火电厂湿法烟气脱硫废水喷雾蒸发处理方法关键问题研究

摘要

火电厂对湿法烟气脱硫后的废水常采用中和、沉淀、絮凝及浓缩与澄清的传统化学处理方法,但水中的氯离子仍无法去除。因为氯离子浓度过高会产生腐蚀作用,所以处理后的废水无法进入系统回用。如果利用锅炉尾部烟气余热对脱硫废水进行喷雾蒸发处理,废水中的微米级细小固体颗粒和灰尘一起悬浮在烟气中并随烟气进入电除尘器被电极捕捉,随灰一起外排,废水蒸汽随烟气外排,这样不仅能够实现脱硫废水真正的零排放,符合环保的现实要求,而且可以节约传统化学处理方法中的处理成本,具有重要的工程实用价值。
　　 同时,在脱硫废水喷雾蒸发处理技术中,单位时间内产生的脱硫废水要尽可能地在单位蒸发时间内完全蒸发。而且,脱硫废水的蒸发有其特殊要求,微小雾滴喷入到烟气流后,需在尽量短的时间内完全蒸发汽化,否则未完全汽化的雾滴会对烟道和电除尘器产生腐蚀。应用喷雾蒸发技术后,烟气性质和烟气中粉尘特性都将发生一定程度地改变,烟气除尘的除尘效率又对烟气特性和烟气中粉尘特性非常敏感。因此,喷雾蒸发处理技术中液滴群蒸发质量、制约液滴蒸发时间的液滴气动破碎特性、液滴蒸发特性,以及喷雾蒸发处理技术对烟气除尘的影响等都将成为喷雾蒸发处理技术需要研究的关键问题。目前,国内外很多领域都已开始涉及喷雾蒸发技术,如动力排气系统的喷雾降温、激光手术中的冷却、喷涂工艺等,然而对脱硫废水尾部烟道喷雾蒸发处理技术中涉及的关键问题还很少进行系统的研究。因此,对喷雾蒸发技术中液滴群蒸发质量影响因素、液滴气动破碎,以及液滴蒸发特性等进行系统的研究将充实和推动喷雾蒸发技术的学术研究,也将促进湿法烟气脱硫废水喷雾蒸发处理技术的创新及应用。
　　 于此,文中在全面分析国产锅炉容量、烟气脱硫废水产生量,以及烟道特征尺寸等基础上,提出了针对国产机组特性的火电厂湿法烟气脱硫废水喷雾蒸发处理方法和方案,分析了喷雾蒸发处理技术原理和其中的基础理论。在此基础上,首次对喷雾蒸发技术中液滴群蒸发质量及其关键影响因素、喷雾蒸发技术中液滴气动破碎特性、喷雾蒸发技术中液滴蒸发特性,以及喷雾蒸发技术对烟气除尘的影响等四个关键问题进行了详细地分析研究。最后,制定出了针对国产机组特性的火电厂脱硫废水喷雾蒸发处理技术的具体实施方案,并在上述关键问题研究结果的基础上,确定了300MW锅炉机组的脱硫废水喷雾蒸发技术具体实施参数。
　　 ①脱硫废水的喷雾蒸发处理技术原理及其研究模型。文中通过对喷雾蒸发技术原理,以及喷雾蒸发技术中关键问题的基础理论如液滴气动破碎机理、液滴蒸发机理的分析,发现在对脱硫废水喷雾蒸发技术进行数值研究时,必须考虑液滴变形对液滴蒸发速率的影响,采用泰勒破碎模型能较真实地反映液滴在烟气中受到烟气曳力时的变形破碎过程。此外,对喷雾蒸发技术进行数值研究时,不需要考虑液滴内循环对液滴蒸发速率的影响。
　　 ②综合考虑锅炉效率和液滴群蒸发质量,当烟气温度453K、液滴群平均粒径50μm时,单位时间内液滴群蒸发质量最大。针对喷雾蒸发处理技术中液滴群蒸发质量,采用欧拉/拉格朗日离散颗粒模型,首次考察了喷嘴布置方式和喷射方向,以及雾化气液比等关键影响因素对液滴群蒸发质量的影响,数值研究了烟气温度和速度对液滴群蒸发质量的影响。研究发现文中的喷嘴布置方式和喷射方向、烟气速度对单位时间内液滴群蒸发质量的影响较小,烟气温度、雾化气液比对单位时间内液滴群蒸发质量的影响很大,较高的烟气温度和较大的液滴群平均粒径都有利于脱硫废水喷雾蒸发技术的实现。
　　 ③粒径0.3mm～0.4mm液滴的气动破碎有助于缩短液滴的完全蒸发时间。针对喷雾蒸发处理技术中液滴气动破碎机理和气动破碎特性,采用欧拉/欧拉流体体积模型,数值研究了单液滴气动破碎机理和多液滴碰撞破碎机理,烟气速度和密度、液滴粒径和初速度等对液滴气动破碎特性的影响,以及多液滴碰撞对液滴破碎时间的影响。研究发现对于文中喷雾蒸发处理技术中研究的烟气环境和液滴,存在液滴发生袋式破碎和不发生破碎两种形式,粒径O.3mm～0.4mm液滴的气动破碎有助于缩短液滴的完全蒸发时间。此外,液滴之间的碰撞也能适当地缩短液滴的完全蒸发时间。
　　 ④液滴物性呈中性、粒径不大于50μm时液滴在1s内能够完全蒸发。针对喷雾蒸发处理技术中液滴蒸发特性,建立了液滴在烟气中随液滴物性变化的运动和蒸发的数学模型,首次考察了液滴物性对液滴蒸发特性的影响,数值研究了液滴粒径和初速度,以及烟气温度和速度等对液滴温度、粒径等随蒸发时间变化规律的影响。研究发现当烟气环境、液滴粒径和初速度分别相同时,与碱性液滴相比,中性液滴的完全蒸发时间最短,酸性液滴次之。烟气温度对液滴蒸发特性的影响较大,适当地提高烟气温度有利于喷雾蒸发技术的实现。烟气速度和液滴初速度对喷雾蒸发技术的影响很小。
　　 ⑤喷雾蒸发处理技术有利于提高烟气除尘效率。应用喷雾蒸发技术后,烟气湿度的适量增加和烟气温度的适量降低降低了烟气中灰的比电阻,可提高除尘器效率。此外,应用喷雾蒸发技术后,烟气中粉尘粒径增大,在不考虑被捕集粉尘再飞扬的情况下,粉尘粒径的增大也提高了除尘效率。因此,喷雾蒸发处理技术一定程度上提高了烟气除尘效率。
　　 ⑥脱硫废水的喷雾蒸发处理技术具体实施方案及实例
　　 在上述喷雾蒸发处理技术关键问题研究结果的基础上,根据锅炉容量、脱硫废水排放量和烟道特征尺寸之间的对应关系,计算得到了与脱硫废水排放量对应的喷雾蒸发技术中喷嘴具体布置方式和数量,对单台300MW机组脱硫废水的喷雾蒸发技术中共布置两排喷嘴,喷嘴数量共168个,喷嘴纵向间距为0.3m,横向间距不小于5m。
　　 本文的研究工作,较系统地阐明了火电厂湿法烟气脱硫废水喷雾蒸发处理方法和方案,以及液滴群蒸发质量特性、液滴气动破碎和液滴蒸发特性,有助于推进喷雾蒸发处理技术的深入研究,丰富了喷雾蒸发处理技术的研究成果,也为相关技术(如动力排气系统的喷雾降温、激光手术中冷却和喷涂工艺等)的开发与应用提供了重要的理论依据,在节能和环保领域具有独特的工程应用前景。