中國是壹個以煤為主要能源的國家。2017年，燃煤發電量占全年總發電量的67%。燃煤在發電過程中排放的二氧化硫尤其令人關註，它在壹定的氣象條件下產生復雜的化學反應，是形成霧霾和酸雨的重要前兆。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝應用最為廣泛。但循環漿液會不斷富集煙氣和脫硫劑中的重金屬元素和氯離子，導致脫硫廢水濃度高，廢水直接排放會對環境產生負面影響。
如果用常規工藝處理廢水零排放，高濃度氯離子的腐蝕性對設備材料要求高，價格昂貴。利用噴嘴將脫硫廢水霧化成霧滴噴入空氣預熱器與靜電除塵器之間的煙道，利用高溫煙氣與常溫廢水之間的傳熱實現脫硫廢水零排放，具有投資少、工藝流程短、去除重金屬離子、建設周期短、維護費用低等特點，推薦作為實現脫硫廢水零排放的可行技術。煙氣中脫硫廢水液滴的蒸發和流動特性的優化是實現脫硫廢水煙道蒸發零排放的關鍵。
目前，國內外對脫硫廢水煙道蒸發過程的研究主要集中在對脫硫廢水的蒸發特性和流動特性進行數值模擬，同時輔以壹定的工程或實驗數據作為參考。張子靜和其他研究人員認為，噴霧液滴的蒸發特性受到液滴加熱(傳熱過程)和液滴在煙氣中擴散(傳質過程)的影響。Strotos G等人建立了高溫氣體中單個液滴蒸發運動過程的數學模型，得到了不同氣體溫度和速度下液滴的蒸發規律。
冉景宇等從理論上分析了低溫煙氣環境中不同物理性質的液滴運動以及加熱蒸發過程中的傳熱傳質特性。李明博等人使用計算流體力學軟件Fluent模擬煙氣從空氣預熱器出口到靜電除塵器入口的流動。
lain等人基於拉格朗日湍流顆粒彌散模型提出，在壹定條件下，假設顆粒為球體，只考慮阻力和重力。Young等人使用離散多組分(DMC)燃料液滴模型來模擬多組分燃料噴霧的蒸發。Pinto等人研究了雙流體噴嘴的噴霧幹燥，成功地預測了幹燥時間和最終含水量隨初始液滴直徑變化的趨勢。
金銀佳等人提出了深度過濾脫硫廢水預處理工藝，將脫硫廢水在霧化蒸發前進行固液深度分離預處理，解決含硫廢水中懸浮顆粒堵塞問題。
國內外學者對液滴蒸發的機理進行了深入的研究，重點研究了煙氣溫度、速度、液滴直徑和液滴速度對蒸發的影響。然而，不同霧化角對脫硫廢水蒸發的影響尚未得到明確解釋。以國內某燃煤電廠330MW機組空氣預熱器與電除塵器之間煙道內噴霧蒸發的工程實踐為背景，數值模擬了不同煙氣負荷和不同噴霧錐角對脫硫廢水噴霧蒸發流動特性的影響。
1方法和模型
煙氣脫硫廢水噴霧蒸發是壹種典型的氣液兩相流。在數值模擬中，空氣作為連續相，噴霧液滴作為離散相，主要考慮連續相和離散相之間的相間運動和相互作用。首先建立煙道的物理模型，根據確定邊界條件的連續相和離散相方程進行相應的數值模擬計算。
1.1物理模型
圖1顯示了空氣預熱器和靜電除塵器之間的煙道和尺寸的物理模型。煙道分為六部分:入口段、下彎頭、垂直段煙道、上彎頭、異形彎頭和水平煙道。利用ANSA軟件對煙道幾何模型進行網格劃分。該煙道模型結構簡單，流場結構均勻。采用計算速度優勢明顯的六面體網格，生成的網格總數為200萬。
經過測試，該模型中98.09%的網格具有0到0.4之間的等大小偏斜值，網格劃分質量較高。分別用2，000，000，000，3，000，4，000，000個網格數進行無關性驗證，監測垂直煙道內六個點的速度。三個網格的結果相差不大。為了節省計算資源，選擇200萬左右的網格數進行模擬，如圖2所示。
1.2數學模型
1.2.1連續相位方程
在氣液兩相流中，雖然控制方程是獨立的，但兩相之間是相互耦合的。液滴作為質量源、動量源和能量源被引入氣相方程，氣相流場受到這些源項的影響，進而通過其速度場、溫度場和壓力場影響液滴的狀態。以下方程為氣相控制方程，表達式如下。
連續性方程:
2結果和分析
2.1煙氣負荷對液滴蒸發和運動的影響。
脫硫廢水在鍋爐尾部煙道中的霧化、流動和蒸發過程可分為初始階段和穩定階段。在初始階段，常溫液滴群作為吸熱蒸發的分布式熱沈，充分吸收煙氣流動的余熱，吸收的大部分熱量用於提高液滴群的溫度。同時，在煙氣速度的影響下，該階段液滴群的速度在不斷增加。在短時間內，霧化液滴群達到穩態階段。此時，液滴群被煙氣加熱到壹個穩定值，吸收的熱量全部用於液滴群的蒸發，液滴群的速度與來的煙氣速度壹致。
液滴群的蒸發效果主要由以下參數決定:氣相溫度、傳輸特性、液相溫度、移動速度和氣液相的傳熱和傳遞效率。在330MW機組50%、75%、100%煙氣負荷工況下，三種不同的煙溫(120.3、125.1、128.9℃)和煙速(9.19、11.56、14.64 m)。
圖3給出了50%、75%、100%三種不同煙氣負荷下運動液滴最大蒸發時間t的模擬結果，t值隨著煙氣負荷的增加呈現幾乎相同的線性下降趨勢。隨著煙氣負荷的增加，煙氣溫度降低，蒸發時間縮短。50%、75%和100%煙氣負荷條件下運動液滴的最大蒸發時間t分別在3.07 ~ 3.36 s、2.85 ~ 3.04 s和2.57 ~ 2.80 s範圍內。
在噴嘴霧化錐角為65°的配置下，選擇每個煙氣負荷顆粒的軌跡，如圖4所示。
所有液滴都能完全蒸發，100%煙氣負荷對應的最大蒸發時間最短，50%煙氣負荷對應的最大蒸發時間最長。因此，對於相同粒徑的液滴，氣體環境溫度越高，煙氣流速越快，蒸發速率越高，蒸發效果越好。
其中，由於100%負荷下的煙氣流速比75%和50%負荷下的煙氣流速更快，所以衰減後的脫硫廢水顆粒流速仍然更快。如果煙道長度不足，仍有蒸發不完全的可能。從圖中可以看出，煙氣速度的變化對液滴最大完全蒸發時間的影響很小，因此在單煙道結構中，煙氣溫度對蒸發效果起主導作用。
如果煙氣溫度升高，氣液相溫差增大，氣體環境向液滴群的傳熱增加，從而增加液滴的表面蒸發和傳質擴散速率。因此，隨著液滴溫度的不斷升高，其達到臨界蒸發溫度所需的時間變短，液滴從噴入煙氣到完全蒸發的停留時間隨著煙氣溫度的升高而逐漸減少。
2.2霧化錐角對霧滴蒸發和運動的影響。
為了定量分析霧化錐角對霧化液滴流動特性的影響，將煙道壁捕集的液滴數與總液滴數的比值定義為A0。A0值可以反映脫硫廢水噴霧蒸發結晶後在煙道內壁積灰的可能性。
圖5示出了在20°、35°、50°、65°、80°和95°的六個不同霧化錐角下在單個煙道壁上捕獲的液滴的數量分數的模擬結果。隨著霧化錐角的變化，A0值呈現出幾乎相同的先平穩下降後明顯上升的趨勢。
圖5示出了當霧化錐角從20°增加到50°時，A0值相對平滑地變化。由於霧化角度太小，霧滴蒸發速度慢，容易撞到頂部水平煙道。當霧化錐角增大到65°時，煙道捕集的霧滴數量達到最小，說明霧化錐角為65°時，煙道內壁積灰的可能性最小。當霧化錐角從65°繼續增大到95°時，A0值呈現明顯的增大趨勢。此時，由於霧化角度過大，霧滴容易撞擊垂直煙道。但是，當霧化錐角大於90°時，增加速率減緩，並有下降趨勢。隨著霧化角的增大，液滴的蒸發速度變快，液滴碰壁的可能性變小。
當噴嘴霧化錐角過小時，相同工況下霧滴蒸發緩慢。當液滴進入水平煙道時，由於液滴直徑比較大，跟隨流動的能力較弱，液滴與水平煙道碰撞形成積灰。當噴嘴的霧化錐角過大時，霧滴容易直接撞擊垂直煙道形成積灰。因此，有1個最佳霧化錐角使液滴碰壁次數最小。驗證了霧化錐角為65°時，撞擊煙道的霧滴數量最少。
在單煙道結構75%煙氣負荷和最佳霧化錐角65°條件下，脫硫廢水的定量蒸發流動特性和煙道截面速度矢量圖如圖6所示。
從圖6可以看出，在噴霧蒸發的初始階段，傳質、擴散和蒸發速率較快，噴霧對煙氣的剪切卷吸形成較大的不規則渦流。
由於煙道內煙氣體積流量較大，沿煙氣流動方向1m處的噴嘴段煙氣以較快的速度沖入對面墻內，造成煙氣上部壓差較大，產生回流。因此，越靠近煙氣內部，旋渦形狀越大，有利於促進噴嘴區域局部液滴群向其他區域的持續擴散。隨著蒸發和傳質擴散的進壹步均勻化，噴霧蒸發進入穩定階段，煙道截面渦增大，截面渦形狀逐漸規整，速度矢量場趨於穩定。
3結論理論
在三種煙氣負荷(1、50%、75%和100%)下，隨著霧化錐角的增大，單個煙道壁面捕集的液滴數分數先穩定下降，然後明顯增加。
2)隨著煙氣負荷的增加，20°、35°、50°、65°、80°和95°六種不同霧化錐角下運動液滴的最大蒸發時間呈現幾乎相同的線性下降趨勢。在噴嘴霧化錐角為65°的最優配置下，對於相同粒徑的液滴，氣體環境溫度越高，煙氣流速越快，液滴群的蒸發速率越高，蒸發效果越好。其中，煙氣流速的變化對液滴最大完全蒸發時間的影響較小，煙氣溫度對蒸發效果起主導作用。噴淋脫硫廢水形成的液滴可以在煙道中完全蒸發。
3)最佳霧化錐角配置下的速度矢量圖表明，越靠近煙道內部，渦流尺寸越大，有利於促進噴嘴區域局部液滴向其他區域的持續擴散；在噴霧蒸發初期，傳質擴散和蒸發速率較快，速度矢量圖呈現較大的不規則旋渦形狀。在噴霧蒸發的穩定階段，煙道截面上的渦流增大，形狀逐漸規則，速度矢量場趨於穩定。
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