摘 要：隨著我國法律法規(guī)及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，火電廠實施脫硫廢水零排放已迫在眉睫。煙氣蒸發(fā)技術(shù)工藝簡單，投資及運行成本較低，已成為終端廢水零排放的主流方法。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于煙氣蒸發(fā)技術(shù)中的煙氣流體和液滴蒸發(fā)的數(shù)值模擬。歸納了液滴蒸發(fā)機理、氣液兩相流及其數(shù)值研究現(xiàn)狀，總結(jié)了煙氣蒸發(fā)技術(shù)中的 CFD 數(shù)值方法和結(jié)果，為后續(xù)煙氣蒸發(fā)技術(shù)的工程實踐提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，并提出該技術(shù)未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：脫硫廢水；零排放；煙氣蒸發(fā)；CFD數(shù)值模擬；低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)

0 引言

2018 年，全國全口徑發(fā)電量 6994. 0 TW·h，火電發(fā)電量 4923. 1 TW·h，占全國發(fā)電量的 70. 4%?？梢娢覈碾娫唇Y(jié)構(gòu)仍以火電為主，但火電廠燃燒大量化石燃料并向環(huán)境中釋放大量的 SO2，不僅會對人體健康造成危害，而且還會作為酸雨、灰霾等前體物造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。石灰石-石膏濕法脫硫（FGD）工藝技術(shù)成熟，脫硫效率高，可靠性高，應(yīng)用廣泛，約占已安裝總脫硫機組容量的 90%。FGD 系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生的脫硫廢水，具有腐蝕性、高鹽、高重金屬含量等特性，成分復(fù)雜，成為了火電廠最難處理的廢水之一。2015 年，國家先后發(fā)布《水污染防治行動計劃》（又稱“水十條”）、《火電廠污染防治技術(shù)政策》和《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》，要求加強對各類水污染的治理力度，明確提出“脫硫廢水應(yīng)經(jīng)中和、化學(xué)沉淀、絮凝、澄清等傳統(tǒng)工藝處理，鼓勵利用余熱蒸發(fā)干燥、結(jié)晶等處理工藝”。隨著國家法律法規(guī)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，火電廠實施脫硫廢水零排放項目已迫在眉睫。

2017 年 6 月 1 日，國務(wù)院印發(fā)《火電廠污染防治最佳可行性技術(shù)指南》，推薦采用煙氣蒸發(fā)干燥、結(jié)晶等工藝實現(xiàn)電廠脫硫廢水近零排放。

其中，煙氣蒸發(fā)技術(shù)工藝具有系統(tǒng)簡單，安全高效，不會造成二次污染，投資費用和運行費用較低等特點，已逐漸成為主流的脫硫廢水零排放工藝。煙道中的噴嘴及其布置方式、液滴粒徑、煙氣溫度與速度等因素均會影響脫硫廢水霧化蒸發(fā)效果，需結(jié)合電廠實際情況及鍋爐工況進行模擬優(yōu)化設(shè)計。

隨著計算機技術(shù)和流體力學(xué)的發(fā)展，二者的交叉分支學(xué)科——計算流體力學(xué)（CFD）在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。CFD 以計算機為工具，很好地解決了人們在研究復(fù)雜流動現(xiàn)象時出現(xiàn)的測量精度偏差、外界干擾、人力物力不足及求解偏微分方程等復(fù)雜方程不精確等一系列問題，操作簡單快捷，結(jié)果展現(xiàn)直觀、形象，已成為工程公司設(shè)計與科研模擬不可或缺的工具。

近年來，利用 CFD 模擬煙氣蒸發(fā)工藝中液滴、煙氣流體行為的研究越來越多，大大簡化了現(xiàn)實的實驗操作和理論分析，推動了煙氣蒸發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展。本文歸納了液滴蒸發(fā)機理、氣液兩相流及其數(shù)值研究的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了煙氣蒸發(fā)技術(shù)中的數(shù)值方法和結(jié)果，并提出了其未來的發(fā)展方向。

1 理論基礎(chǔ)

1 .1 液滴蒸發(fā)特性

霧化過程和單液滴的蒸發(fā)特性決定了液滴群的蒸發(fā)過程，因此在煙氣蒸發(fā)技術(shù)中液滴群蒸發(fā)時的軌跡、傳熱、傳質(zhì)機理與單液滴蒸發(fā)機理相同，對液滴群的蒸發(fā)研究是建立在對單個液滴研究的基礎(chǔ)之上的。液滴在與熱的煙氣流接觸時，液滴的溫度遠(yuǎn)小于煙氣溫度，其蒸發(fā)經(jīng)歷了 2個階段：非穩(wěn)態(tài)階段和穩(wěn)態(tài)階段。初始階段為非穩(wěn)態(tài)階段，在這一階段中，液滴從煙氣中吸收的熱量絕大部分用來升高液滴的溫度，液滴與煙氣的溫差逐漸減小，減弱了煙氣對液滴的傳熱量；同時，隨著液滴溫度的升高，液滴表面蒸發(fā)加速，蒸發(fā)過程中液滴吸收的蒸發(fā)潛熱也不斷增多，使液滴內(nèi)的溫度場分布更加均勻。當(dāng)液滴的溫度達(dá)到某一溫度值時，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段，液滴的溫度不再改變，液滴從煙氣中吸收的熱量全部用來蒸發(fā)液滴，液滴在這一溫度下持續(xù)蒸發(fā)直至汽化結(jié)束。

文獻提出經(jīng)典液滴蒸發(fā)模型，模型假設(shè)：（1）液滴為球?qū)ΨQ；（2）忽略輻射；（3）氣體邊界層是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的；（4）煙氣和水蒸氣為理想氣體；（5）液滴溫度場均勻；（6）符合菲克（Fick）擴散定律等。還提出單液滴周圍關(guān)于溫度及化學(xué)組分的液滴蒸發(fā)雙膜模型。文獻最早提出用于估算液滴蒸發(fā)過程的 D2定律，但該模型沒有恰當(dāng)?shù)乜紤]液相的傳熱傳質(zhì)，是一個純氣相模型。文獻考慮液滴內(nèi)部環(huán)流的影響，應(yīng)用了層流氣相方程，發(fā)展了液滴蒸發(fā)的純理論模型，并提出蒸發(fā)液滴表面上的氣相流動是非穩(wěn)態(tài)流動。文獻提出在一定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)液滴粒徑較大時，才需考慮高溫氣體對液滴蒸發(fā)的輻射影響。文獻根據(jù)蒸汽守恒方程和傳熱方程，推導(dǎo)出在高壓下燃油液滴的蒸發(fā)速率與溫度變化率的關(guān)系式。文獻提出，液滴在非穩(wěn)態(tài)階段時，蒸發(fā)只取決于擴散，為不平衡蒸發(fā)；在穩(wěn)態(tài)階段時，為擴散與傳熱相平衡的蒸發(fā)，并根據(jù)能量平衡，分別建立了 2 個階段中擴散形式的水液滴蒸發(fā)關(guān)系式及傳熱形式的水液滴蒸發(fā)關(guān)系式。文獻建立了液滴的溫度關(guān)系式，分析液滴在氣流中的受力并建立了液滴運動方程。文獻對水液滴與煙氣之間無相對運動和有相對運動 2種工況進行數(shù)學(xué)分析，建立了 2 種工況下液滴直徑和蒸發(fā)時間的關(guān)系式。文獻計算了初始速度為零的單液滴在高溫燃?xì)庵械倪\動及蒸發(fā)全過程。

1.2 數(shù)值研究進展

文獻數(shù)值研究了環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)的影響，提出了相平衡由環(huán)境壓力和液滴溫度共同決定，且環(huán)境溫度越高，環(huán)境壓力對液滴噴霧蒸發(fā)的影響越大。文獻研究結(jié)果表明，環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)的影響還與氣流相對速度有關(guān)，但溫度是主要原因。文獻采用零維液滴模型，研究了在強、弱對流條件下環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)的影響。文獻使用離散多組分液滴模型，對多組分燃料噴霧的蒸發(fā)進行了數(shù)值模擬，得出了液滴初始溫度主要影響蒸發(fā)早期階段，后期蒸發(fā)速度與液滴初始溫度無關(guān)的結(jié)論。文獻引入非平衡動力學(xué)，考慮了液滴相變中的非平衡過程對蒸發(fā)的影響，彌補了液滴相變過程中隨著液滴尺寸的減小，蒸汽速度無限增大的缺陷。文獻認(rèn)為液滴內(nèi)部的熱量傳遞由液滴內(nèi)部熱傳導(dǎo)以及液滴與氣體相對運動產(chǎn)生摩擦引起的內(nèi)部水平對流 2 部分組成，認(rèn)為氣相熱量和質(zhì)量傳遞是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。文獻對包含蒸發(fā)的噴霧過程進行三維數(shù)值模擬，獲得了噴霧液體蒸汽濃度場場強云圖和等勢線圖。文獻建立了新的描述液滴間碰撞和聚合過程的數(shù)學(xué)模型，提高了計算效率和精度，采用歐拉-拉格朗日法對噴霧蒸發(fā)進行了三維數(shù)值模擬。

已有研究結(jié)合液滴蒸發(fā)特性，建立多種液滴蒸發(fā)模型，采用多種數(shù)值方法，將液滴蒸發(fā)過程更加直觀、可視化，為之后數(shù)值研究煙氣蒸發(fā)技術(shù)提供了規(guī)范和指導(dǎo)。了規(guī)范和指導(dǎo)。

1. 3 氣液兩相流的數(shù)值研究

煙氣蒸發(fā)工藝中的煙氣和脫硫廢水液滴在煙道中的流動為氣液兩相流，目前，關(guān)于氣液兩相流的研究還不甚透徹，大多工程設(shè)計都需要通過試驗研究、仿真模擬或?qū)嵉販y量建立經(jīng)驗關(guān)系式。由于試驗測試設(shè)備條件的限制，以及人力、物力不足，僅通過試驗研究或?qū)嵉販y量很難全面準(zhǔn)確地收集到氣液兩相流的流動特性的有用信息。因此，利用CFD 數(shù)值模擬可以獲取氣液兩相流的全部信息，再通過試驗數(shù)據(jù)驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性并進一步對工程設(shè)計進行優(yōu)化。

氣液兩相流的數(shù)值模擬就是對氣相、液相，以及氣液兩相之間相互耦合作用的模擬，目前主要通過以下2種數(shù)值方法進行研究。

（1）歐拉-歐拉雙流體模型：該模型將氣相作為連續(xù)介質(zhì)，液滴作為擬流體，認(rèn)為液滴與氣相是共同存在并相互滲透的連續(xù)介質(zhì)。

（2）歐拉-拉格朗日離散顆粒模型：該模型將氣相作為連續(xù)相，在歐拉坐標(biāo)系下求解納維-斯托克斯（N-S）方程，液滴作為離散相，在拉格朗日坐標(biāo)系下研究液滴的運動。

目前，脫硫廢水煙氣蒸發(fā)技術(shù)相關(guān)研究已開展了很多，包括液滴蒸發(fā)特性和液滴氣動破碎特性研究。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，煙氣蒸發(fā)技術(shù)和氣液兩相流的理論研究發(fā)展迅速并不斷趨于成熟。

2 煙氣蒸發(fā)技術(shù)中的數(shù)值模擬

目前研究最多、最廣泛的煙氣蒸發(fā)技術(shù)為低溫?zé)煹勒舭l(fā)。該工藝如圖 1 所示，將脫硫廢水泵送至空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）與除塵器間煙道中，利用壓縮空氣將脫硫廢水通過氣液兩相流霧化噴嘴霧化成液滴，霧化液滴與煙道中 120~140 ℃煙氣接觸換熱，快速蒸發(fā)，原脫硫廢水中鹽分、重金屬等物質(zhì)與煙氣中的粉塵一起被除塵器所捕集。圖中SCR 表示選擇性催化還原技術(shù)，AH 表示空氣預(yù)熱器，ESP表示靜電除塵器，F(xiàn)GD表示脫硫吸收塔。但低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)受電廠負(fù)荷影響比較明顯。

目前火電廠負(fù)荷普遍較低，在較低負(fù)荷下空預(yù)器后煙氣溫度降低至 110 ℃，難以將廢水霧化液滴完全蒸干。為克服該技術(shù)這一缺點，高溫旁路蒸發(fā)技術(shù)逐漸受到關(guān)注，如圖 2 所示。該技術(shù)建立獨立的高溫旁路蒸發(fā)器，從 SCR 后空預(yù)器前抽取部分300~350 ℃熱煙氣對廢水霧化液滴進行干燥，蒸發(fā)器出口接原煙道，蒸發(fā)產(chǎn)物鹽分等進入除塵器被捕集。高溫旁路煙氣蒸發(fā)技術(shù)根據(jù)霧化器和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的不同可分為旁路蒸發(fā)塔技術(shù)和旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)。

2. 1 數(shù)學(xué)模型

文獻研究表明，在大氣環(huán)境下，單組分代替液滴可以在很寬的范圍內(nèi)模擬 2組分液滴的蒸發(fā)過程，故很多研究中均以水液滴代替酸、堿、鹽溶液液滴，模擬研究煙氣蒸發(fā)工藝。液滴在流場中的流動需遵循三大守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

2. 1. 1 液滴軌跡模型

根據(jù)氣液兩相流理論，流場中運動的顆粒受曳力、重力、虛擬質(zhì)量力、熱泳力等，對于微小液滴而言，只需考慮曳力和重力，其他作用力均可忽略。根據(jù)牛頓第二定律，液滴的動量方程可描述為

顆粒軌跡具體求解方程可描述為

式中：z 為顆粒位置，求解方程（4）可得到顆粒的位置軌跡。

若在每個小的時間間隔內(nèi)，體積力等各項保持常數(shù)不變，方程（4）可簡寫為

2. 1. 2 液滴的傳熱、傳質(zhì)計算

為便于計算，可對該模擬做如下假設(shè)：

（1）液滴為對稱球形，蒸發(fā)均勻，內(nèi)部溫度場均勻，忽略液滴間的互相碰撞；

（2）煙氣速度較小，視為不可壓縮流體；

（3）對流換熱僅發(fā)生在液滴與煙氣之間，煙道壁視為“絕熱壁面”；

（4）不考慮熱輻射效應(yīng)；

（5）煙道中布置的噴嘴視為點源，忽略其體積對煙氣的影響；

（6）液滴周圍的環(huán)境壓力遠(yuǎn)低于液滴的臨界壓力，忽略氣體的可溶性。

（1）當(dāng)Tp（液滴瞬時溫度）<Tvap（臨界蒸發(fā)溫度）時，液滴從煙氣中吸收的熱量全部用于升高溫度，不發(fā)生相變，液滴與煙氣之間無質(zhì)量交換。此時，液滴的對流傳熱熱平衡方程為

其中對流傳熱系數(shù) h 由 Ranz-Marshell 關(guān) 系式推導(dǎo)得出

（2）當(dāng) Tp<Tvappbp（液滴中蒸發(fā)組分的沸點溫度）時，液滴從煙氣中吸收的熱量一部分用于升溫，一部分用于組分氣化，開始發(fā)生相變，煙氣與液滴之間進行傳質(zhì)。此時，液滴的熱平衡方程為

當(dāng)液滴開始發(fā)生相變時，液滴蒸汽向煙氣中的擴散率即液滴與氣相之間的蒸汽梯度，將影響液滴的蒸發(fā)量，可描述為

其中傳質(zhì)系數(shù) ki由舍伍德數(shù) Sh推導(dǎo)得出

（3）當(dāng) Tp≥Tpbp（液滴沸點溫度）時，液滴溫度保持不變，液滴吸收的熱量全部用于液滴的沸騰蒸發(fā)直至蒸發(fā)結(jié)束。此時，液滴的沸騰蒸發(fā)速率方程為

2. 1. 3 氣相控制方程

氣體連續(xù)性方程:

脫硫廢水煙氣蒸發(fā)技術(shù)的數(shù)值模擬中氣相流體常用標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型，湍流方程如下。湍流動能方程

擴散方程

CFD 數(shù)值模擬主要通過對以上方程進行離散求解和大量迭代，即可得到液滴的運動軌跡、煙道中連續(xù)的溫度場、速度場等結(jié)果。

2. 2 物理模型與數(shù)值方法

對低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)進行數(shù)值模擬，需結(jié)合火電廠實際的煙道尺寸結(jié)構(gòu)、鍋爐負(fù)荷和煙氣情況等。以某一機組入口煙道進行 1∶1 建模，并在合適的位置布置噴嘴，以某一負(fù)荷下實際煙氣流量、煙氣溫度、速度等設(shè)置邊界條件。

劃分網(wǎng)格是建立物理模型的重要環(huán)節(jié)，在模擬過程中要盡量劃分更高質(zhì)量的網(wǎng)格以滿足工程需要的計算精度及計算收斂性。因此在導(dǎo)出網(wǎng)格進行 計 算 之 前 ，需 檢 查 生 成 網(wǎng) 格 的 網(wǎng) 格 扭 曲 度（EquiSize Skew），檢查合格才能進行計算。在對廢水蒸發(fā)技術(shù)的數(shù)值模擬中，劃分網(wǎng)格時，一般使用Gambit 或 ICEM CFD（網(wǎng)格生成軟件）將模型劃分為六面體網(wǎng)格或一部分為六面體網(wǎng)格，一部分為四面體網(wǎng)格。

采用 CFD 軟件求解連續(xù)性方程、動量方程等相關(guān)控制方程。一般選擇適用于低速、不可壓縮流體的基于壓力的求解器，采用有限容積法對方程進行二階迎風(fēng)離散，壓力與速度耦合采用 SIMPLE 算法（對壓力連接方程的半隱式方法），壁面設(shè)為絕熱壁面。相關(guān)控制方程殘差值一般應(yīng)小于 10-6~10-4認(rèn)為算法收斂。湍流模型廣泛應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型，也可采用標(biāo)準(zhǔn) k-ξ 模型、標(biāo)準(zhǔn) k-ζ 模型等。采用歐拉-拉格朗日離散顆粒模型（DPM），煙氣作為連續(xù)相，在歐拉坐標(biāo)系下求解；液滴作為離散相，在拉格朗日坐標(biāo)系下求解。噴嘴類型設(shè)為實心圓錐，顆粒類型為液滴，因此需選擇組分模型為組分運輸模型。在計算中，可選擇離散相和連續(xù)相耦合計算，設(shè)定迭代步數(shù)，選擇穩(wěn)態(tài)跟蹤方式，可更準(zhǔn)確地展現(xiàn)液滴軌跡。

在對高溫旁路煙氣蒸發(fā)進行數(shù)值模擬時，仍需對電廠實際的噴霧干燥塔、蒸發(fā)塔或煙道等蒸發(fā)器進行 1∶1 建模，并以該電廠實際煙氣情況設(shè)置邊界條件。相關(guān)控制方程與低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)相同，求解方法、湍流模型等也基本相同。不同的是，若使用旋轉(zhuǎn)霧化器霧化脫硫廢水，F(xiàn)luent 軟件的內(nèi)嵌模型中沒有與之對應(yīng)的模型，需對旋轉(zhuǎn)霧化器重新建模，同時要改變液滴類型。

2.3 數(shù)值模擬的影響因素與討論

利用煙氣余熱對火電廠脫硫廢水進行蒸發(fā)處理的工藝，液滴群的蒸發(fā)質(zhì)量特性、液滴的完全蒸發(fā)時間和蒸發(fā)距離都是制約該工藝的關(guān)鍵問題。

2. 3. 1 液滴霧化粒徑

文獻的模擬結(jié)果顯示，液滴的霧化粒徑越小，則廢水液滴的蒸發(fā)時間越短，完全蒸發(fā)所需距離也就越短。文獻通過對數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行擬合，得出液滴的蒸發(fā)時間和蒸發(fā)距離與霧化粒徑成負(fù)線性關(guān)系。

液滴霧化粒徑越小，其達(dá)到臨界蒸發(fā)溫度所需的加熱時間越短，蒸發(fā)所需的熱量越少。根據(jù)傳熱傳質(zhì)理論，霧化粒徑越小，液滴的比表面積越大，更有利于液滴與熱煙氣進行換熱，所以蒸發(fā)速率就越快。但由于將廢水霧化為越小的顆粒，所消耗的能耗越多，運行成本越大。因此，在實際工程運用中，需結(jié)合電廠允許最大液滴蒸發(fā)距離，綜合考慮成本，選定合適粒徑的噴嘴。

2. 3. 2 噴嘴霧化錐角

噴嘴霧化錐角即噴射液滴邊界的夾角。文獻的模擬結(jié)果顯示，當(dāng)霧化錐角由 15°變化至120°時，液滴完全蒸發(fā)時間逐漸減小，液滴蒸發(fā)距離在霧化錐角為 90°時最小。這是因為隨著霧化錐角的增大，液滴在煙道中的覆蓋范圍越來越大，液滴群與煙氣接觸更加充分，氣液換熱效率更高。但由于噴射角度的不同，液滴在運動過程中的速度也會存在差異，這使得液滴蒸發(fā)距離與霧化錐角并非成線性關(guān)系。

同時，當(dāng)霧化錐角為 15°~50°時，由于霧化錐角過小，液滴群過于密集，氣液接觸不充分，液滴在煙道中不能完全蒸干。當(dāng)霧化錐角增大至 60°~65°時，廢水在煙道中才能得以完全蒸發(fā)。當(dāng)霧化錐角為 70°~90°時，由于霧化錐角過大，發(fā)生液滴撞擊煙道壁的現(xiàn)象，從而可能引發(fā)煙道壁面結(jié)垢或腐蝕。當(dāng)霧化錐角大于 90°后，由于氣液充分接觸，液滴蒸發(fā)速率加快，液滴碰壁的可能性也逐漸下降。

2. 3. 3 鍋爐負(fù)荷 （煙氣溫度與速度）

根據(jù)文獻的模擬，鍋爐的負(fù)荷越小，液滴蒸發(fā)速率越小，蒸發(fā)距離越長，若煙道長度過短，則有蒸發(fā)不完全的可能。鍋爐的負(fù)荷決定了煙氣的溫度與速度。而煙氣速度與液滴初速度的改變對液滴蒸發(fā)速率的影響都較小，所以歸根結(jié)底是煙氣溫度對液滴蒸發(fā)的影響。

文獻對煙氣溫度單因素對液滴蒸發(fā)的影響進行了模擬，結(jié)果顯示煙氣溫度越高，液滴蒸發(fā)速率越快，完全蒸發(fā)時間越短。根據(jù)對流傳熱相關(guān)原理，在較高的煙溫中，液滴與煙氣之間的溫差較大，單位時間內(nèi)液滴吸收的熱量越多，則可更快地達(dá)到沸騰溫度。還有很多學(xué)者對更多液滴蒸發(fā)影響因素進行了模擬，如噴嘴布置位置、布置方式、噴射方向、廢水流量等。文獻對脫硫廢水高溫旁路蒸發(fā)技術(shù)的相關(guān)影響因素進行了模擬。

3 課題組部分煙氣蒸發(fā)模擬結(jié)果

3. 1 霧化粒徑對液滴蒸發(fā)的影響

課題組對液滴霧化粒徑分別為 20，50，100，150μm 時液滴的蒸發(fā)時間進行模擬研究，得到了不同霧化粒徑下粒徑分布隨時間的變化結(jié)果，如圖 3所示。

從圖中看出不同粒徑液滴在加熱過程中的粒徑分布和完全蒸干的時間，20，50，100，150 μm 分別對應(yīng)的完全蒸干的時間為 0. 38，0. 74，1. 18，1. 24 s。由此可見，液滴粒徑越大，完全蒸發(fā)時間越長，液滴蒸發(fā)所需吸收的熱量越多。

3. 2 煙氣溫度對液滴蒸發(fā)的影響

對 383~433 K 范圍內(nèi)煙氣溫度對液滴蒸發(fā)的影響進行模擬研究，得到了不同煙溫下液滴顆粒的運動軌跡。模擬結(jié)果如圖 4所示。

從圖中可以看出，煙氣溫度越高，霧化液滴的蒸發(fā)量越多。因此空預(yù)器后煙氣溫度越高，廢水液滴在煙道中的蒸發(fā)越完全。

3. 3 利用數(shù)值模擬對高溫旁路蒸發(fā)進行優(yōu)化

對旁路蒸發(fā)器直徑分別為 2. 0，2. 2，2. 4 m，煙氣流速為 3，4，5 m/s 時，150~360 ℃時不同煙溫下氣速“雙因素”對蒸發(fā)時間的影響進行模擬探究，取恰好蒸干時的溫度為臨界蒸發(fā)溫度，模擬結(jié)果如圖 5所示。

從圖中可以看出，蒸發(fā)時間隨著煙氣溫度的升高，蒸發(fā)時間逐漸縮短，而且煙氣流速越高，需要蒸干的溫度越低，并且從蒸發(fā)溫度中看出，恰好蒸干時的溫度并沒有達(dá)到空預(yù)器前的 300 ℃以上。因此從節(jié)能的角度來看，可進行空預(yù)器前后配比抽氣用以蒸發(fā)廢水。即分別抽取空預(yù)器前后的高溫?zé)煔夂偷蜏責(zé)煔膺M行混合，控制混合后的煙氣溫度為最佳蒸發(fā)溫度。這樣可以減少空預(yù)器前高品級煙氣的抽氣量，提高對煙道余熱的利用率，從而減輕對鍋爐及空預(yù)器熱效率的影響。

4 CFD模擬發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)外學(xué)者主要從數(shù)值模擬結(jié)果反映液滴蒸發(fā)效果，煙氣蒸發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)理論與數(shù)值研究相對成熟，而該技術(shù)中存在的問題很少有研究對其進行優(yōu)化。采用 CFD 數(shù)值模擬可直觀反映液滴蒸發(fā)效果，為優(yōu)化煙氣蒸發(fā)工藝，進一步解決工況改變或操作條件影響蒸發(fā)的問題奠定基礎(chǔ)。針對現(xiàn)存煙氣蒸發(fā)技術(shù)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及 存 在 的 問 題 ，預(yù) 計 今 后 的 工 作 應(yīng) 集 中 在 以 下方面。

（1）利用模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙氣蒸發(fā)技術(shù)中設(shè)計的不合理之處，為煙氣蒸發(fā)技術(shù)改進提供方案。

（2）利用數(shù)值研究繼續(xù)完善液滴蒸發(fā)基礎(chǔ)理論和液滴蒸發(fā)模型，為煙氣蒸發(fā)技術(shù)工程實踐提供理論指導(dǎo)。

（3）鍋爐負(fù)荷的波動對低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)的蒸發(fā)效果影響頗大，應(yīng)研究如何在保持經(jīng)濟性的條件下提高低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)對鍋爐負(fù)荷變動的適應(yīng)性。

（4）完善 Fluent中如旋轉(zhuǎn)霧化器的模型，使 CFD數(shù)值模擬應(yīng)用更加方便。

（5）目前國內(nèi)外學(xué)者僅從數(shù)值模擬結(jié)果反映液滴蒸發(fā)效果，加之煙氣蒸發(fā)技術(shù)僅有極少數(shù)電廠安裝使用，未做到模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相結(jié)合，操作和運行經(jīng)驗較匱乏。應(yīng)盡量將模擬與試驗相結(jié)合，使結(jié)果更具指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語

隨著國家環(huán)保政策的推進，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，脫硫廢水零排放處理逐漸成為新的研究熱點。本文綜述了液滴、氣液兩相流的基礎(chǔ)理論及數(shù)值研究，以及脫硫廢水煙氣蒸發(fā)技術(shù)的數(shù)值研究現(xiàn)狀，分析了影響滴液蒸發(fā)能力和速率的各個因素，并提出利用 CFD 數(shù)值模擬煙氣蒸發(fā)技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)降低了電廠的水電消耗，實現(xiàn)了廢水零排放，卻受鍋爐負(fù)荷波動影響較大。分析認(rèn)為未來應(yīng)充分發(fā)揮 CFD 數(shù)值模擬優(yōu)勢，繼續(xù)發(fā)展完善液滴蒸發(fā)基礎(chǔ)理論與模型，著力解決煙道蒸發(fā)技術(shù)中存在的問題，推動煙氣蒸發(fā)技術(shù)的工程應(yīng)用。