机械雾化蒸发脱硫废水的理论研究与实践

王涛 1，邢浩若 2，刘道宽 2，张峰 1，郭绍源 2，武凯 2，马双忱 2*

（1.国家能源费县发电有限公司，临沂 273425；2. 华北电力大学 环境科学与工程系，保定 071003）

摘 要：以燃煤电厂生产过程中产生的脱硫废水为研究对象，探讨采用机械雾化蒸发技术处理脱硫废水。通过理论研究，找出影响蒸发的主要因素包括液滴直径、温度、风速等，针对现有自然蒸发技术的不足，将自然蒸发技术与加装雾化装置、增加水体热量以及增加蒸发过程中风的流速等强化蒸发技术相结合，由此形成了机械雾化蒸发技术。目前，机械雾化蒸发技术在燃煤电厂脱硫废水处理、煤化工废水处理等领域均有应用，取得了一定的成效，但使用过程中要注意防范可能造成的环境污染。这一技术依旧存在一些不足，今后可以采取多能耦合等方法进行改进，使机械雾化蒸发真的成为低成本的零排放技术。

关键词：脱硫废水；机械雾化蒸发；自然蒸发；强制蒸发；多能耦合

0 引言

随着2020年的到来，“十四五”规划中计划实行的《水污染防治行动计划》也进入了攻坚之年，因此对水环境的治理与保护依然是当前工作的重中之重。各行各业都在开展创新设计与技术尝试，以加强对污水的处理，在所需处理的污水中，工业废水占很大的比例。

发电企业以火力发电形式为主，为了响应保护环境的基本国策，治理好电厂运行中带来的各种环境污染问题，众多火电厂开展了有益的探索。石灰石-石膏湿法脱硫技术因其工艺较成熟、脱除效率较高以及运行稳定等特点被广泛应用，但脱硫废水含盐量高、有一定的腐蚀性、易结垢、重金属含量高且成分复杂，是火电厂生产过程中难处理的一部分废水。现有的脱硫废水处理技术主要以预处理、浓缩减量、末端固化这 个过程为主，通过选择不同的处理工艺来达到脱硫废水零排放的终目的。

经济效益与可靠是衡量技术选择的重要标准［6］。例如，将脱硫废水喷洒到煤场是通过锅炉燃烧来蒸发脱硫废水，这种方法简单经济，但在煤的燃烧过程中，脱硫废水中的氯会以氯化氢的形式析出，不但会增加锅炉设备的腐蚀风险，而且会在脱硫塔内进一步富集，造成脱硫废水氯离子含量持续增高［7］。常用的膜法处理技术也存在运行不稳定、运行成本较高的缺点，并且膜法处理技术的使用条件以及使用后膜的更换清理也存在一些问题［8］。蒸发结晶技术在零排放方面的使用效果较好，但存在系统复杂、能耗高、设备易结垢、副产品利用困难等问题。而传统的自然蒸发技术也存在站立面积较大、效率低、可能对环境造成污染等问题。因此，本文介绍一种操作简便、经济性较好、运行稳定技术，即机械雾化蒸发技术。

本文通过分析水体自然蒸发过程，来确定蒸发过程的影响因素，以便探讨机械化蒸发技术的优势，并提出进一步改进方案。

1 自然蒸发技术国内外研究现状

1. 1 国外研究现状

由于淡水蒸发受温度、湿度、自然降雨量、太阳辐射、风速、大气压强等多种因素共同影响，因此，自然蒸发是一个复杂的过程，需要大量的试验数据支持。

1802 年，Dalton 根据空气动力学原理提出了蒸发计算公式，并考虑了风、温度、湿度对蒸发的影响。

w为水面蒸发速率；（ew-e）为空气的饱和差，ew为水面温度下的饱和水汽压，e 为水面上空气的实际水汽压；p为大气压；C为与风速有关的比例系数。因此，水面的蒸发速率与水面上空气的饱和水汽压同实际水汽压的差值成正比，而与水面上的气压成反比，与水面的风速成正比。这一公式也为后续各种公式提供了基础思路。

1926年，Bowen提出了波文比法，这种方法基于地表能量平衡方程而提出，优化了计算过程，减小了部分误差。在实际应用中，其准确性也比较高。1948年，Penman建立了能量平衡和空气动力学联合蒸散方程，其计算方法中的部分参数是依据特定气候条件建立的，在英国使用效果较好，但通用性较差［12］。1974 年，Ryan Harlenman 考虑了平板传热比拟和天然水温的蒸发公式后提出了R-H模型。1990年，Adams 对 R-H 模型加以改进，使用了自然对流与强迫对流矢量相加的方法。改进后模型的准确性有所提升。

1985 年，Shuttle-worth 和 Wallance 提出了系列双层蒸散模型（即双源模型或S-W模型），这种蒸散模型比以往的单层蒸散模型具有更高的准确性。

由于蒸发过程受气候、地区等条件的影响，并且受测量方法与仪器的限制，因此尚未形成通用的水面蒸发计算模型，各地需依照其气候条件选择适合的模型。

1. 2 国内研究现状

国内对水面蒸发计算也有不少研究，研究方式大多是通过分析局部地区观测站的观测资料，构成经验公式或半经验公式，因而大部分公式具有很强的局地性特征，也难以进行推广。在这些已发表的研究中，有3个水面蒸发计算公式一直被广泛使用。

1.2. 1 李万义公式

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

式中：E 为水面蒸发量，mm；φ 为相对湿度，以小数计；e0为水面水汽压，hPa；e150为水面以上 1. 5 m处空气中的水汽压，hPa；v 为水面以上 1. 5 m 处的风速， m/s。

该公式是水利部黄河水利委员会巴彦高勒蒸发实验站李万义提出的［16］，他对影响水面蒸发的因素进行了分析并对水面蒸发物理过程作了部分假设。该模型与一般模型相比有一定改进，但模型结构在水面蒸发机制与数学原理的关系上有一定的矛盾，而且模型参数的确定仅使用了单个站的资料。

1.2. 2 通用公式A

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

式中：v 为水面以上 1. 5 m处的风速，m/s；Δt 为水汽温差，℃，Δt≥0 时 α04=0，Δt＜0 时 α04=0. 01；es为水面水汽压，hPa；ea 为水面以上 1. 5 m 处空气中的水汽压，hPa。

这一公式是中国科学院南京地理与湖泊研究所濮培民等［17-18］提出的，该公式综合了水、汽温度，相对、湿度，气压及风速等影响因素，并结合不同区域的水面蒸发试验数据确定相关系数。但在实际应用过程中，由于部分数据的取得较为困难，因此不利于推广使用。

1.2. 3 通用公式B

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

这一公式由中国水利水电科学研究院冷却水研究所陈惠泉、安徽省水利科学研究所毛世民［19-20］提出。他们以从实验室环境参数可控的回流式低速风洞系统中取得的水面蒸发试验资料为基础，建立了包含风速与水汽温差2个因子的水面蒸发系数计算模型。该模型的系数由实验室数据分析得出，并经过了多个国内外蒸发实验室的检验。该公式包含了风力与水汽温差分别对水面蒸发的影响，因此能将水面蒸发过程中自由对流与强迫对流的共同作用展现出来［15］。但其缺点也比较明显，由于是根据实验室资料确定的系数，实际应用中气候改变时会产生较大误差，可应用性也略差于公式A。

除上述公式外，施成熙、洪嘉琏等也根据实际情况对国外公式进行了修正，以适应特定的环境要求［21］。但由于自然蒸发过程要考虑的影响因素过多，因此暂未形成一个统一的公式。

1. 3 自然蒸发的蒸发能力测算

某地相对湿度 φ 取 0. 5，水汽压差（e0-e150）取 12 hPa，变量为水面以上 1. 5 m处的风速。将风速 0. 5， 1. 0，1. 5 m/s 分别代入李万义公式，计算得出 E0. 5= 3. 283 3 mm，E1. 0=3. 694 1 mm，E1. 5=4. 281 5 mm。由计

算结果可知，自然蒸发能力很难达到工业要求的处理速率。自然蒸发技术对气候较为敏感，空气湿度较大、风速较小等因素会影响处理效率；同时，自然蒸发所需要建设的蒸发塘面积也很大：这些因素都制约了自然蒸发技术的应用。

由此需要引入机械强制蒸发方法，这种方法通过增加机械雾化设备，使空气与要处理的废水接触更加充分；同时，设备还提高了空气流速，使得蒸发进程加快［22］。此方法的引入，可以大幅缩减蒸发塘建设面积，提高蒸发效率，节省建设成本［23］。

2 机械雾化蒸发理论

机械雾化蒸发过程的影响因素很多，因此需要建立合理的模型体系对其进行分析，先要建立的便是液滴蒸发过程的模型研究。

2. 1 液滴蒸发理论

将纯水作为研究对象，液滴在蒸发过程中会受到四周空气流动的影响。建立液滴蒸发速率公式后，对公式进行定量分析并对影响因素进行定性试验，便可将蒸发速率控制在一定的范围内。同时，对部分影响较大的因素进行加强，便可将其应用于废水的蒸发浓缩过程，以达到废水浓缩减量的目的。

通过整合液滴蒸发速率表达公式 dw ∕ dt =

KX A( xw - x)、球形液滴在静止空气中的传质表达式Sh = KX D ∕ Dv 以及球形液滴的总传递系数表达式Sh = 2 + k1 ( Re)x (Sc)y（通常 k1取 0. 60，x 取 0. 50，y 取0. 33）可得到蒸发速率公式dw ∕ dt 为蒸发速率；Dv 为溶液的扩散系数；A为传质面积；D为液滴直径；uR 为液滴和空气介质的相对速度；ρa，μa为空气的密度和黏度；x 为液滴表面空气含湿量；xw为空气的饱和含湿量；xw-x 为以含湿量差表示的传质推动力；Re 为雷诺数；Sc 为施密特数。

通过分析公式所需要的数据，可推导出具体的影响因素。

2. 2 液滴蒸发的影响因素

假设液滴形状为理想的球形，设其体积为定值

V，则粒径与蒸发表面积S的关系可表示为下式

6V ∕ π为定值，由此可推知蒸发表面积 S 的大小与液滴粒径 d 成反比，而蒸发表面积越大的物体蒸发速率越高，因此，当液滴粒径在一定范围内尽可能小时，蒸发速率也会随之加大。

蒸发速率公式中：x-x可由与大气压、水蒸气分压以及空气温度有关联的计算来表示，因此温度、大气压对蒸发存在一定的影响；湿空气密度 ρa是与相对湿度有关的参数，因此相对湿度也是影响因素之一；扩散系数 Dv 是随着温度升高而变大的，因此温度对蒸发的影响更加明显。

2.3 其他因素

在环境因素中，由Dalton 蒸发定律进行拓展分析，将液滴扩大化后，考虑为一个蒸发整体，当饱和水汽压、实际水汽压与气压一定时，风速对液滴的蒸发也有很重要的影响。以此类推，处于实际蒸发过程的液体还受到太阳辐射的影响，辐射与水面蒸发计算公式为E = CE (w* Rs )，式中：Rs为按等效蒸发计算的太阳辐射量，mm；CE为取决于平均湿度与平均风速的修正系数；w*为取决于平均湿度与气压的权重系数［30］。

由以上公式可分析出，辐射与蒸发接近正比关系，因此辐射也是影响蒸发的一个因素。

综合以上分析可确定，对液滴蒸发过程存在影响的因素包括温度、风速、大气压、相对湿度、液滴直径以及太阳辐射等。这些影响因素也可以运用到后续强制蒸发的探究中去。

3 强制蒸发技术手段

通过以上分析得出一些可以应用于实际生产生活的方法，以此来加强蒸发过程。采用蒸发的方式处理废水一般都是固定地点，因此大气压、相对湿度的变化很小，可以暂时不考虑。（1）液滴直径的影响。液滴直径越小，液体的蒸发表面积越大，蒸发效果越好，所以可以将蒸发塘内的水雾化后喷出，通过加大蒸发面积来达到强化蒸发的目的。优的雾化液滴直径需要在实际试验中进行模拟计算。雾化装置的选择需要考虑池塘总的水体容积、池塘表面积、需要蒸发水的流量以及水体自身的物理化学特性等因素，这些因素直接影响雾化装置的运行效率以及终的蒸发效果。

（2）温度的影响。强制蒸发过程中温度的影响不仅是大气温度的影响，而且还包括额外加热的影响。工厂运行过程中产生的多余蒸汽可以用来对蒸发塘进行间接加热，提高水温，增加蒸发量［31］。而在蒸发塘顶部加装太阳能电池板或太阳能集热器后产生的电能与热能，也可继续应用于强制蒸发过程。

（3）风速的影响。风速在一定范围内加大，可以加强蒸发的进程，因此风力的增加有助于强化蒸发过程［32］。但过大的风速可能会将雾化的液滴吹离蒸发塘，水体内含有的污染物也会随着液滴扩散到周围的土壤环境中，造成新的环境污染。因此，有必要设置挡风板等减少风吹损失，以防止对环境造成二次污染。

4 机械雾化蒸发技术的应用

我国西北地区幅员辽阔、气候干旱、降雨量少，因此机械雾化蒸发技术的使用较多。多个电厂以及内蒙古、新疆等多个煤化工企业或园区都建设了蒸发塘，应用机械雾化蒸发技术处理工业废水。实践表明，该技术蒸发速度是自然蒸发的 10～14 倍，且不会产生二次污染，能耗低、运行可靠、处理效率高［33］。

但机械雾化蒸发技术的应用也同样存在一些缺点：缺少相应的技术规范和标准，使得整个设备的建设运行与管理没有统一标准［34］；由于设备运行需要蒸发塘，所以占地面积会比较大；降雨会对设备运行效率产生影响；废水存在通过蒸发塘底部渗入地下的可能［35］；过大的风力可能会将喷雾液滴携带走，造成环境污染，还需要在使用过程中探索减少风吹损失的方法。

改进的措施包括：按《危险废物安全填埋处置工程建设技术要求》和《危险废物填埋污染控制标准》的要求加强蒸发塘的防渗建设［36］；蒸发塘周边进行雨水阻断的建设，防止暴雨时雨水进入蒸发［塘；如果周边有环境敏感区，蒸发塘周围可布置挡风板等，以防液滴吹入周围环境中。

5 多能耦合的机械雾化蒸发设想

通过对蒸发理论的分析可以得出多种对蒸发有促进作用的因素，因此可以考虑将这些因素的正向影响施加在单一的机械雾化蒸发技术中，形成多能耦合的机械雾化蒸发技术，从而促进蒸发效率的提高。

在电厂应用过程中，如果条件允许，可将低温烟气引入蒸发塘，使需要处理的废水升温，加速水体蒸发。另外，可以将太阳能的应用引入其中，一方面可由太阳能电池板发电，产生的电能用以驱动蒸发塘附属设备，另一方面可以采用太阳能集热器收集热能，与处理中的水体换热，进一步强化蒸发过程；同时，太阳能电池板还可以作为蒸发塘的挡板，以减少雨水的回流。

6 结论

（1）自然蒸发技术相较于其他废水处理技术有着不少优势，但效率较低、占地面积较大、对气候敏感、对地下水防渗及周边环境防护要求较高等缺点制约了这一技术的推广。

（2）将强制蒸发手段引入自然蒸发中，形成机械雾化蒸发技术。这一技术通过将蒸发塘中的废水进行雾化，增加废水与空气的接触面积，达到了增强蒸发效果的目的。

（3）机械雾化蒸发技术与原来的自然蒸发技术相比，明显减少了蒸发塘的占地面积，在运行效率、稳定性、经济性与适用性上也有着不少优势。但在机械雾化蒸发技术建设与运行过程中，要时刻检测周围环境变化，防止对环境造成二次污染。

（4）机械雾化蒸发技术与太阳能、蒸汽换热或其他强制蒸发方法的联合使用使这一技术拥有了一定的创新空间。在权衡实用性与经济性后，可以得到一个适合各地区气候环境的优化方案。