摘要：脱硫废水旋转喷雾干燥技术是一种利用热烟气蒸发脱硫废水的零排放技术。开展了不同悬浮物（SS）含量的脱硫废水原水以及经浓缩的高盐废水的蒸发实验，采用可视化手段观察了脱硫废水在干燥塔内的蒸发特性，考察了脱硫废水喷雾蒸发过程中停留时间、进口烟气温度、气液比对蒸发特性的影响。结果表明，旋转喷雾蒸发工艺对高盐、高SS含量等复杂脱硫废水组分具有较佳的适应性；脱硫废水从旋转雾化器喷出后，迅速蒸发，主蒸发区在雾化盘下方0.75~1.00m区域内；随后是蒸发析出的未干盐分及未完全蒸发的废水液滴进一步蒸干至含水率低于2%；烟气在喷雾干燥塔内的停留时间需要维持在20s以上才能保证塔出口灰分含水率低于2%；进口烟气温度越高，其塔底及塔出口的灰分含水率越低，在气液比为12000m³/m³（标准状态）的废水工况下，入口烟温为280℃时已经难以保证废水液滴良好蒸发；在入口烟气温度为340℃、气液比在大于10000m³/m³（标准状态）时，塔底灰分含水率小于2%，蒸发效果良好。
关键词：脱硫废水；蒸发特性；停留时间；悬浮物浓度；可视化实验
0 引言
目前，燃煤电厂普遍采用石灰石˗石膏湿法脱硫工艺，该工艺具有脱硫效率高及运行成本低等特点，但运行过程中会排放一定量的脱硫废水，排放量约为15～20kg/(MW•h)。脱硫废水一般具有悬浮物含量高、水质为弱酸性、含盐量高等特点，因此不能直接排放。近年来，随着“水十条”的发布，工业水的排放标准更加严格，脱硫废水作为工业水的一种，其排放控制引起了广泛关注。
旋转喷雾干燥技术是利用旋转雾化器将液滴雾化成粒径为10～60μm的细小液滴喷入干燥塔，从空预器前引出高温烟气作为热源将液滴在干燥塔内快速蒸干，可有效解决主、旁路烟道蒸发技术积灰和喷嘴堵塞的问题，相较于主烟道蒸发技术和旁路烟道蒸发技术有一定的技术优势，具有良好的应用前景。
本文开展了不同悬浮物及含盐量的脱硫废水蒸发实验，并采用可视化手段观察了脱硫废水在干燥塔内的蒸发特性，在此基础上考察了脱硫废水喷雾蒸发所需要的停留时间，从而为脱硫废水旋转喷雾蒸发工艺的工程应用提供实验基础。
2 实验装置及分析测试
2.1 实验装置
脱硫废水旋转喷雾干燥系统如图1所示，由脱硫废水供液系统、模拟烟气系统、旋转喷雾干燥系统和尾气处理系统组成。干燥塔的顶部布置有LPG-50型旋转雾化器以及蜗壳式烟气分布器，在干燥塔沿程布置热电偶以及观察孔和采样孔。干燥塔塔高6.5m、塔径1.6m，额定处理烟气量600m3/h（标准状态，下同），额定废水处理量50L/h。废水干燥的工艺流程为：脱硫废水经脱硫废水供液系统进入到干燥塔顶部的旋转雾化器雾化为细小液滴，在干燥塔内与经过电加热器加热的中高温模拟烟气接触进行传质传热，干燥后的颗粒部分被干燥塔自身分离进入塔底，部分随烟气进入尾气处理系统处理后排放。图2为干燥塔测点的布置图，沿程共布置6个测点，每个测点之间的距离为60cm，之外有塔进口烟道测点，塔出口烟道测点和塔底测点。
2.2 分析测试方法
实验过程中需要测试沿程烟气温度、湿度、沿程灰分含水率以及塔底与塔出口灰分含水率。沿程温度采用热电偶（WRP-130）在线检测；沿程湿度采用烟气水分仪（HMS545P）测试；沿程灰分含水率采用自制采样枪采样，将采集的样品收集到塑封袋进行保存。塔出口烟气中固体颗粒依据GB/T16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》、采用WJ-60B型皮托管平行全自动烟尘采样器，在等速采样条件下由加装于采样枪中的玻璃纤维滤筒采集；塔底固相颗粒在一组实验结束后打开塔底灰斗阀门用塑封袋收集并保存。采集到的灰样取部分称重后放置烘箱在120℃的环境下烘干30~60min，之后再次称重。可视化实验通过在脱硫废水中加入荧光剂，在紫外灯的照射下经具有耐高温玻璃板的观察孔进行观察。
3 结果与分析
3.1 脱硫废水原水旋转喷雾蒸发特性
实验选取中盐废水（Cl-质量浓度为13489mg/L），在喷雾干燥塔进口烟气温度为350℃、脱硫废水处理量为50L/h、进口烟气流量为600m3/h（标准状态，下同）的工况下进行脱硫废水的旋转喷雾蒸发实验。实验进行2次，一次烟气含粉尘（粉尘质量浓度约为10g/m3），一次是不含粉尘。实验记录每个工况下沿程烟气温度、湿度以及对沿程灰分的含水率和塔底灰分进行采样并测试，实验结果如图3、图4和图5所示。
由图3、图4以及图5可以看出，沿程温度、湿度和沿程灰分的含水率在测点1和测点2之间的变化最为剧烈，随后沿程温度、湿度及沿程灰分的含水率变化趋势逐渐平缓，这表明脱硫废水经雾化盘雾化喷出之后在测点1与测点2之间区域迅速蒸干，属于主蒸发区域（距离雾化盘约1.0m）。此外，从图3、图4以及图5还可以看出，燃煤粉尘对塔内烟气温度和湿度分布影响不大，但含燃煤粉尘时，塔中下部固体颗粒的蒸干速率略有降低，这是由于在含粉煤灰的工况下，部分粉煤灰颗粒会与脱硫废水液滴接触并附着在液滴表面，在液滴蒸发过程中，这部分粉尘会逐渐形成一层硬壳限制液滴的继续蒸发，在主蒸发区内，由于硬壳尚未完全成型，对液滴蒸发的限制不大，对沿程颗粒含水率的影响并不明显，当液滴随着烟气离开主蒸发区至塔体中下部时，硬壳基本完全成型，限制了液滴的蒸发，这时添加粉煤灰的工况其塔体中下部的灰分含水率会比未添加粉煤灰的工况高。另外由图5可知，至塔中部区域（测点3），颗粒的含水率基本在10%~15%，之后逐步蒸干，至塔底时灰分含水率均在2%以下。
3.2 含悬浮物的脱硫废水的蒸发特性
实验选取中盐脱硫废水，采用不含悬浮物的原始脱硫废水，以及在其中加入粉煤灰和石膏颗粒配制成悬浮性固体（suspendedsolid,SS）含量分别为3%、6%和10%的脱硫废水，在塔入口烟温约为345℃，烟气流量为600m3/h，烟气不含燃煤粉尘，脱硫废水液量为50L/h的工况下开展蒸发实验并测试沿程烟气温度、湿度、干燥塔沿程、出口和塔底粉尘含水率，实验结果如图6、图7和图8所示。
由图6、图7及图8可知，在蒸干不同悬浮物含量的脱硫废水时，干燥塔沿程烟气温度和湿度变化不大，但随着悬浮物含量的增加，塔体中下部灰分的含水率有所增加，这是由于在主蒸发区大部分水分被直接蒸发，而离开主蒸发区后，由于水分的减少，脱硫废水雾化液滴粒径会减少，脱硫废水中含有的悬浮物颗粒之间的距离会减小至接触形成一层硬壳，这层硬壳的存在会严重限制剩余水分的蒸发，而脱硫废水中悬浮物含量越高，硬壳的厚度越大，对液滴继续蒸发的限制效果越强。因此，在塔体中下部时，随着悬浮物含量的增加，灰分含水率会增大。对比图5可以发现，脱硫废水中悬浮性固体对脱硫废水蒸发的影响高于燃煤粉尘，这是因为进入干燥塔的燃煤粉尘属于高温干燥颗粒，而脱硫废水中的悬浮性固体属于高湿低温颗粒，同时，脱硫废水中悬浮物对废水蒸发后期存在较大影响。但在该工况下，塔底的含水率均小于2%，蒸干效果尚可。
3.3 经浓缩的高盐脱硫废水的蒸发特性
为降低热烟气抽取量，部分电厂对脱硫废水经浓缩减量获得高盐废水后再采用热烟气蒸发处理，为考察旋转喷雾干燥技术对高盐废水的适应性，实验选取经低温多效闪蒸浓缩的高盐脱硫废水，在塔入口烟温为350℃、烟气流量为600m3/h、脱硫废水量为50L/h下开展蒸干实验并测试沿程烟气温度、湿度、干燥塔沿程及其塔底粉尘含水率，实验结果见图9、图10及图11。
由图9、图10及图11可知，经浓缩的高盐废水蒸发的过程中沿程烟气温度和湿度普遍略低于脱硫原水蒸发的过程，在主蒸干区经浓缩的高盐脱硫废水蒸干产物含水率低于脱硫废水原水，但在塔体中下部时，高盐脱硫废水蒸干产物含水率略高于脱硫废水原水，这是由于在蒸干过程中相界面表面水蒸气处于饱和状态，脱硫废水是含盐溶液，含盐量越高相界面的表面蒸汽压越低；另外还由于传质动力为浓度差，高盐废水的浓度大导致浓度差小，传质动力低于脱硫废水原水。因此，高盐脱硫废水蒸发难度加大，这也解释了高盐废水蒸发过程中沿程烟气温度和湿度普遍略低于脱硫原水蒸发过程。此外，高盐废水中含盐量过高，其本身含水率低于脱硫废水原水，因此在主蒸发区内，高盐脱硫废水蒸干产物含水率低于脱硫废水原水，但当未完全蒸干的脱硫废水液滴随烟气离开主蒸发区到塔体中下部时，高盐废水的传质效率低于脱硫废水原水的传质效率，另外由于高盐废水析出的硬壳会严重限制剩余水分的蒸发，脱硫废水中含盐量越高，硬壳形成越早越多，会对水分的蒸发起到一定的限制作用，导致高盐废水蒸干产物的含水率高于脱硫废水原水的含水率。
3.4 脱硫废水蒸发可视化实验
为了观察脱硫废水在干燥塔内的蒸发特性，本文开展了可视化实验；可视化实验在典型工况下进行，即塔入口烟温为350℃，烟气流量为600m3/h，脱硫废水流量为50L/h，部分观察结果如图12所示。
从图12可以看出（图12b)有明显积灰结垢的地方为温度感应器探头），雾滴粒径细小、质量轻，喷射后雾滴近似于失重状态，几乎呈现漂浮和弥漫状态；同时，雾滴和烟气流碰撞后，近乎失重状态的雾滴随风而动，运动方向发生改变，以一种紊流状态出现，被烟气包裹后随之有一个旋转的运动方向。另外，脱硫废水从旋转雾化器喷出后，迅速蒸发，主蒸发区位于雾化盘下方高约0.75m的区间内，脱硫废水雾滴在该区域的停留时间约2.0~3.0s，在设于雾化盘下方2.0m处的观察口已看不到荧光液滴。此外，从上述脱硫废水原水、含悬浮物的脱硫废水以及经浓缩的高盐脱硫废水的蒸发特性实验结果也可看出，从塔入口烟温测点至位于主蒸发区测点的烟温下降最为显著，水汽含量增加也最为明显（约占总增加值的70%~80%）；后续测点的烟温仅降低约10℃、烟气含湿量仅增加约2%，均不显著。
3.5 烟气在喷雾干燥塔内的停留时间影响实验
脱硫废水旋转喷雾蒸发是热烟气和脱硫废水液滴的传质传热的过程，要使最终的固相干燥产物的含水率小于2%，一方面要提供足够的热量，另一方面需要足够的时间。通常，在蒸发的第一阶段开始的蒸发速率很髙，绝大部分水分在很短时间内就蒸发完成；但在第二蒸发阶段，蒸发速率很快降低，要使颗粒达到很低的水分含量需要较长的时间；另外，还要求若干秒的额外时间使最终的水分含量降低到容许的标准。目前，由于蒸发过程涉及复杂的气液固三相传热、传质过程，很难通过理论计算获得精确的蒸发时间，主要依据中试实验和工程装置运行经验确定。因此，本文开展了相同气液比（气液比为12000m3/m3废水）下，通过改变进口烟气流量改变停留时间的实验考察停留时间对废水液滴蒸发的影响。实验保持入口烟温为350℃、气液比为12000m3/m3废水不变，含灰量约为10g/m3，选取以下3种工况：（1）烟气量为600m3/h、脱硫废水流量为50L/h；（2）烟气量为720m3/h、脱硫废水流量为60L/h；（3）烟气量为900m3/h、脱硫废水流量为75L/h。上述3种工况对应的停留时间分别为27s、21s和18s实验，分别测试塔出口灰分含水率和塔底灰分含水率，实验结果见图13。
从图13可以看出，随着停留时间的增加，塔出口及塔底灰分的含水率不断降低，当停留时间从18s增至21s时，塔出口及塔底灰分含水率分别从2.78%降至1.89%、2.51%降至0.92%；当停留时间从21s增至27s时，塔出口及塔底灰分含水率分别从1.89%降至1.38%、0.92%降至0.89%；当停留时间大于21s时，塔出口及塔底粉尘含水率均在2.0%以下。这表明在脱硫废水液滴蒸干之前（固相蒸干产物含水率大于2%），停留时间对液滴蒸发的影响较大，在脱硫废水液滴基本蒸干的情况下（固相蒸干产物含水率小于2%），停留时间对液滴蒸发的影响较小。这是因为在脱硫废水蒸发的过程中，大部分水分的蒸发是比较容易的，随着蒸发过程的进行，一方面脱硫废水液滴蒸发析出无机盐晶体，无机盐晶体的存在降低了液体的蒸汽压并减小了传质的蒸汽压推动力；另一方面随着蒸发过程的进行，蒸发析出的盐分会在脱硫废水液滴表面形成一层硬壳阻碍废水的蒸发。
3.6 进口烟气温度的影响实验
实际工程中，干燥塔的热烟气为抽取空预器前后的中高温烟气。为了考察进口烟气温度的影响，实验保持烟气量为600m3/h、脱硫废水流量为50L/h，含灰量为10g/m3，通过调节空气加热器的功率，对进口的模拟烟气的温度进行调节，分别为280℃、300℃、320℃、340℃和360℃。实验过程采集塔底及塔出口粉尘，对其含水率进行测试，实验结果如图14所示。
从图14可以看出塔底及塔出口灰分的含水率均随着入口烟气温度的升高而减小，在入口烟气温度从280℃上升至360℃的过程中，塔出口及塔底灰分含水率分别从4.21%降至0.89%、3.12%降至0.4%。主要原因是雾化液滴与烟气之间的温差越大，扩散泳力和热泳力作用越强，传质传热作用越强，蒸发效果越好。以蒸发产物含水率低于2%作为干燥良好的考察指标，在气液比为12000m3/m3废水下，入口烟温280℃时已经难以保证废水液滴良好蒸发。工程应用中，空预器入口烟温会随锅炉负荷发生变化，当锅炉负荷降低导致烟温下降时，合上述入口烟气温度对蒸发特性的影响，需要对热烟气抽取量及脱硫废水处理量进行同步调节，提高热烟气量或降低废水处理量，以保证脱硫废水在塔内的干燥蒸发效果。
3.7 气液比的影响实验
实际工程中由于锅炉负荷过低会导致干燥塔入口烟气温度过低，为了保证蒸干效果，此时应通过其他方式进行调节，比如气液比的调节，因此，本实验考察了气液比对干燥特性的影响。实验过程中保持入口烟温为340℃、烟气量为600m3/h、含灰量约为10g/m3，脱硫废水流量分别设置为40、50、60、70、80L/h，对应气液比分别为15000、12000、10000、8500、7500m3/m3废水。实验过程采集塔底及塔出口粉尘，对其含水率进行测试，实验结果如图15所示。
从图14可以看出，在入口烟气温度为340℃、气液比大于10000m3/m3时，塔底灰分含水率小于2%，蒸发效果良好。气液比降低，塔底及塔出口灰分含水率升高，主要原因是在热烟气量相同时，气液比越低相当于脱硫废水流量越高，废水蒸发所需要的热量越多，如热烟气量不足以提供废水蒸发所需要的热量就会导致废水无法蒸干。
4 结论
（1）脱硫废水中悬浮物含量较高时，塔内烟气温度和湿度分布变化不大，但塔中下部的灰分含水率有所增大；由于高盐废水蒸发过程中硬壳的形成量高于中低盐废水，降速蒸发阶段的蒸发速率要慢于中低盐废水，但仍可保证脱硫废水的有效蒸干，说明旋转喷雾蒸发工艺对高盐、高悬浮物含量等复杂脱硫废水组分具有较佳的适应性。
（2）脱硫废水从旋转雾化器喷出后迅速蒸发，主蒸发区位于雾化盘下方高约为0.75~1.00m的区间内，脱硫废水雾滴在该区域的停留时间约为2.0~3.0s，至塔中部区域，灰分含水率基本为10%~15%；随后是蒸发析出的湿盐分以及湿盐分或未蒸发的废水液滴与粉尘碰撞接触形成的潮湿颗粒进一步蒸干至含水率低于2%的过程；烟气在喷雾干燥塔内的停留时间需要维持在20s以上才能保证塔出口灰分含水率低于2%。
（3）入口烟气温度、气液比对灰分含水率有着明显的影响，提升入口烟气温度和气液比均可降低颗粒含水率。
