常温喷雾蒸发处理含盐水蒸发特性研究

赵保华，高然，温佳琪，易祖耀，韩征飞

(1.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046；2.华北电力大学 环境科学与工程系，河北 保定 071003)

0 引言

浓盐水一般是指含盐量(以NaCl含量计)高于3.5%的溶液，主要来源于海水淡化、煤化工以及发电厂等工业排水[1]。火电厂湿法脱硫系统由于浆液的循环洗涤，造成盐分富集，为保持浆液中氯在一定浓度范围，脱硫系统必须外排一部分废水。根据DL/T 997—2006《火电厂石灰石-石膏湿法脱硫废水水质控制指标》，脱硫废水经“中和、絮凝、沉淀”三联箱工艺处理后，大部分悬浮物和重金属得以去除，余下的主要是含Cl-，SO42-等离子的高浓度盐水。随着国家《水污染行动防治计划》(“水十条”)的严格推进，发电行业废水“零排放”已成为趋势，脱硫废水作为末端废水，其深度处理备受关注。目前有应用实例的“零排放”技术包括强制蒸发、烟道蒸发、蒸发塔处理、机械喷雾蒸发等技术[2-5]，强制蒸发技术成本高昂、系统复杂；热力蒸发技术需对现有脱硫系统、烟道等进行改造[6]；而机械喷雾蒸发技术具有低成本、系统简单等优势，特别适用于干旱少雨的西部地区，具有较大的发展潜力[7]。此外，喷雾蒸发技术已工业应用于煤化工废水、矿山废水等工业废水处理领域[8]。

关于喷雾蒸发技术的研究已近50年，内容包括试验研究和数学建模，但研究对象主要是纯水[9-16]。近年来，部分学者研究喷雾蒸发处理浓盐水，但蒸发介质为热空气，集中于多级闪蒸、多效蒸发、烟道蒸发技术[17-21]。此外，工程领域蒸发研究集中于水体表面蒸发速率，主要研究方法是通过归纳总结试验测量数据得到经验公式；Dalton首次提出了水面蒸发量与风速、水汽压差的经验函数关系[22]，Peman进一步根据水面蒸发的形成机制，将空气动力学方程和能量平衡方程联解，得出计算水面蒸发量的组合型公式，李万义、施成熙、童宏良等根据我国实际情况对Dalton，Peman公式参数进行了修正[23]。因此，喷雾蒸发结合蒸发塘技术处理浓盐水工业废水的蒸发效率需要进一步量化研究，特别是蒸发速率、环境对蒸发效率的影响问题等是可行性应用的关键。

本文设计了一种浓盐水常温喷雾蒸发处理系统，对模拟浓盐水进行室外喷雾蒸发研究，考察了系统参数、环境因素等对蒸发特性的影响规律，旨在为工业废水浓盐水深度处理技术的系统调控、处理能力等方面提供理论参考。

1 纯水喷雾蒸发理论影响因素

现有理论是以纯水为研究对象，建立雾滴-空气运动的单液滴蒸发速率模型[24]。蒸发中大部分液滴行程受到空气流动的影响，根据边界层理论，液滴与四周边界层有对流作用，在具有相对速度(包括静止)的空气中发生蒸发。根据传质方程式，液滴的蒸发速率可以表示为：

(1)

式中：ω为水分蒸发量；t为蒸发时间；dω/dt为蒸发速率；Kx为传质系数；A为传质面积；xw为液滴表面上空气的饱和湿含量；xw-x为以湿含量差表示的传质推动力；x为液滴表面上空气湿含量。

根据经验数据，球形液滴在静止空气中的传质表达见式(2)，由此可推导传质系数Kx。

(2)

式中：Sh为舍伍德(Sherwood)数；D为液滴直径；Dv为溶液的扩散系数。

对于球形液滴，总传质系数可以用无量纲特征数Sh来表示。

Sh=2+k1(Re)x(Sc)y，

(3)

综合式(1)(2)(3)可得液滴蒸发速率公式：

(4)

式中：液滴直径D可由经验公式推算，具体如下[26]。

液滴表面上空气湿含量

(5)

式中：pw为水蒸汽分压；p为大气压；Mw为水分子的相对分子质量；Ma为空气的相对分子质量。按Mw=18.016，Ma=28.907计算，得式(5)右半部分。

空气的饱和湿含量

(6)

式中：ps为水的饱和蒸气压。适用于303～413 K的经验计算式为

p(T)=p0exp(13.318 5a-1.976 0a2-

0.644 5a3-0.129 9a4) ，

(7)

空气黏度

(8)

式中：C为常数，C=111；μ0为气体在273 K时的动力黏度，μ0=17.09×10-6Pa·s。

湿空气密度

(9)

式中：H为相对湿度。

综合式(4)～(9)可见，理论上影响纯水喷雾蒸发速率的主要因素包括大气温度、相对湿度、风速、大气压(由于地理位置不变，大气压变化较小，不予研究)、雾滴直径、溶液物化性质等。参考纯水喷雾蒸发理论，设计试验针对上述影响因素探究浓盐水喷雾蒸发规律，进一步得出量化关系。

2 试验部分

2.1 试验装置及材料

喷雾蒸发高浓度含盐水试验系统由蒸发池、雾化喷头和循环泵组成，室外试验装置如图1所示。通过循环压力泵将池中液体抽入雾化喷头，面向池内喷洒雾化液滴，蒸发池内层两侧各设毫米刻度尺，用于读取液位高度，蒸发池旁设有蒸发皿，用于测量同环境条件下的自然蒸发量。

图1 机械雾化蒸发试验装置示意

雾化蒸发试验地点为河北省保定市，试验时间为2016-05-01—10-30，雨天停止试验，采用单位时间(2 h)内的液位差代表蒸发速率。蒸发池长400 cm、宽200 cm、高85 cm；试验采用4种型号的压力型雾化喷嘴，雾化粒径D50为40，70，150，1 000 μm，喷嘴喷雾角均为60°；喷嘴装于池的宽侧中轴线距地面高度1.0 m处，喷射方向水平；循环压力泵运行压力控制为2 MPa。试验水样为自来水(Cl-质量浓度50.23 mg/L)及添加工业NaCl盐的模拟高浓度含盐水。室外主要试验仪器、药品及测量指标见表1。

2.2 试验方法

2.2.1 类比器测法

参考SL 630—2013《水面蒸发观测规范》，蒸发特性是液相向汽相传质过程的快慢程度，采用表面蒸发速率(w)表示，即单位时间、单位面积内液体蒸发的质量或单位时间液位降，见式(10)。

(10)

式中：w为脱硫废水表面蒸发速率；Δm为t时刻试样质量差；S为蒸发表面积；mt为t时刻试样质量；m0为原始质量；Δh为t时刻试样液位差；ρ为蒸发溶液的密度。

表1 试验药品及仪器

2.2.2 SEM表征蒸发产物

当溶液蒸发至过饱和后，在该过饱和度的驱动下实现晶体的生长[27]，环境条件影响产物晶体的形貌。反之，可通过蒸发产物晶体生长形态判断蒸发快慢。样品的形貌结构特征采用日本HITACHI S-4800型场发射扫描电镜(SEM)进行表征，电压设置为15 kV，喷金。

2.2.3 数据处理

探究环境影响时，试验采用雾滴粒径150 μm的喷嘴水平喷雾蒸发Cl-质量浓度为7 500 mg/L高盐水，为期4个月。因为室外环境温度、湿度、风速存在不均匀、不稳定性，无法控制单因素变量，因此开展长期雾化蒸发试验，选择符合单因素控制变量的数据进行单因素影响分析，对全部数据进行多因素复合影响分析。为了减小液面高度浮动导致的读数误差，试验单次测量时间间隔为2 h。

3 结果与讨论

3.1 喷雾粒径对蒸发速率的影响

选取气象条件稳定的4 d，采用雾滴粒径70，150，500，1 000 μm的雾化喷嘴，连续水平喷雾蒸发Cl-质量浓度为7 500 mg/L的高盐水，探究雾滴粒径对蒸发速率的影响，试验结果如图2所示。

图2 蒸发速率与雾化颗粒粒径关系示意

由图2可以看出，在不同时段下(环境条件不同)，雾化颗粒粒径越小，喷雾蒸发速率越高，喷雾粒径70 μm比1 000 μm的蒸发速率提高了94.87%；但喷雾粒径70 μm与150 μm、150 μm与500 μm、500 μm与1 000 μm的蒸发速率差距逐渐减小。

内在机理是，以1个雾化液滴为研究对象，假设为理想球形液滴，其直径为d，现有体积为a的液体，其蒸发表面积公式[28]为：

(11)

式中：6a是定值，蒸发表面积S与颗粒直径d有关，且d越大，蒸发接触表面积S越小，蒸发速率越低。

现假设a=5 000 μm3，那么d为70，150，500，1 000 μm的S值分别约为71，33，10，5 μm2。由此可以看出，粒径为500 μm及1 000 μm的雾化液滴蒸发表面积在一个较低数量级，蒸发速率较小。因此，当其他条件相同时，雾化颗粒越细，蒸发速率越快，蒸发效果越好；但当颗粒粒径处于较大范围时(例如500 μm以上)，改变颗粒粒径，蒸发效果差别不大。

3.2 盐浓度的影响

选取气象条件稳定的3天，采用雾滴粒径150 μm的喷嘴连续喷雾蒸发平均氯离子质量浓度为50mg/L的自来水(空白对照)、平均氯离子质量浓度为501 mg/L的工业盐水、平均氯离子质量浓度为5 822 mg/L的工业盐水。含盐量以氯离子质量浓度为指标，探究不同水质对蒸发效率的影响，试验结果如图3所示。

图3 不同水质对雾化蒸发速率的影响示意

由图3可以看出，喷雾蒸发盐浓度不同，蒸发速率差别较小，但蒸发速率由大到小为Cl-质量浓度50 mg/L的自来水>501 mg/L的工业盐水>5 822 mg/L的工业盐水，下降液位差为0.93 cm>0.67 cm>0.65 cm。自来水比高浓盐水的蒸发速率提高43.08%。究其原因，一方面盐离子的存在使溶液分子内聚力增大，蒸发所需能量增多，蒸发速率变低；另一方面高盐水蒸发包括等速蒸发和降速蒸发阶段，可能存在不溶性固体随着蒸发的进行在液滴表面形成一层硬壳，阻碍水分蒸发[29]。

3.3 环境风速的影响

在试验总数据中选择温度为(25±1)℃、湿度为(40±5)%，而风速不同的时间段，作蒸发速率关于风速的散点关系图，结果如图4所示。

图4 风速影响蒸发速率关系示意

由图4可以看出，喷雾蒸发速率与风速近似呈线性正相关关系；风速由0 m/s增大到2.61 m/s，喷雾蒸发速率提高了约6.20倍。分析其机制是：风速增大，一方面减小液滴界面外水分子的浓度分布，浓度差增大使液相分子具有的饱和蒸汽压力大于紧临液面的蒸汽分压力，压差增大传质；另一方面加强液滴四周边界层的对流作用，加强水分子湍流扩散，因此蒸发速率增大。

3.4 环境温度的影响

在试验总数据中选择湿度为(50±5)%、风速为0 m/s，而温度不同的时间段，作蒸发速率关于温度的散点关系图，结果如图5所示。

图5 温度影响蒸发速率关系示意

由图5可以看出，喷雾蒸发速率随温度近似呈指数型正相关关系，温度越高，蒸发速率增大越明显；34.25 ℃时的蒸发速率是21.45 ℃时的1.74倍、10.65 ℃时的9.70倍。这是由于温度升高分子动能增加，加剧了汽液界面处的分子运动，更多分子克服内聚力从液体表面逸出进入气相空间，加快分子汽化；同时，温差产生对流扩散，加水大分子扩散速度，因此蒸发速率增大。

3.5 环境湿度的影响

在试验总数据中选择温度为(30±1)℃、风速为0 m/s，而湿度不同的时间段，作蒸发速率关于湿度的散点关系图，结果如图6所示。

图6 湿度影响蒸发速率关系示意

由图6可以看出，喷雾蒸发速率随湿度近似呈线性负相关关系；相对湿度为26.95%的蒸发速率是93.3%时的13.80倍。内在机制是：湿度增大，气相单位空间内水分子含量变大，导致气液相浓差降低，传质推动力减小，因此蒸发速率减慢。

表2 风吹损失对蒸发速率影响研究

注：1.雾滴尺寸，150 μm；挡板高于喷嘴高度，65 cm。2.试验时风速范围，0～2.60 m/s；平均风速， 1.03 m/s。3.试验1～4为平行试验。

3.6 各因素协同作用下单因素影响蒸发速率关系探究

拟合日蒸发速率与温度、湿度、风速的散点关系图，探究环境风速、温度、湿度协同作用下的单因素影响权重，结果如图7～9所示。

图7 协同作用下风速影响蒸发速率关系示意

图8 协同作用下温度影响蒸发速率关系示意

图9 协同作用下湿度影响蒸发速率关系示意

图7显示了喷雾蒸发速率随风速升高而增大的趋势，与前文结果一致；当风速较高时，喷雾蒸发速率随着风速增大的规律较明显；当风速较低时，喷雾蒸发速率均存在较高和较低情况。这说明大风时，风速是影响喷雾蒸发速率的决定因素；而微风时，风速并不是影响蒸发速率的主要因素。

图8显示了喷雾蒸发速率随温度升高而增大的趋势，与前文结果一致；当温度为10～15 ℃时，喷雾蒸发速率较小；而温度较高时，喷雾蒸发速率均存在较高和较低情况。这说明温度<15 ℃时，温度是限制喷雾蒸发速率的主要因素，而高温并不是影响喷雾蒸发速率的决定因素。

图9显示了喷雾蒸发速率随湿度升高而减小的趋势，与前文结果一致；当相对湿度为90%～100%时，喷雾蒸发速率均较小；而其余范围的相对湿度下，喷雾蒸发速率均存在较高和较低情况。这说明相对湿度为90%～100%时，湿度是限制喷雾蒸发速率的主要因素，而其余情况下湿度并不是影响喷雾蒸发速率的决定因素。

3.7 风吹损失

由于液位、湿度、温度、风速的瞬时性，室外试验存在随机误差。可通过增大时间间隔、增加测量次数减小液位、温度、湿度误差，但风吹损失对蒸发速率的影响值得注意。通过蒸发池中增加挡板与未加挡板试验对比，探究风吹损失对蒸发速率的影响，结果见表2。

由表2可得，试验时风速范围0～2.60 m/s，平均风速为1.03 m/s，有21.95%的机械雾化蒸发是风吹损失造成的；且当风速增大时，风吹损失将更多。风吹损失增大机械喷雾的处理量，但被风携带的浓盐水一定程度上污染周边环境，如土壤环境、大气环境及植被。所以，在机械雾化蒸发应用中风吹损失值得注意，当水质差时应降低风吹损失或者提高水质。

3.8 机械雾化蒸发与自然雾化蒸发效果对比

根据式(10)计算单位小时、单位面积的蒸发速率(g/(h·m2))，盐水密度按1 g/mL计算，由蒸发皿失重法计算自然蒸发速率，由蒸发池液位差计算机械雾化蒸发总速率，其差值为喷雾净蒸发速率，取平均值。对比机械雾化蒸发与自然雾化蒸发效率见表3。

忽略风吹损失的情况下，由表3可知机械雾化蒸发速率是自然蒸发速率的1～3倍，由于喷头流量量较小且为单喷头试验，实际有效喷雾范围不到蒸发塘面积的1/4，因此机械雾化蒸发速率是自然蒸发速率的4～12倍。此外可以看出，蒸发效果最好的是最小喷雾粒径70 μm，与前文结论一致。通过SEM表征蒸发产物的微观形貌进一步对比喷雾蒸发与自然蒸发速率情况，如图10～11所示。

表3 机械雾化蒸发速率

注：试验1～4为平行试验。

图10 机械喷雾蒸发固态产物SEM图

图11 自然蒸发固态产物SEM图

根据图10、图11观察蒸发产物的微观形貌结构，自然蒸发产物晶体多成块状，晶粒更规则，喷雾蒸发产物晶体结晶度较差、存在碎屑状，晶粒多发生晶型畸变。根据晶体生长原理，自然蒸发的结晶质量好，证明了自然蒸发速率较慢[30]，而机械雾化蒸发速率快。

4 结论

(1)雾化颗粒越细，蒸发速率越快，当颗粒粒径为500 μm以上时，降低颗粒粒径，蒸发速率增加量较小。喷雾蒸发溶液盐含量不同，蒸发速率具有较小差别，含盐量越低，蒸发速率较大。

(2)喷雾蒸发速率与风速近似呈线性正相关关系；喷雾蒸发速率随温度近似呈指数型正相关关系；喷雾蒸发速率随湿度近似呈线性负相关关系。大风气象时，风速是影响喷雾蒸发速率的决定因素；温度<15 ℃时，温度是限制喷雾蒸发速率的主要因素；湿度>90%时，湿度是限制喷雾蒸发速率的主要因素，当湿度<90%时，湿度并不是影响喷雾蒸发速率的决定因素。

(3)试验中机械雾化蒸发速率是自然蒸发速率的4～12倍。试验中风速范围为0～2.6 m/s，平均风速为1.03 m/s，有21.95%的机械雾化蒸发是风吹损失造成的；当风速增大，风吹损失将更多，实际运行中风吹损失问题值得注意，以免高含盐水带来污染。