機械霧化蒸發脫硫廢水的理論研究與實踐
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.國家能源費縣發電有限公司，臨沂 273425；2. 華北電力大學 環境科學與工程系，保定 071003）
摘 要：以燃煤電廠生產過程中產生的脫硫廢水為研究對象，探討采用機械霧化蒸發技術處理脫硫廢水。通過理論研究，找出影響蒸發的主要因素包括液滴直徑、溫度、風速等，針對現有自然蒸發技術的不足，將自然蒸發技術與加裝霧化裝置、增加水體熱量以及增加蒸發過程中風的流速等強化蒸發技術相結合，由此形成了機械霧化蒸發技術。目前，機械霧化蒸發技術在燃煤電廠脫硫廢水處理、煤化工廢水處理等領域均有應用，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境污染。這一技術依舊存在一些不足，今后可以采取多能耦合等方法進行改進，使機械霧化蒸發真的成為低成本的技術。
關鍵詞：脫硫廢水；機械霧化蒸發；自然蒸發；強制蒸發；多能耦合
0 引言
隨著2020年的到來，“十四五”規劃中計劃實行的《水污染防治行動計劃》也進入了攻堅之年，因此對水環境的治理與保護依然是當前工作的重中之重。各行各業都在開展創新設計與技術嘗試，以加強對污水的處理，在所需處理的污水中，工業廢水占很大的比例。
發電企業以火力發電形式為主，為了響應保護環境的基本國策，治理好電廠運行中帶來的各種環境污染問題，眾多火電廠開展了有益的探索。石灰石-石膏濕法脫硫技術因其工藝較成熟、脫除效率較高以及運行穩定等特點被廣泛應用，但脫硫廢水含鹽量高、有一定的腐蝕性、易結垢、重金屬含量高且成分復雜，是火電廠生產過程中難處理的一部分廢水?，F有的脫硫廢水處理技術主要以預處理、濃縮減量、末端固化這 個過程為主，通過選擇不同的處理工藝來達到脫硫廢水的終目的。
經濟效益與可靠是衡量技術選擇的重要標準［6］。例如，將脫硫廢水噴灑到煤場是通過鍋爐燃燒來蒸發脫硫廢水，這種方法簡單經濟，但在煤的燃燒過程中，脫硫廢水中的氯會以的形式析出，不但會增加鍋爐設備的腐蝕風險，而且會在脫硫塔內進一步富集，造成脫硫廢水氯離子含量持續增高［7］。常用的膜法處理技術也存在運行不穩定、運行成本較高的缺點，并且膜法處理技術的使用條件以及使用后膜的更換清理也存在一些問題［8］。蒸發結晶技術在方面的使用效果較好，但存在系統復雜、能耗高、設備易結垢、副產品利用困難等問題。而傳統的自然蒸發技術也存在站立面積較大、效率低、可能對環境造成污染等問題。因此，本文介紹一種操作簡便、經濟性較好、運行穩定技術，即機械霧化蒸發技術。
本文通過分析水體自然蒸發過程，來確定蒸發過程的影響因素，以便探討機械化蒸發技術的優勢，并提出進一步改進方案。
1 自然蒸發技術國內外研究現狀
1. 1 國外研究現狀
由于淡水蒸發受溫度、濕度、自然降雨量、太陽輻射、風速、大氣壓強等多種因素共同影響，因此，自然蒸發是一個復雜的過程，需要大量的試驗數據支持。
1802 年，Dalton 根據空氣動力學原理提出了蒸發計算公式，并考慮了風、溫度、濕度對蒸發的影響。
w為水面蒸發速率；（ew-e）為空氣的飽和差，ew為水面溫度下的飽和水汽壓，e 為水面上空氣的實際水汽壓；p為大氣壓；C為與風速有關的比例系數。因此，水面的蒸發速率與水面上空氣的飽和水汽壓同實際水汽壓的差值成正比，而與水面上的氣壓成反比，與水面的風速成正比。這一公式也為后續各種公式提供了基礎思路。
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，優化了計算過程，減小了部分誤差。在實際應用中，其準確性也比較高。1948年，Penman建立了能量平衡和空氣動力學聯合蒸散方程，其計算方法中的部分參數是依據特定氣候條件建立的，在英國使用效果較好，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公式后提出了R-H模型。1990年，Adams 對 R-H 模型加以改進，使用了自然對流與強迫對流矢量相加的方法。改進后模型的準確性有所提升。
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確性。
由于蒸發過程受氣候、地區等條件的影響，并且受測量方法與儀器的限制，因此尚未形成通用的水面蒸發計算模型，各地需依照其氣候條件選擇適合的模型。
1. 2 國內研究現狀
國內對水面蒸發計算也有不少研究，研究方式大多是通過分析局部地區觀測站的觀測資料，構成經驗公式或半經驗公式，因而大部分公式具有很強的局地性特征，也難以進行推廣。在這些已發表的研究中，有3個水面蒸發計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 為水面蒸發量，mm；φ 為相對濕度，以小數計；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 處的風速， m/s。
該公式是黃河水利委員會巴彥高勒蒸發實驗站李萬義提出的［16］，他對影響水面蒸發的因素進行了分析并對水面蒸發物理過程作了部分假設。該模型與一般模型相比有一定改進，但模型結構在水面蒸發機制與數學原理的關系上有一定的矛盾，而且模型參數的確定僅使用了單個站的資料。
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處的風速，m/s；Δt 為水汽溫差，℃，Δt≥0 時 α04=0，Δt＜0 時 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、濕度，氣壓及風速等影響因素，并結合不同區域的水面蒸發試驗數據確定相關系數。但在實際應用過程中，由于部分數據的取得較為困難，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 )。
這一公式由中國水利水電科學研究院冷卻水研究所陳惠泉、安徽省水利科學研究所毛世民［19-20］提出。他們以從實驗室環境參數可控的回流式低速風洞系統中取得的水面蒸發試驗資料為基礎，建立了包含風速與水汽溫差2個因子的水面蒸發系數計算模型。該模型的系數由實驗室數據分析得出，并經過了多個國內外蒸發實驗室的檢驗。該公式包含了風力與水汽溫差分別對水面蒸發的影響，因此能將水面蒸發過程中自由對流與強迫對流的共同作用展現出來［15］。但其缺點也比較明顯，由于是根據實驗室資料確定的系數，實際應用中氣候改變時會產生較大誤差，可應用性也略差于公式A。
除上述公式外，施成熙、洪嘉璉等也根據實際情況對國外公式進行了修正，以適應特定的環境要求［21］。但由于自然蒸發過程要考慮的影響因素過多，因此暫未形成一個統一的公式。
1. 3 自然蒸發的蒸發能力測算
某地相對濕度 φ 取 0. 5，水汽壓差（e0-e150）取 12 hPa，變量為水面以上 1. 5 m處的風速。將風速 0. 5， 1. 0，1. 5 m/s 分別代入李萬義公式，計算得出 E0. 5= 3. 283 3 mm，E1. 0=3. 694 1 mm，E1. 5=4. 281 5 mm。由計
算結果可知，自然蒸發能力很難達到工業要求的處理速率。自然蒸發技術對氣候較為敏感，空氣濕度較大、風速較小等因素會影響處理效率；同時，自然蒸發所需要建設的蒸發塘面積也很大：這些因素都制約了自然蒸發技術的應用。
由此需要引入機械強制蒸發方法，這種方法通過增加機械霧化設備，使空氣與要處理的廢水接觸更加充分；同時，設備還提高了空氣流速，使得蒸發進程加快［22］。此方法的引入，可以大幅縮減蒸發塘建設面積，提高蒸發效率，節省建設成本［23］。
2 機械霧化蒸發理論
機械霧化蒸發過程的影響因素很多，因此需要建立合理的模型體系對其進行分析，先要建立的便是液滴蒸發過程的模型研究。
2. 1 液滴蒸發理論
將純水作為研究對象，液滴在蒸發過程中會受到四周空氣流動的影響。建立液滴蒸發速率公式后，對公式進行定量分析并對影響因素進行定性試驗，便可將蒸發速率控制在一定的范圍內。同時，對部分影響較大的因素進行加強，便可將其應用于廢水的蒸發濃縮過程，以達到廢水濃縮減量的目的。
通過整合液滴蒸發速率表達公式 dw ∕ dt =
KX A( xw - x)、球形液滴在靜止空氣中的傳質表達式Sh = KX D ∕ Dv 以及球形液滴的總傳遞系數表達式Sh = 2 + k1 ( Re)x (Sc)y（通常 k1取 0. 60，x 取 0. 50，y 取0. 33）可得到蒸發速率公式dw ∕ dt 為蒸發速率；Dv 為溶液的擴散系數；A為傳質面積；D為液滴直徑；uR 為液滴和空氣介質的相對速度；ρa，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推動力；Re 為雷諾數；Sc 為施密特數。
通過分析公式所需要的數據，可推導出具體的影響因素。
2. 2 液滴蒸發的影響因素
假設液滴形狀為理想的球形，設其體積為定值
V，則粒徑與蒸發表面積S的關系可表示為下式
6V ∕ π為定值，由此可推知蒸發表面積 S 的大小與液滴粒徑 d 成反比，而蒸發表面積越大的物體蒸發速率越高，因此，當液滴粒徑在一定范圍內盡可能小時，蒸發速率也會隨之加大。
蒸發速率公式中：x-x可由與大氣壓、水蒸氣分壓以及空氣溫度有關聯的計算來表示，因此溫度、大氣壓對蒸發存在一定的影響；濕空氣密度 ρa是與相對濕度有關的參數，因此相對濕度也是影響因素之一；擴散系數 Dv 是隨著溫度升高而變大的，因此溫度對蒸發的影響更加明顯。
2.3 其他因素
在環境因素中，由Dalton 蒸發定律進行拓展分析，將液滴擴大化后，考慮為一個蒸發整體，當飽和水汽壓、實際水汽壓與氣壓一定時，風速對液滴的蒸發也有很重要的影響。以此類推，處于實際蒸發過程的液體還受到太陽輻射的影響，輻射與水面蒸發計算公式為E = CE (w* Rs )，式中：Rs為按等效蒸發計算的太陽輻射量，mm；CE為取決于平均濕度與平均風速的修正系數；w*為取決于平均濕度與氣壓的權重系數［30］。
由以上公式可分析出，輻射與蒸發接近正比關系，因此輻射也是影響蒸發的一個因素。
綜合以上分析可確定，對液滴蒸發過程存在影響的因素包括溫度、風速、大氣壓、相對濕度、液滴直徑以及太陽輻射等。這些影響因素也可以運用到后續強制蒸發的探究中去。
3 強制蒸發技術手段
通過以上分析得出一些可以應用于實際生產生活的方法，以此來加強蒸發過程。采用蒸發的方式處理廢水一般都是固定地點，因此大氣壓、相對濕度的變化很小，可以暫時不考慮。（1）液滴直徑的影響。液滴直徑越小，液體的蒸發表面積越大，蒸發效果越好，所以可以將蒸發塘內的水霧化后噴出，通過加大蒸發面積來達到強化蒸發的目的。優的霧化液滴直徑需要在實際試驗中進行模擬計算。霧化裝置的選擇需要考慮池塘總的水體容積、池塘表面積、需要蒸發水的流量以及水體自身的物理化學特性等因素，這些因素直接影響霧化裝置的運行效率以及終的蒸發效果。
（2）溫度的影響。強制蒸發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。工廠運行過程中產生的多余蒸汽可以用來對蒸發塘進行間接加熱，提高水溫，增加蒸發量［31］。而在蒸發塘頂部加裝太陽能電池板或太陽能集熱器后產生的電能與熱能，也可繼續應用于強制蒸發過程。
（3）風速的影響。風速在一定范圍內加大，可以加強蒸發的進程，因此風力的增加有助于強化蒸發過程［32］。但過大的風速可能會將霧化的液滴吹離蒸發塘，水體內含有的污染物也會隨著液滴擴散到周圍的土壤環境中，造成新的環境污染。因此，有必要設置擋風板等減少風吹損失，以防止對環境造成二次污染。
4 機械霧化蒸發技術的應用
我國西北地區幅員遼闊、氣候干旱、降雨量少，因此機械霧化蒸發技術的使用較多。多個電廠以及內蒙古、新疆等多個煤化工企業或園區都建設了蒸發塘，應用機械霧化蒸發技術處理工業廢水。實踐表明，該技術蒸發速度是自然蒸發的 10～14 倍，且不會產生二次污染，能耗低、運行可靠、處理效率高［33］。
但機械霧化蒸發技術的應用也同樣存在一些缺點：缺少相應的技術規范和標準，使得整個設備的建設運行與管理沒有統一標準［34］；由于設備運行需要蒸發塘，所以占地面積會比較大；降雨會對設備運行效率產生影響；廢水存在通過蒸發塘底部滲入地下的可能［35］；過大的風力可能會將噴霧液滴攜帶走，造成環境污染，還需要在使用過程中探索減少風吹損失的方法。
改進的措施包括：按《危險廢物安全填埋處置工程建設技術要求》和《危險廢物填埋污染控制標準》的要求加強蒸發塘的防滲建設［36］；蒸發塘周邊進行雨水阻斷的建設，防止暴雨時雨水進入蒸發［塘；如果周邊有環境敏感區，蒸發塘周圍可布置擋風板等，以防液滴吹入周圍環境中。
5 多能耦合的機械霧化蒸發設想
通過對蒸發理論的分析可以得出多種對蒸發有促進作用的因素，因此可以考慮將這些因素的正向影響施加在單一的機械霧化蒸發技術中，形成多能耦合的機械霧化蒸發技術，從而促進蒸發效率的提高。
在電廠應用過程中，如果條件允許，可將低溫煙氣引入蒸發塘，使需要處理的廢水升溫，加速水體蒸發。另外，可以將太陽能的應用引入其中，一方面可由太陽能電池板發電，產生的電能用以驅動蒸發塘附屬設備，另一方面可以采用太陽能集熱器收集熱能，與處理中的水體換熱，進一步強化蒸發過程；同時，太陽能電池板還可以作為蒸發塘的擋板，以減少雨水的回流。
6 結論
（1）自然蒸發技術相較于其他廢水處理技術有著不少優勢，但效率較低、占地面積較大、對氣候敏感、對地下水防滲及周邊環境防護要求較高等缺點制約了這一技術的推廣。
（2）將強制蒸發手段引入自然蒸發中，形成機械霧化蒸發技術。這一技術通過將蒸發塘中的廢水進行霧化，增加廢水與空氣的接觸面積，達到了增強蒸發效果的目的。
（3）機械霧化蒸發技術與原來的自然蒸發技術相比，明顯減少了蒸發塘的占地面積，在運行效率、穩定性、經濟性與適用性上也有著不少優勢。但在機械霧化蒸發技術建設與運行過程中，要時刻檢測周圍環境變化，防止對環境造成二次污染。
（4）機械霧化蒸發技術與太陽能、蒸汽換熱或其他強制蒸發方法的聯合使用使這一技術擁有了一定的創新空間。在權衡實用性與經濟性后，可以得到一個適合各地區氣候環境的優化方案。
