脱硫废水处理技术
2015年4月16日，国务院发布《水污染行动计划》（水十条），国家将加强各类水污染治理。脱硫废水因成分复杂、重金属含量高等特点，受到业界关注。在此背景下，部分地区要求电厂关闭废水排放日，实现脱硫废水零排放。
目前，我国脱硫废水零排放技术主要有三种，即蒸发池、蒸发结晶和烟道蒸发。蒸发池是通过自然蒸发减少废水体积的方法，在美国，有10多个电厂采用此技术处理脱硫废水。蒸发池的处理效率取决于废水量而不是污染物浓度，因此，此方法适用于处理高浓度、低总盐量的废水。另外，蒸发池处理废水的成本较低，适合在地价较低的半干旱或干旱地区使用。但此技术需进行防渗处理，处理废水量大时，所需土地面积增加，处理成本增加。为了提高蒸发池的蒸发速率，减少蒸发池的占地面积，可以考虑采用机械雾化蒸发。机械雾化蒸发技术是利用高速旋转的风扇叶片或高压喷嘴将废水雾化成细小的液滴，通过液滴与空气的强烈对流蒸发。20世纪90年代，该技术已应用于矿山高盐水处理、电厂高盐水处理。但该技术存在液滴风损问题，造成周围环境盐污染。
蒸发结晶技术主要包括三个步骤，即预处理+膜/热浓缩+结晶：预处理主要是去除脱硫废水中的硬度离子；浓缩主要是将脱硫废水还原，产生可用水和浓水；浓水经过结晶器形成盐后回收或填埋。蒸发结晶技术是一种成熟的技术，在国内外已有部分应用，但经济上存在投资和运行费用高等问题，限制了该技术的广泛应用。
烟气蒸发技术是利用气液两相流喷嘴将脱硫废水雾化后喷入空气预热器与除尘器之间的烟道内，利用烟气余热使废水完全蒸发，使废水中的污染物转化为晶体或盐类，与飞灰一起被除尘器捕集。关于脱硫废水烟气蒸发的特性，张子静等研究发现脱硫废水蒸发呈现前期快速蒸发、后期缓慢蒸发的特点；康美强等研究了烟道结构、烟气温度、喷水粒度等参数对蒸发特性的影响；张志荣等研究了不同烟气速度对蒸发特性的影响；冉景皇等研究了不同烟气速度对蒸发特性的影响。研究了酸、碱液滴等不同物理性质液滴的蒸发特性。此外，对于烟道蒸发技术的可行性研究，DENC等和JIANC等研究表明，脱硫废水烟道蒸发不会对除尘器产生负面影响；刘勇等研究表明，脱硫废水烟道蒸发对除尘器出口PM2.5浓度影响不大。此外，脱硫废水烟道蒸发降低了烟道温度，减少了脱硫系统的水耗。但烟道蒸发技术存在两方面的限制：处理的废水量少且受锅炉负荷影响较大；不适用于除尘器前安装烟气冷却器的电厂。
本研究涉及一种可用于处理脱硫废水的蒸发塔技术，蒸发塔工艺系统如图1所示。脱硫废水由液泵输送至蒸发塔顶部的雾化器，雾化成液滴；干燥过程所需的气体从空气预热器前方抽出，经过气体分布器后以一定的角度进入蒸发塔顶部，气量可根据需要调节；雾化器雾化的液滴与从气体分布器出来的热烟气在喷淋蒸发塔内相互接触、混合，进行传热、传质，即进行干燥；干燥后的产物随烟气一起进入电除尘器，与粉尘一起被捕集。
该技术具有以下优点：1）可实现脱硫废水零排放，缓解电厂废水处理压力；2）不受锅炉负荷影响，脱硫废水处理能力取决于塔设计、引入烟气量及烟气温度；3）易于改造现有设备，改造费用低；4）操作简单，运行费用低，相对独立于电厂现有系统，便于检查维护。但该技术还存在一些问题需要探讨：1）系统的蒸发特性，与塔的设计有关；2）脱硫废水处理能力与抽出烟气量的关系，关系到系统的经济性；3）系统对后续设备及粉煤灰综合利用的影响，关系到该技术的应用前景。
本研究搭建小型蒸发塔，主要探究脱硫废水的蒸发特性及脱硫废水处理量与抽取烟气量的关系，并进行理论推导。蒸发塔技术下脱硫废水蒸发特性的研究，有利于验证该技术的可靠性及塔径、高度的设计；脱硫废水处理量与抽取烟气量的推导，有利于探究该技术的经济可行性，这两者都为蒸发塔技术的工业化应用奠定了重要的基础。
1 实验系统与设备
实验系统如图2所示，脱硫废水经液泵输送至蒸发塔顶部旋风雾化器雾化成液滴，空气经加热管加热到一定温度，经气体分布器以一定角度进入蒸发塔，二者在喷雾干燥室内相互接触、混合，进行传热、传质的干燥过程，干燥形成的颗粒经旋风分离器捕集，尾气排出。
实验所采用的蒸发塔设计参数参考传统干燥行业5kg/h物料干燥的标准塔型，塔直径1.1m，直筒高0.8m，灰斗倾角60°；所采用的进料泵为瑞福蠕动泵；在蒸发塔黑点位置设置温度探头（天津吉星），距离塔顶垂直距离为13、33、53、76cm，距离塔壁径向距离为50、33、19、3.5cm；塔体外侧采用岩棉保温（出日保温效果不佳，故以塔体底部第二温度计作为出日烟温）；塔顶设置雾化器及气体分布器，其中雾化器为直径50mm旋风雾化器，内置16个直径3.3mm圆通道，最大处理能力5kg/h；电加热器功率为18kW，引风机为1.5kW高压风机。
气体分布器与雾化器布置如图3所示，热空气通过多根进气管道及调节阀的控制，均匀地进入进气通道，经导流板的调节旋转一定的角度，与旋流雾化器出来的液滴充分接触、强烈反应，进行质传热。
雾化器出雾时刻的测量是将雾化器放置于距地面20cm处，在地面铺一层吸水纸，以雾化器正下方的点为圆心在吸水纸上画一个大圆，随机选取三个呈120°等角的半径作为测点(位置1-3)进行测量。
2 实验结果与讨论
2.1 蒸发特性
塔体的温度变化可以表现出不同区域脱硫废水的蒸发特性，温度下降得越厉害，说明该区域的蒸发反应越剧烈。
实验所需脱硫废水固含量为3.92%，密度为1019 kg/m-3。如图4、图5所示分别为当气体分布器导流板角度为30°和20°，入口温度为300℃，气体流量为160 kg/h时，脱硫废水不同进液量蒸发塔内温度场的变化趋势。对比图4(a)和图5(a)可知，当导流板角度为30°时，塔体高温区域集中在距塔顶53 cm处的水平区域内；当导流板角度为30°时，塔体高温区域集中在距塔顶76 cm处的水平区域内，说明随着导流板角度的减小，高温区域呈现下降趋势；对比图4(c)与图5(b)可以看出，随着导流板倾角的减小，主反应区也呈现下降趋势。
将图4中(b)至(d)与(a)对比可见，雾化器下端(距塔顶13 cm处)温降较大，且由塔中心向塔壁温度逐渐降低；随着喷入量的增加，靠近塔壁及塔体下部部位温降开始明显，说明随着脱硫废水喷入量的增加，主反应区同时向塔体下部及塔壁方向移动。蒸发塔的蒸发量与塔径密切相关，当塔径较小时，脱硫废水液滴会粘附在壁上，造成塔壁结构破坏及腐蚀，因此需要进行适当的调整，使液滴在粘附壁之前蒸发掉。
将雾化器取出放置于距地面20 cm处，地面铺一层吸水纸，以120°间隔等角度进行三次测量，在无风条件下，雾化器雾化半径与供液量的关系如图6所示。从图6可以看出，当雾化器转速为18 000 r/min时，随着供液量的增加，雾化时刻增大。
三个位置的变化量代表了雾化瞬间的均匀性，均匀性随供液量的变化如图7所示，可以看出随着供液量的增加，雾化器的均匀性变差。
此外，雾矩大小还与雾化器转速有关，如图8所示，当供液量为1.5kg/h时，雾矩随转速的增加有减小的趋势。从图中还可以看出，三个位置的雾矩相差较大，这是由于雾矩的不均匀性造成的。但在实际操作过程中，为了避免未蒸发的液滴粘附在壁面上，往往以最大雾矩作为设计和操作的依据。
当进风量为160kg/h时，不同导流板角度下的临界粘壁液量如图9所示。在塔径一定的情况下，通过调整进风量及导流板，蒸发塔的处理能力大大提高，由无风时的2.88kg/h提高到进风量160kg/h，导流板角度20°时的4.38kg/h，处理能力提高了50%。
2.2 热平衡
如图10所示为蒸发塔系统的能量系统图。以蒸发塔为研究对象，进入塔的能量包括空气带入的能量、物料带入的能量和加热器加入的能量，离开塔的能量包括蒸发产物带出的热量、废气带走的热量和塔体损失的能量。根据物质和能量守恒定律，可以计算出具体的脱硫废水处理条件下所需的空气量和塔出口温度。图10中：L为绝对干空气流量(kg/h)；I0为入口空气焓(kJ/(kg干空气))；x0为入口空气含水量(kg水·(kg绝对干空气)-1)；I1为入口空气焓(kJ/(kg干空气))；x1为入口空气含水量(kg水·kg-1)；I2为出口空气焓(kJ/(kg干空气))； x0为出口空气含水量（kg水·（kg绝对干空气）-1）；G1为脱硫废水流量（kg/h）；Tm1为脱硫废水温度（℃）；w1为脱硫废水含水量；G2为脱硫废水蒸发产物的质量流量（kg/h）；Tm2为蒸发产物温度（℃）；w2为蒸发产物含水量。
参照干燥理论，脱硫废水蒸发过程中物质守恒为：
脱硫废水蒸发过程中节约的能源为：
式中：I为空气浓度（kJ·(kg干空气)-1）；x为空气含水量（kg水·(kg干空气)-1）；T为空气温度（℃）；Q为蒸发塔热损失。
对于实际发电厂烟气，焓为：
式中：为发电厂实际烟气焓（kJ·(kg干空气)-1）；c为粉尘焓（kJ·(kg粉尘)-1）；k为烟气中粉尘含量（kg粉尘·(kg干空气)-1）。
试验时主要采用热风干燥，粉尘热值为0。
脱硫废水焓：
产品的蒸发焓：
式中：Cm为蒸发产物的比热容（kJ·(kg·℃) -1）；Cw为水的比热容（4.186 kJ·(kg·℃) -1）。
塔的热损失：
式中：K为总传热系数（kJ·（m2·h·℃）-1）；A为蒸发塔散热表面面积（m2）。
试验时发现，由于塔体外侧设置了保温层，且喷液前预热时间较长，当塔内喷液温度下降时，塔体自身的热反射对塔内部又有再加热作用，再加热热量为：
式中：T3为无液体喷淋时出口塔温度（℃）。
塔风量为160kg/h，通过无液体喷淋时塔体的能量损失计算塔体散热系数，选取入口空气温度分别分别为200、250、300、325℃，探究不同喷淋量下出口温度的变化，并与计算值进行对比，结果如图11所示。从图11可以看出，理论计算结果与实验值相一致，但随着实验的进行，理论值略大于实验值，这可能是由于塔体再热作用的减弱所致。
以某电厂600MW机组为例，空预器前温度350℃，烟气量约200万Nm3，脱硫废水处理量为7.5t/h，出塔烟气温度设定为130℃。假设该塔设计与实验蒸发塔相似，热能利用率为90%，则需抽除的热空气量为绝干气·h-1。考虑到实际烟气中的粉尘也会放热，实际烟气值应该略低于此值。假设烟气密度与干空气密度相同，均为1.293kg·Nm-3，则抽除的烟气量为·h-1，约占总量的4.15%。热损失较小，不会对电厂热力系统造成明显影响，具体请参见污水宝商城资讯或更多相关技术文献。
3 结论
本文提出了一种新的脱硫废水零排放工艺——蒸发塔技术，搭建了小型蒸发塔，并用实际脱硫废水进行了实验，研究了该技术的蒸发特性和热平衡，得到以下结论：
1）在一定条件下，脱硫废水的主要蒸发区域在塔体中心部位，随着喷液量的增加，主要蒸发区域会向塔壁及塔体下部转移；
2）气体分布器的导流板角度可决定塔体高温区的位置，导流板角度越小，高温区越低；
3）雾矩影响塔径，而塔径受进液量和雾化器转速的共同影响：进液量越大，雾矩越大；转速越大，雾矩越小；
4）适当调整导流板角度和进风量，可增加脱硫废水处理能力；
5）估算结果表明，该技术所需热烟气量并不大，不会对电厂热力系统产生明显影响。