喷雾干燥塔和三喷嘴喷雾干燥塔圆筒段各截面温度，结果见图3。

图3 三喷嘴和单喷嘴喷雾干燥塔各截面温度云图

从图3a 可以看出，单喷嘴喷雾干燥塔圆筒段各截面温度均呈现中心低、两侧高分布，说明高温脱硫废水雾化液滴的主要蒸发区域在塔体中心轴线而且是由中心向两侧逐渐扩散的，这是因为单喷嘴虽然可以增大喷射角度，扩大雾化液滴分布范围，但此时颗粒受流场的影响更大，因此轨迹比较集中，因而对烟气热量的利用率相对较少。从图3b 可以看出，三喷嘴喷雾干燥塔圆筒段各截面温度分布与单喷嘴的相似，但范围比单喷嘴明显更为集中，这是因为三喷嘴的分开布置能够促进对轴向两侧烟气热量的利用。

2.2 烟气温度影响

在烟气进口速度7 m/s 条件下，针对平均粒径40 μm、60 μm、80 μm 和100 μm 脱硫废水雾化液滴群，分别模拟不同烟气温度下脱硫废水雾化干燥过程，得到烟气温度为523 K、573 K、623 K和673 K 时的液滴群蒸发质量和蒸发时间数据，绘制成烟气温度影响曲线，结果见图4。

图4 不同直径液滴群蒸发质量和蒸发时间随烟气温度变化曲线

从图4所示的变化曲线可以看出，提高烟气的温度可以显著提高直径100 μm 以下（40 μm、60 μm、80 μm）液滴群的蒸发质量。提高烟气温度可以缩短液滴群的蒸发时间，对直径40 μm、60 μm、80 μm 和100 μm 液滴均明显有效。这是因为烟气温度提高后，烟气和脱硫废水雾化液滴的温差变大，提供了更多的传热驱动力，强化了喷雾干燥塔内的气液两相传热过程，加速了液滴的蒸发过程。

2.3 烟气流速影响

2.3.1 蒸发特性

燃煤电厂机组实际运行过程中负荷存在波动，抽取烟气量也会随之产生一定范围内的变化，造成烟气流速波动。在烟气温度为623 K、液滴粒径为80 μm 条件下，分别模拟不同烟气流速时的脱硫废水雾化干燥过程，得到烟气流速3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s、10 m/s时液滴群蒸发时间和蒸发质量数据，绘制成烟气流速影响曲线，结果见图5。

图5 脱硫废水液滴群蒸发时间和蒸发质量随烟气流速变化曲线

从图5 可以看出，烟气流速在3～7 m/s 时，雾化液滴的蒸发时间缩短明显。当烟气流速升高到7～10 m/s 时，雾化液滴蒸发时间随流速增大而缩短的趋势逐渐变得平缓。相同温度下，雾化液滴完全蒸发所需的热量是基本不变的，增加烟气流速可以进一步缩短蒸发时间，雾化液滴蒸发质量变化规律也相同，但是烟气流速的提高需要从烟道中抽取更多的烟气，在一定程度上会影响到锅炉的效率。

2.3.2 颗粒速度

分别模拟烟气流速3 m/s、5 m/s、10 m/s 时喷雾干燥塔内脱硫废水雾化液滴的颗粒运动轨迹，结果见图6。

图6 不同烟气流速下脱硫废水雾化液滴颗粒轨迹

分析图6 的颗粒轨迹可知，随着烟气流速的增加，脱硫废水雾化液滴群的速度也在增大，由此可以推断液滴群的Re 在变大，传热过程Nu 数也增大。在垂直方向上，烟气与雾化液滴混合区的湍流动能增大，二者混合更剧烈，换热效果更好。从图6 还可看到，烟气流速的增加在一定程度上减少了液滴与液滴、液滴与壁面间的碰撞，更有利于雾化液滴的蒸发。

2.4 脱硫废水雾化液滴粒径影响

在烟气温度为573 K、烟气流速10 m/s 条件下，分别模拟不同直径液滴群的脱硫废水雾化干燥过程，得到直径30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm 和100 μm 雾化液滴的蒸发时间和蒸发质量分数数据，绘制成脱硫废水雾化液滴粒径影响曲线，结果见图7。

图7 脱硫废水液滴群蒸发时间和蒸发质量分数随液滴平均粒径变化曲线

从图7 可以看出，雾化液滴群平均粒径越小，对应的蒸发时间就越短，因为粒径越小，雾化液滴向外扩散就越少，单个液滴蒸发量小，蒸发距离越短，蒸发效果越好。雾化液滴平均蒸发时间与液滴群平均粒径成正比关系。比较同时刻下雾化液滴的含水率，小直径液滴的更少，因为小直径液滴的表面积小，蒸发量相应较小。

3 脱硫废水高温旁路干燥塔优化

从上述脱硫废水喷雾蒸发过程影响因素的分析结果可知，提高烟气温度和烟气流速都有利于脱硫废水喷雾液滴的蒸发，但是这种有利并不是单纯的温度越高越好或是速度越快越好，原因是烟气要从锅炉的烟道取用，烟气的温度和流速直接关系到锅炉效率，因此有必要更进一步对脱硫废水高温旁路干燥塔蒸发系统进行三因素分析和优化。

在脱硫废水流量固定不变的情况下，改变烟气温度和烟气速度，分别模拟烟气流速3 m/s、7 m/s、10 m/s 时脱硫废水的雾化干燥过程，得到液滴直径40～100 μm、烟气温度523～673 K 组合条件下的脱硫废水蒸发质量分数数据，绘制成响应面图，见图8。

图8 不同粒径液滴的烟气流速、烟气温度与蒸发质量分数关系响应面图

从图8 可以直观看到液滴蒸发质量分数与烟气温度、烟气流速、液滴直径的变化关系。液滴蒸发质量分数随着烟气温度的提升逐渐提高，液滴蒸发质量分数随着烟气流速的增大而提高，液滴直径越小蒸发越完全。如果在考虑液滴完全蒸发的基础上，还考虑尽量降低旁路烟气用量对锅炉效率的影响，最佳的烟气温度则要根据液滴直径和烟气流速综合确定。分析图8 可知，雾化粒径不超过80 μm 时，旁路干燥塔蒸发系统最佳工艺条件为烟气速度7～10 m/s 和烟气温度600～623 K。

4 结论

以脱硫废水零排放系统中喷雾干燥塔为物理模型，采用DPM 离散相模型模拟高浓度脱硫废水在喷雾干燥塔内的蒸发过程，设定工况下气相和液相的流场、温度场及液滴轨迹，分析了喷嘴数量、烟气温度、烟气流速和液滴粒径对蒸发的影响，得到以下研究结论。

（1）三喷嘴比单喷嘴和四喷嘴处理等量废水蒸发距离更短，蒸发效率更高，废水液滴分布范围更大，对于烟气热量的利用率高。

（2）烟气温度对于高浓度雾化液滴的蒸发有较大的影响，提高烟气温度可以减少液滴蒸发的时间。

（3）烟气流速增大，液滴完全蒸发时间缩短。对于盐分质量分数为15%的脱硫废水液滴，在进口速度为3～7 m/s 时液滴蒸发时间缩短较为明显，在7～10 m/s 时间缩短较为平缓。总的来说，液滴完全蒸发时间随速度增加逐渐减小，但在流速较高时，对于废水液滴完全蒸发时间影响逐渐减小。

（4）同等条件下小直径液滴蒸发时间更短。废水雾化液滴直径增大，蒸发时间增加，容易在蒸发塔内壁上导致壁面腐蚀。

（5）脱硫废水高温旁路干燥塔蒸发系统在雾化粒径不超过80μm、烟气流速7～10 m/s、烟气温度600～623 K 时运行效果最佳。