機(jī)械霧化蒸發(fā)脫硫廢水的理論研究與實(shí)踐

王濤 1，邢浩若 2，劉道寬 2，張峰 1，郭紹源 2，武凱 2，馬雙忱 2*

（1.國(guó)家能源費(fèi)縣發(fā)電有限公司，臨沂 273425；2. 華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，保定 071003）

摘 要：以燃煤電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的脫硫廢水為研究對(duì)象，探討采用機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)處理脫硫廢水。通過理論研究，找出影響蒸發(fā)的主要因素包括液滴直徑、溫度、風(fēng)速等，針對(duì)現(xiàn)有自然蒸發(fā)技術(shù)的不足，將自然蒸發(fā)技術(shù)與加裝霧化裝置、增加水體熱量以及增加蒸發(fā)過程中風(fēng)的流速等強(qiáng)化蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合，由此形成了機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)。目前，機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)在燃煤電廠脫硫廢水處理、煤化工廢水處理等領(lǐng)域均有應(yīng)用，取得了一定的成效，但使用過程中要注意防范可能造成的環(huán)境污染。這一技術(shù)依舊存在一些不足，今后可以采取多能耦合等方法進(jìn)行改進(jìn)，使機(jī)械霧化蒸發(fā)真的成為低成本的零排放技術(shù)。

關(guān)鍵詞：脫硫廢水；機(jī)械霧化蒸發(fā)；自然蒸發(fā)；強(qiáng)制蒸發(fā)；多能耦合

0 引言

隨著2020年的到來，“十四五”規(guī)劃中計(jì)劃實(shí)行的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》也進(jìn)入了攻堅(jiān)之年，因此對(duì)水環(huán)境的治理與保護(hù)依然是當(dāng)前工作的重中之重。各行各業(yè)都在開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)與技術(shù)嘗試，以加強(qiáng)對(duì)污水的處理，在所需處理的污水中，工業(yè)廢水占很大的比例。

發(fā)電企業(yè)以火力發(fā)電形式為主，為了響應(yīng)保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，治理好電廠運(yùn)行中帶來的各種環(huán)境污染問題，眾多火電廠開展了有益的探索。石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)因其工藝較成熟、脫除效率較高以及運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但脫硫廢水含鹽量高、有一定的腐蝕性、易結(jié)垢、重金屬含量高且成分復(fù)雜，是火電廠生產(chǎn)過程中難處理的一部分廢水。現(xiàn)有的脫硫廢水處理技術(shù)主要以預(yù)處理、濃縮減量、末端固化這 個(gè)過程為主，通過選擇不同的處理工藝來達(dá)到脫硫廢水零排放的終目的。

經(jīng)濟(jì)效益與可靠是衡量技術(shù)選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)［6］。例如，將脫硫廢水噴灑到煤場(chǎng)是通過鍋爐燃燒來蒸發(fā)脫硫廢水，這種方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但在煤的燃燒過程中，脫硫廢水中的氯會(huì)以氯化氫的形式析出，不但會(huì)增加鍋爐設(shè)備的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，而且會(huì)在脫硫塔內(nèi)進(jìn)一步富集，造成脫硫廢水氯離子含量持續(xù)增高［7］。常用的膜法處理技術(shù)也存在運(yùn)行不穩(wěn)定、運(yùn)行成本較高的缺點(diǎn)，并且膜法處理技術(shù)的使用條件以及使用后膜的更換清理也存在一些問題［8］。蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)在零排放方面的使用效果較好，但存在系統(tǒng)復(fù)雜、能耗高、設(shè)備易結(jié)垢、副產(chǎn)品利用困難等問題。而傳統(tǒng)的自然蒸發(fā)技術(shù)也存在站立面積較大、效率低、可能對(duì)環(huán)境造成污染等問題。因此，本文介紹一種操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性較好、運(yùn)行穩(wěn)定技術(shù)，即機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)。

本文通過分析水體自然蒸發(fā)過程，來確定蒸發(fā)過程的影響因素，以便探討機(jī)械化蒸發(fā)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并提出進(jìn)一步改進(jìn)方案。

1 自然蒸發(fā)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1. 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

由于淡水蒸發(fā)受溫度、濕度、自然降雨量、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、大氣壓強(qiáng)等多種因素共同影響，因此，自然蒸發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1802 年，Dalton 根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理提出了蒸發(fā)計(jì)算公式，并考慮了風(fēng)、溫度、濕度對(duì)蒸發(fā)的影響。

w為水面蒸發(fā)速率；（ew-e）為空氣的飽和差，ew為水面溫度下的飽和水汽壓，e 為水面上空氣的實(shí)際水汽壓；p為大氣壓；C為與風(fēng)速有關(guān)的比例系數(shù)。因此，水面的蒸發(fā)速率與水面上空氣的飽和水汽壓同實(shí)際水汽壓的差值成正比，而與水面上的氣壓成反比，與水面的風(fēng)速成正比。這一公式也為后續(xù)各種公式提供了基礎(chǔ)思路。

1926年，Bowen提出了波文比法，這種方法基于地表能量平衡方程而提出，優(yōu)化了計(jì)算過程，減小了部分誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，其準(zhǔn)確性也比較高。1948年，Penman建立了能量平衡和空氣動(dòng)力學(xué)聯(lián)合蒸散方程，其計(jì)算方法中的部分參數(shù)是依據(jù)特定氣候條件建立的，在英國(guó)使用效果較好，但通用性較差［12］。1974 年，Ryan Harlenman 考慮了平板傳熱比擬和天然水溫的蒸發(fā)公式后提出了R-H模型。1990年，Adams 對(duì) R-H 模型加以改進(jìn)，使用了自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流矢量相加的方法。改進(jìn)后模型的準(zhǔn)確性有所提升。

1985 年，Shuttle-worth 和 Wallance 提出了系列雙層蒸散模型（即雙源模型或S-W模型），這種蒸散模型比以往的單層蒸散模型具有更高的準(zhǔn)確性。

由于蒸發(fā)過程受氣候、地區(qū)等條件的影響，并且受測(cè)量方法與儀器的限制，因此尚未形成通用的水面蒸發(fā)計(jì)算模型，各地需依照其氣候條件選擇適合的模型。

1. 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)水面蒸發(fā)計(jì)算也有不少研究，研究方式大多是通過分析局部地區(qū)觀測(cè)站的觀測(cè)資料，構(gòu)成經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式，因而大部分公式具有很強(qiáng)的局地性特征，也難以進(jìn)行推廣。在這些已發(fā)表的研究中，有3個(gè)水面蒸發(fā)計(jì)算公式一直被廣泛使用。

1.2. 1 李萬義公式

E = [ 0.1 + 0.24 (1 - φ2)0.5 ](e0 - e150 )v[ v0.8+52v

式中：E 為水面蒸發(fā)量，mm；φ 為相對(duì)濕度，以小數(shù)計(jì)；e0為水面水汽壓，hPa；e150為水面以上 1. 5 m處空氣中的水汽壓，hPa；v 為水面以上 1. 5 m 處的風(fēng)速， m/s。

該公式是水利部黃河水利委員會(huì)巴彥高勒蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站李萬義提出的［16］，他對(duì)影響水面蒸發(fā)的因素進(jìn)行了分析并對(duì)水面蒸發(fā)物理過程作了部分假設(shè)。該模型與一般模型相比有一定改進(jìn)，但模型結(jié)構(gòu)在水面蒸發(fā)機(jī)制與數(shù)學(xué)原理的關(guān)系上有一定的矛盾，而且模型參數(shù)的確定僅使用了單個(gè)站的資料。

1.2. 2 通用公式A

E = [ 0.027 + 0.015 6v2 + 01.0+02α054|ΔΔtt2 |

式中：v 為水面以上 1. 5 m處的風(fēng)速，m/s；Δt 為水汽溫差，℃，Δt≥0 時(shí) α04=0，Δt＜0 時(shí) α04=0. 01；es為水面水汽壓，hPa；ea 為水面以上 1. 5 m 處空氣中的水汽壓，hPa。

這一公式是中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所濮培民等［17-18］提出的，該公式綜合了水、汽溫度，相對(duì)、濕度，氣壓及風(fēng)速等影響因素，并結(jié)合不同區(qū)域的水面蒸發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定相關(guān)系數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于部分?jǐn)?shù)據(jù)的取得較為困難，因此不利于推廣使用。

1.2. 3 通用公式B

E = [ 0.027 + 0.015 6v2 + 0.025| Δt | ]1 2 × (es - ea )。

這一公式由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院冷卻水研究所陳惠泉、安徽省水利科學(xué)研究所毛世民［19-20］提出。他們以從實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)可控的回流式低速風(fēng)洞系統(tǒng)中取得的水面蒸發(fā)試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，建立了包含風(fēng)速與水汽溫差2個(gè)因子的水面蒸發(fā)系數(shù)計(jì)算模型。該模型的系數(shù)由實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析得出，并經(jīng)過了多個(gè)國(guó)內(nèi)外蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)室的檢驗(yàn)。該公式包含了風(fēng)力與水汽溫差分別對(duì)水面蒸發(fā)的影響，因此能將水面蒸發(fā)過程中自由對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流的共同作用展現(xiàn)出來［15］。但其缺點(diǎn)也比較明顯，由于是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室資料確定的系數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中氣候改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，可應(yīng)用性也略差于公式A。

除上述公式外，施成熙、洪嘉璉等也根據(jù)實(shí)際情況對(duì)國(guó)外公式進(jìn)行了修正，以適應(yīng)特定的環(huán)境要求［21］。但由于自然蒸發(fā)過程要考慮的影響因素過多，因此暫未形成一個(gè)統(tǒng)一的公式。

1. 3 自然蒸發(fā)的蒸發(fā)能力測(cè)算

某地相對(duì)濕度 φ 取 0. 5，水汽壓差（e0-e150）取 12 hPa，變量為水面以上 1. 5 m處的風(fēng)速。將風(fēng)速 0. 5， 1. 0，1. 5 m/s 分別代入李萬義公式，計(jì)算得出 E0. 5= 3. 283 3 mm，E1. 0=3. 694 1 mm，E1. 5=4. 281 5 mm。由計(jì)

算結(jié)果可知，自然蒸發(fā)能力很難達(dá)到工業(yè)要求的處理速率。自然蒸發(fā)技術(shù)對(duì)氣候較為敏感，空氣濕度較大、風(fēng)速較小等因素會(huì)影響處理效率；同時(shí)，自然蒸發(fā)所需要建設(shè)的蒸發(fā)塘面積也很大：這些因素都制約了自然蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用。

由此需要引入機(jī)械強(qiáng)制蒸發(fā)方法，這種方法通過增加機(jī)械霧化設(shè)備，使空氣與要處理的廢水接觸更加充分；同時(shí)，設(shè)備還提高了空氣流速，使得蒸發(fā)進(jìn)程加快［22］。此方法的引入，可以大幅縮減蒸發(fā)塘建設(shè)面積，提高蒸發(fā)效率，節(jié)省建設(shè)成本［23］。

2 機(jī)械霧化蒸發(fā)理論

機(jī)械霧化蒸發(fā)過程的影響因素很多，因此需要建立合理的模型體系對(duì)其進(jìn)行分析，先要建立的便是液滴蒸發(fā)過程的模型研究。

2. 1 液滴蒸發(fā)理論

將純水作為研究對(duì)象，液滴在蒸發(fā)過程中會(huì)受到四周空氣流動(dòng)的影響。建立液滴蒸發(fā)速率公式后，對(duì)公式進(jìn)行定量分析并對(duì)影響因素進(jìn)行定性試驗(yàn)，便可將蒸發(fā)速率控制在一定的范圍內(nèi)。同時(shí)，對(duì)部分影響較大的因素進(jìn)行加強(qiáng)，便可將其應(yīng)用于廢水的蒸發(fā)濃縮過程，以達(dá)到廢水濃縮減量的目的。

通過整合液滴蒸發(fā)速率表達(dá)公式 dw ∕ dt =

KX A( xw - x)、球形液滴在靜止空氣中的傳質(zhì)表達(dá)式Sh = KX D ∕ Dv 以及球形液滴的總傳遞系數(shù)表達(dá)式Sh = 2 + k1 ( Re)x (Sc)y（通常 k1取 0. 60，x 取 0. 50，y 取0. 33）可得到蒸發(fā)速率公式dw ∕ dt 為蒸發(fā)速率；Dv 為溶液的擴(kuò)散系數(shù)；A為傳質(zhì)面積；D為液滴直徑；uR 為液滴和空氣介質(zhì)的相對(duì)速度；ρa(bǔ)，μa為空氣的密度和黏度；x 為液滴表面空氣含濕量；xw為空氣的飽和含濕量；xw-x 為以含濕量差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力；Re 為雷諾數(shù)；Sc 為施密特?cái)?shù)。

通過分析公式所需要的數(shù)據(jù)，可推導(dǎo)出具體的影響因素。

2. 2 液滴蒸發(fā)的影響因素

假設(shè)液滴形狀為理想的球形，設(shè)其體積為定值

V，則粒徑與蒸發(fā)表面積S的關(guān)系可表示為下式

6V ∕ π為定值，由此可推知蒸發(fā)表面積 S 的大小與液滴粒徑 d 成反比，而蒸發(fā)表面積越大的物體蒸發(fā)速率越高，因此，當(dāng)液滴粒徑在一定范圍內(nèi)盡可能小時(shí)，蒸發(fā)速率也會(huì)隨之加大。

蒸發(fā)速率公式中：x-x可由與大氣壓、水蒸氣分壓以及空氣溫度有關(guān)聯(lián)的計(jì)算來表示，因此溫度、大氣壓對(duì)蒸發(fā)存在一定的影響；濕空氣密度 ρa(bǔ)是與相對(duì)濕度有關(guān)的參數(shù)，因此相對(duì)濕度也是影響因素之一；擴(kuò)散系數(shù) Dv 是隨著溫度升高而變大的，因此溫度對(duì)蒸發(fā)的影響更加明顯。

2.3 其他因素

在環(huán)境因素中，由Dalton 蒸發(fā)定律進(jìn)行拓展分析，將液滴擴(kuò)大化后，考慮為一個(gè)蒸發(fā)整體，當(dāng)飽和水汽壓、實(shí)際水汽壓與氣壓一定時(shí)，風(fēng)速對(duì)液滴的蒸發(fā)也有很重要的影響。以此類推，處于實(shí)際蒸發(fā)過程的液體還受到太陽(yáng)輻射的影響，輻射與水面蒸發(fā)計(jì)算公式為E = CE (w* Rs )，式中：Rs為按等效蒸發(fā)計(jì)算的太陽(yáng)輻射量，mm；CE為取決于平均濕度與平均風(fēng)速的修正系數(shù)；w*為取決于平均濕度與氣壓的權(quán)重系數(shù)［30］。

由以上公式可分析出，輻射與蒸發(fā)接近正比關(guān)系，因此輻射也是影響蒸發(fā)的一個(gè)因素。

綜合以上分析可確定，對(duì)液滴蒸發(fā)過程存在影響的因素包括溫度、風(fēng)速、大氣壓、相對(duì)濕度、液滴直徑以及太陽(yáng)輻射等。這些影響因素也可以運(yùn)用到后續(xù)強(qiáng)制蒸發(fā)的探究中去。

3 強(qiáng)制蒸發(fā)技術(shù)手段

通過以上分析得出一些可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活的方法，以此來加強(qiáng)蒸發(fā)過程。采用蒸發(fā)的方式處理廢水一般都是固定地點(diǎn)，因此大氣壓、相對(duì)濕度的變化很小，可以暫時(shí)不考慮。（1）液滴直徑的影響。液滴直徑越小，液體的蒸發(fā)表面積越大，蒸發(fā)效果越好，所以可以將蒸發(fā)塘內(nèi)的水霧化后噴出，通過加大蒸發(fā)面積來達(dá)到強(qiáng)化蒸發(fā)的目的。優(yōu)的霧化液滴直徑需要在實(shí)際試驗(yàn)中進(jìn)行模擬計(jì)算。霧化裝置的選擇需要考慮池塘總的水體容積、池塘表面積、需要蒸發(fā)水的流量以及水體自身的物理化學(xué)特性等因素，這些因素直接影響霧化裝置的運(yùn)行效率以及終的蒸發(fā)效果。

（2）溫度的影響。強(qiáng)制蒸發(fā)過程中溫度的影響不僅是大氣溫度的影響，而且還包括額外加熱的影響。工廠運(yùn)行過程中產(chǎn)生的多余蒸汽可以用來對(duì)蒸發(fā)塘進(jìn)行間接加熱，提高水溫，增加蒸發(fā)量［31］。而在蒸發(fā)塘頂部加裝太陽(yáng)能電池板或太陽(yáng)能集熱器后產(chǎn)生的電能與熱能，也可繼續(xù)應(yīng)用于強(qiáng)制蒸發(fā)過程。

（3）風(fēng)速的影響。風(fēng)速在一定范圍內(nèi)加大，可以加強(qiáng)蒸發(fā)的進(jìn)程，因此風(fēng)力的增加有助于強(qiáng)化蒸發(fā)過程［32］。但過大的風(fēng)速可能會(huì)將霧化的液滴吹離蒸發(fā)塘，水體內(nèi)含有的污染物也會(huì)隨著液滴擴(kuò)散到周圍的土壤環(huán)境中，造成新的環(huán)境污染。因此，有必要設(shè)置擋風(fēng)板等減少風(fēng)吹損失，以防止對(duì)環(huán)境造成二次污染。

4 機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用

我國(guó)西北地區(qū)幅員遼闊、氣候干旱、降雨量少，因此機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)的使用較多。多個(gè)電廠以及內(nèi)蒙古、新疆等多個(gè)煤化工企業(yè)或園區(qū)都建設(shè)了蒸發(fā)塘，應(yīng)用機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)處理工業(yè)廢水。實(shí)踐表明，該技術(shù)蒸發(fā)速度是自然蒸發(fā)的 10～14 倍，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染，能耗低、運(yùn)行可靠、處理效率高［33］。

但機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用也同樣存在一些缺點(diǎn)：缺少相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，使得整個(gè)設(shè)備的建設(shè)運(yùn)行與管理沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［34］；由于設(shè)備運(yùn)行需要蒸發(fā)塘，所以占地面積會(huì)比較大；降雨會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行效率產(chǎn)生影響；廢水存在通過蒸發(fā)塘底部滲入地下的可能［35］；過大的風(fēng)力可能會(huì)將噴霧液滴攜帶走，造成環(huán)境污染，還需要在使用過程中探索減少風(fēng)吹損失的方法。

改進(jìn)的措施包括：按《危險(xiǎn)廢物安全填埋處置工程建設(shè)技術(shù)要求》和《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求加強(qiáng)蒸發(fā)塘的防滲建設(shè)［36］；蒸發(fā)塘周邊進(jìn)行雨水阻斷的建設(shè)，防止暴雨時(shí)雨水進(jìn)入蒸發(fā)［塘；如果周邊有環(huán)境敏感區(qū)，蒸發(fā)塘周圍可布置擋風(fēng)板等，以防液滴吹入周圍環(huán)境中。

5 多能耦合的機(jī)械霧化蒸發(fā)設(shè)想

通過對(duì)蒸發(fā)理論的分析可以得出多種對(duì)蒸發(fā)有促進(jìn)作用的因素，因此可以考慮將這些因素的正向影響施加在單一的機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)中，形成多能耦合的機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)，從而促進(jìn)蒸發(fā)效率的提高。

在電廠應(yīng)用過程中，如果條件允許，可將低溫?zé)煔庖胝舭l(fā)塘，使需要處理的廢水升溫，加速水體蒸發(fā)。另外，可以將太陽(yáng)能的應(yīng)用引入其中，一方面可由太陽(yáng)能電池板發(fā)電，產(chǎn)生的電能用以驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)塘附屬設(shè)備，另一方面可以采用太陽(yáng)能集熱器收集熱能，與處理中的水體換熱，進(jìn)一步強(qiáng)化蒸發(fā)過程；同時(shí)，太陽(yáng)能電池板還可以作為蒸發(fā)塘的擋板，以減少雨水的回流。

6 結(jié)論

（1）自然蒸發(fā)技術(shù)相較于其他廢水處理技術(shù)有著不少優(yōu)勢(shì)，但效率較低、占地面積較大、對(duì)氣候敏感、對(duì)地下水防滲及周邊環(huán)境防護(hù)要求較高等缺點(diǎn)制約了這一技術(shù)的推廣。

（2）將強(qiáng)制蒸發(fā)手段引入自然蒸發(fā)中，形成機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)。這一技術(shù)通過將蒸發(fā)塘中的廢水進(jìn)行霧化，增加廢水與空氣的接觸面積，達(dá)到了增強(qiáng)蒸發(fā)效果的目的。

（3）機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)與原來的自然蒸發(fā)技術(shù)相比，明顯減少了蒸發(fā)塘的占地面積，在運(yùn)行效率、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性與適用性上也有著不少優(yōu)勢(shì)。但在機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)建設(shè)與運(yùn)行過程中，要時(shí)刻檢測(cè)周圍環(huán)境變化，防止對(duì)環(huán)境造成二次污染。

（4）機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)與太陽(yáng)能、蒸汽換熱或其他強(qiáng)制蒸發(fā)方法的聯(lián)合使用使這一技術(shù)擁有了一定的創(chuàng)新空間。在權(quán)衡實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性后，可以得到一個(gè)適合各地區(qū)氣候環(huán)境的優(yōu)化方案。