0 引 言
随着环保排放要求的不断提高，脱硫废水从达标排放向零排放是工业污水治理发展的重要方向之一。目前废水零排放技术，存在多种技术路线，如多效蒸发、MVR、烟气余热蒸发等多种路线，其中烟气余热蒸发由于其投资和运行成本具有显著优势，近年来得到广泛关注[1-4]。
在废水烟道蒸发零排放技术中，理想情况下，废水蒸发出的盐颗粒，将被烟气携带走，进入后端除尘器，与烟气中的粉尘一起被除尘器捕获；但是，在实际运行中，由于废水蒸发不完全、喷枪布置不合理等原因，使得盐颗粒和粉尘在烟道沉积，进而诱发烟道结垢、堵塞等问题，严重影响机组的稳定运行。该问题是目前限制废水蒸发技术路线应用的重要因素[5,6]。废水烟道蒸发零排放技术的实质是，含盐废水经雾化喷枪加压和雾化后，以离散态喷入烟道与烟气充分接触，利用烟气的热量使得液态水蒸发为气态水的过程。如何利用现有烟道结构，匹配布置合适的喷枪位置，选用合适的喷嘴参数是实现系统稳定运行，防止堵塞、结垢等问题出现的前提条件。
利用CFD模拟废水蒸发过程，对于指导相关的参数设计，预测系统性能，具有重要意义[7-15]。王晓焙等[7]针对旁路烟道废水喷雾干燥过程进行了数值模拟，分析了喷雾干燥塔内烟气流动、温度分布和变化规律；马双忱等[8]针对某300 MW机组提出的脱硫废水喷雾蒸发处理技术和方案进行CFD模拟验证，分析了雾化粒径、入口温度对蒸发性能的影响；张子敬等[9]对燃煤电厂脱硫废水烟气蒸发过程进行了气液两相模拟，获得了烟道内气液变化规律及各组分浓度和颗粒群分布; Deng等[10]利用CFD系统分析了DEWETS系统内操作条件对蒸发性能的影响，提出优化优案。
本文针对某2×350 MW机组主烟道废水蒸发过程进行了气液两相模拟，分析了烟道内的气液两相变化特征，以及相关操作参数对系统蒸发性能的影响，用以指导废水蒸发系统工艺的设计。
1 物理模型和边界条件
1.1 物理模型
按350 MW机组入口烟道1∶1进行建模，入口矩形烟道尺寸为7628 mm×2708 mm，圆形烟道直径为3920 mm。分别在烟道1和烟道2竖直段布置废水喷射点，喷射点位于所在截面中心；如无特殊说明，喷嘴喷口竖直向上，液滴沿烟气方向喷射。相关烟道物理结构和喷射点如图1所示。
图1 计算物理模型及网格划分
Figure 1 Physical models and mesh generation
1.2 边界条件
不同负荷下烟道入口的烟气参数如表1所示。
表1 不同负荷下入口烟气参数
Table 1 Flue gas parameters under different load
负荷/%烟气质量流率/(kg/s)烟温/K50129.34391.1575168.59408.45100254.88420.15
烟道入口采用质量入口边界条件，出口采用压力出口边界，喷枪采用实心锥形喷枪，单支喷枪喷射流量为1000 kg/h。
2 数值方法
计算模型采用混合网格，根据烟道当地结构分别采用六面体和四面体网格，相邻网格结点间距为100 mm，网格单元数为681263，将网格进行加密，网格单元数增加到1020024，模拟结果无明显变化。
采用商业软件FLUENT求解连续性方程、动量方程、能量方程等相关控制方程。采用有限容积法对基本方程进行二阶迎风离散，速度压力耦合采用SIMPLE算法，压力修正采用PRESTO方案。当相关控制方程残差值分别<10-4时，认为计算结果收敛。
3 结果和分析
3.1 气液流动及温度变化和分布规律
图2比较了有无喷水工况下，烟道内的烟气流动情况。可知：有/无喷水情况下，烟气迹线几乎完全一致，这表明从喷枪喷射出的废水液滴对烟气总体的流动情况影响较小。在计算模型中，总负荷工况下烟气的质量流率为254 kg/s，而废水的质量流率仅为0.55 kg/s，约占烟气质量的0.22%，因此废水的喷入对系统的质量和动量守恒影响都较小。另外可注意到，在烟道入口水平段和竖直段烟气迹线整体较为规则，但烟气到达上部圆形烟道时，由于多次转向，烟气存在明显的偏流和旋转趋势。烟气的旋转一方面有利于促进气液混合，强化传质；但另一方面易使未蒸发的液滴向壁面撞击，诱发壁面结垢等不利影响。
图2 未喷水和喷水条件下烟气迹线
Figure 2 Path lines of flue gas without and with water in jected
液滴在烟道内的蒸发过程和运动迹线如图3所示，在此工况条件下，液滴喷入烟道后逐步蒸发，在上部烟道转角处蒸发完全。另外，粒子追踪统计数据显示(表2)，此工况条件下未出现液滴碰壁现象。
图3 液滴粒子追踪迹线
Figure 3 Traces of the liquid droplets
表2 粒子状态统计
Table 2 Statistics for liquid droplet states
追踪粒子数量逃逸蒸发壁面捕获50005000
图4展示了离喷口竖起距离为4 m的截面和出口截面水蒸气质量分数分布。
图4 不同截面水蒸气质量分数分布
Figure 4 Mass fraction distribution under different cross-sections
由图4a可看出:液滴经喷嘴喷出后，由于喷射角度较小，在较短距离内无法使得水蒸气迅速扩散在整个截面，而是局限在截面的1个较小区域；待水滴完全蒸发，且经过较长距离混合后，水蒸气基本在烟道内扩散完全；同时由于烟气旋转使得在靠近边缘的局部区域水蒸气浓度较高，局部区域浓度较低，整个烟道截面水蒸气分布不均匀。烟道中水蒸气浓度不均，意味着烟道各处烟气的局部含湿量有差异，其所对应的水(酸)露点温度不同，水蒸气浓度高对应的露点温度高，水蒸气浓度低对应的露点温度低。在烟道保温较理想的情况下，烟道壁温与烟气温度基本相同，水蒸气在烟道内始终是以气态形式存在，此情况下水蒸气浓度分布对系统运行无显著影响。但是，除尘器与烟道连接处，以及烟道转折处，通常采用软性材料(金属膨胀节)连接，普遍存在保温不良或漏风情况，此区域烟道壁温度较低，若在靠近烟道壁附近区域水蒸气浓度较高，此时在烟道壁存在更高的结露风险，可能诱发酸腐蚀等问题。
3.2 喷枪参数的影响
3.2.1 喷射粒径的影响
图5展示了液滴运动轨迹随粒径dp的变化规律。可知：随着粒径的增加，液滴的运行轨迹变长；在粒径<60 μm时，液滴蒸发距离较短，离上部烟道顶面距离较远，发生碰壁可能性较小；而当粒径>60 μm时，液滴运动终点靠近上部烟道顶面，存在碰壁风险。颗粒统计数据表明，当粒径为80 μm时，烟道壁发生了碰壁现象，碰壁液滴数占总液滴数的1.4%。
图5 不同粒径下液滴运动轨迹
Figure 5 Traces of liquid droplets under different diameters
不同粒径下液滴蒸发时间及蒸发距离如图6所示。可知：随着液滴粒径从40 μm增加到80 μm，液滴完全蒸发所需的时间(蒸发时间)从0.26 s增加到0.62 s；液滴完全蒸发所需的距离(蒸发距离)从6.15 m增加到13.41 m。由图6可知：蒸发时间t和蒸发距离L与液滴粒径dp近似呈线性关系。
— 蒸发时间； 
— 蒸发距离。
图6 不同粒径下的液滴蒸发时间和蒸发距离
Figure 6 Required time and distance of liquid droplet evaporation completely under different droplet diameters
3.2.2 喷射角度的影响
图7所示为不同喷嘴角度下喷射液滴的运动轨迹。可知：随着喷嘴角度的增加，液滴在烟道中的覆盖范围增加，气液接触更充分，液滴蒸发完成时间略有下降；液滴喷射角度从45°增加到120°时，烟气蒸发时间从0.434 s减小到0.418 s。但是，由于喷射角度的不同会带来液滴运动过程中的速度差异，使得上述过程中蒸发距离并未随着蒸发时间的下降而下降(图8)，在喷射角度为90°时，蒸发距离最短，其值为9.38 m；在喷射角度为120°时，蒸发距离最大，其值为9.71 m。
3.2.3 喷射方向的影响
图9分别为顺流、逆流和垂直于烟气运动方向3种工况的液滴颗粒运动轨迹。可知：顺流和垂直于烟气喷射时液滴的运动轨迹较为接近；而逆流喷射相对于上述2种工况，粒子运动轨迹覆盖面积较小，和烟气的接触相对不充分。因此，使得3种喷射方式中，其需要的蒸发时间最长达0.506 s，而顺流和垂直烟气运动方向喷射时所需的蒸发时间分别为0.426，0.422 s(图10a)。但是，逆向喷射时，液滴和烟气存在逆向接触和减速过程，使得其在蒸发过程中的平均速度较小，从而造成三者中其蒸发距离最小，其值为9.29 m；而顺流和垂直烟气运动方向喷射时蒸发距离分别为9.47，9.50 m(见图10b)。
图7 不同喷射角度下液滴运动轨迹喷射角度示意
Figure 7 Traces of liquid droplets under different with injection-angles and sketch of injection-angle
— 蒸发时间； 
— 蒸发距离。
图8 不同喷射角条件下液滴蒸发时间和蒸发距离
Figure 8 Required time and distance of liquid droplet evaporation completely under different injection-angles
3.3 锅炉负荷响应特性
图11为不同锅炉负荷下液滴蒸发过程轨迹。随着负荷下降，烟气温度和速度随之降低，蒸发相变过程减缓，液滴蒸发完全所需时间增加。如图12a所示，当负荷从100%减少到50%过程中，液滴蒸发时间从0.426 s增加到1.07 s。但是，随着烟气流速的下降，液滴颗粒的平均运动速度也下降，使得液滴蒸发完全所需的距离并未随着蒸发时间的延长而线性增加。如图12b所示，100%负荷和75%负荷时蒸发距离基本相同，分别为9.39，9.47 m；负荷由75%减少到50%时，蒸发距离显著增加，从9.47 m增加到11.39 m。
图9 不同喷射方向喷射液滴运动轨迹
Figure 9 Traces of liquid droplets under different injection-directions
图10 不同喷射方向液滴蒸发时间和蒸发距离
Figure 10 Required time and distance of liquid droplet evaporation completely under different injection-directions
4 结 论
1)液滴喷射对烟气流动影响较小；在适当条件下可使液滴颗粒在烟道内完全蒸发；滴液蒸发产生的水蒸气需要较长距离才能在整个烟道内充分扩散。
2)随着喷射粒径增加，蒸发时间从0.26 s增加到0.62 s；蒸发距离从6.15 m增加到13.41 m；蒸发时间t和蒸发距离L近似与液滴粒径dp呈线性关系; 当粒径为80 μm时，可发生液滴碰壁现象。
图11 不同锅炉负荷液滴运动轨迹
Figure 11 Traces of liquid droplet under different load
图12 不同锅炉负荷液滴蒸发时间和蒸发距离
Figure 12 Required time and distance of liquid droplet evaporation completely under different load
3)喷嘴角度的增加可提高气液的接触面积，降低液滴完全蒸发所需时间；喷射角度为90°时，蒸发距离最短，其值为9.38 m；喷射角度为120°时，蒸发距离最大，其值为9.71 m。
4)3种喷射方向中，逆流喷射蒸发时间最长，但其蒸发距离最短。
5)随着负荷降低，蒸发时间延长；负荷由75%降低至50%时，蒸发距离有显著提升。
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