李恒凡，焦世權(quán)，韓中合

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)廣泛應(yīng)用于燃煤電廠，極大地降低了燃煤電廠SO2的排放量，有效改善了環(huán)境質(zhì)量[1]。根據(jù)該技術(shù)的運(yùn)行特點(diǎn)[2]，在運(yùn)行過(guò)程中需向外界排出一定量的脫硫廢水，這種廢水的成分復(fù)雜、含鹽量高、易腐蝕結(jié)垢[3]，而常規(guī)脫硫廢水處理技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)零排放的要求，且工藝復(fù)雜、成本較高[4-5]。

脫硫廢水煙道蒸發(fā)處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)脫硫廢水的零排放，且工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低，得到了較快的發(fā)展[6-8]。該技術(shù)利用鍋爐尾部煙氣余熱蒸干霧化后的脫硫廢水，而剩余的固體雜質(zhì)隨灰一并被除塵器除去[9]。該技術(shù)要求脫硫廢水霧化液滴必須在盡量短的時(shí)間和蒸發(fā)距離內(nèi)完全蒸發(fā)，以防止脫硫廢水對(duì)煙道和除塵器的腐蝕[10]。因此，研究煙氣中脫硫廢水霧化液滴的蒸發(fā)運(yùn)行過(guò)程，分析煙氣和液滴性質(zhì)對(duì)液滴蒸發(fā)運(yùn)動(dòng)特性的影響，對(duì)脫硫廢水煙道蒸發(fā)處理技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

筆者建立了霧化液滴在煙氣中蒸發(fā)和擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)某330 MW鍋爐尾部煙道，利用Fluent軟件模擬計(jì)算了液滴的蒸發(fā)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分析了煙氣溫度、流速、水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及液滴初始粒徑、初速、初溫、噴射角度和噴水質(zhì)量流量等對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)間、蒸發(fā)速度、蒸發(fā)距離和運(yùn)動(dòng)速度的影響。

1 物理模型及計(jì)算方法

為了簡(jiǎn)化相關(guān)模型和計(jì)算，對(duì)脫硫廢水霧化液滴在煙道中的蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行以下假設(shè)：(1) 鍋爐尾部煙氣流速不高，視為不可壓縮性流體；(2) 液滴近似呈球形，為剛性球體，不考慮液滴之間碰撞的影響；(3) 煙道壁面為絕熱壁面，忽略煙道壁面與液滴的熱輻射作用；(4) 由于煙氣中粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，且粉塵粒徑相對(duì)液滴粒徑較小，幾乎可以忽略，粉塵在正常含量下不會(huì)對(duì)液滴蒸發(fā)速度產(chǎn)生影響，故本文中默認(rèn)粉塵對(duì)液滴蒸發(fā)沒(méi)有影響[11-13]；(5) 噴嘴所占的空間體積較小，忽略煙道中噴嘴機(jī)構(gòu)對(duì)尾部煙道煙氣流場(chǎng)的影響[14]。

1.1 煙氣流場(chǎng)的基本控制方程

尾部煙道中煙氣流動(dòng)時(shí)必須遵守質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒，其通用形式如下：

(1)

式中：ρg為煙氣密度，kg/m3；ui為速度矢量，m/s；φ為通用變量，分別表示相應(yīng)控制方程中的速度分量、溫度、湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率；t為時(shí)間，s；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為氣液兩相流場(chǎng)中液滴對(duì)煙氣流場(chǎng)的作用力源項(xiàng)。

1.2 脫硫廢水霧化液滴控制方程

脫硫廢水霧化液滴在煙道中主要受重力和曳力的作用，其動(dòng)量方程為：

(2)

脫硫廢水霧化液滴主要通過(guò)蒸發(fā)的方式與煙氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，液滴蒸發(fā)速度為：

(3)

式中：mp為液滴質(zhì)量，kg；Ap為液滴表面積，m2；hd為表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)，m/s；cs為液滴表面蒸汽物質(zhì)的量濃度，mol/m3；c∞為煙氣中蒸汽物質(zhì)的量濃度，mol/m3；Mw為液滴摩爾質(zhì)量，kg/mol。

液滴溫度變化為：

(4)

式中：cp為液滴顆粒比熱容，J/(kg·K)；T∞為煙氣溫度，K；Tp為液滴溫度，K；h為煙氣與液滴間的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；hfg為液滴的汽化潛熱，J/kg。

1.3 液滴與煙氣的耦合計(jì)算

液滴在蒸發(fā)流動(dòng)過(guò)程中，以能量源項(xiàng)、動(dòng)量源項(xiàng)和質(zhì)量源項(xiàng)的形式體現(xiàn)在煙氣流場(chǎng)控制方程中，從而對(duì)煙氣相產(chǎn)生作用；被更新的煙氣流場(chǎng)進(jìn)而影響液滴相分布，通過(guò)迭代計(jì)算，當(dāng)兩相結(jié)果不變后，計(jì)算收斂。

能量源項(xiàng)Q為：

(5)

動(dòng)量源項(xiàng)F為：

(6)

質(zhì)量源項(xiàng)M為：

(7)

式中：mp,av為控制體中液滴的平均質(zhì)量，kg；mp,0為液滴的初始質(zhì)量，kg；ΔTp為控制體中液滴溫度變化量，K；Δmp為控制體中液滴質(zhì)量變化量，kg；Tref為參考溫度，K；cv為水蒸氣比熱容，J/(kg·K)；qm,0為噴水初始質(zhì)量流量，kg/s；Fother為除曳力以外的其他力，N；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，s。

2 模型建立和邊界條件

選取某330 MW鍋爐空氣預(yù)熱器至除塵器之間的尾部煙道為研究對(duì)象，其計(jì)算區(qū)域如圖1(a)所示，其中垂直煙道高度為17.10 m，煙道橫截面長(zhǎng)度為3.82 m，寬度為2.30 m，脫硫廢水霧化液滴通過(guò)單一噴嘴噴入煙道，該噴嘴布置在垂直煙道中4.25 m高度處，霧化噴射方向朝上。煙氣入口采用速度入口(Velocity-inlet)，出口為壓力出口(Pressure-outlet)，其他壁面采用無(wú)速度滑移的絕熱壁面(Wall)。采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為788 056，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.9，如圖1(b)所示。除特殊聲明以研究相應(yīng)影響因素的作用外，各參數(shù)取值如表1所示。

(a) 計(jì)算區(qū)域

(b) 網(wǎng)格劃分圖1 脫硫廢水煙道噴霧模型Fig.1 Flue gas spray model for desulfurization wastewater

表1 操作參數(shù)設(shè)定Tab.1 Operational parameters settings

使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流相采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，當(dāng)殘差小于10-6時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。操作參數(shù)為設(shè)定值時(shí)，典型溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)如圖2所示。其他操作參數(shù)不變，當(dāng)噴水質(zhì)量流量為0.14 kg/s時(shí)，液滴運(yùn)行軌跡隨時(shí)間的變化情況如圖3(a)所示，此時(shí)液滴與壁面的最近距離為0.44 m。當(dāng)液滴初始粒徑為140 μm時(shí)，液滴的運(yùn)行軌跡如圖3(b)所示，此時(shí)液滴與壁面的最近距離為0.54 m。由圖3可知，液滴在煙道內(nèi)部跟隨煙氣流動(dòng)，與壁面的距離較遠(yuǎn)，實(shí)際運(yùn)行工況下，不會(huì)與壁面發(fā)生碰撞，出現(xiàn)濕灰粘壁的風(fēng)險(xiǎn)。

(a) 典型溫度場(chǎng)

(b) 典型速度場(chǎng)圖2 典型計(jì)算結(jié)果Fig.2 Typical calculation results

(a) 噴水質(zhì)量流量為0.14 kg/s

(b) 液滴初始粒徑為140 μm圖3 不同計(jì)算工況下液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Droplet trajectory at different calculation conditions

3 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)于噴射到尾部煙道中的液滴，其蒸發(fā)過(guò)程主要受到煙氣性質(zhì)和液滴特性的影響，主要影響因素包括煙氣溫度、流速、水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及液滴初始粒徑、初速、初溫、噴射角度和噴水質(zhì)量流量等。筆者模擬了不同因素下液滴的蒸發(fā)過(guò)程，得到了液滴平均粒徑、蒸發(fā)時(shí)間、蒸發(fā)速度、運(yùn)動(dòng)速度和蒸發(fā)距離等參數(shù)的變化情況。

3.1 煙氣性質(zhì)對(duì)蒸發(fā)的影響

3.1.1 煙氣溫度的影響

煙氣溫度為120～240 ℃時(shí)，液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離在整個(gè)蒸發(fā)過(guò)程中的變化情況如圖4所示，其中圖例后括號(hào)內(nèi)第1個(gè)數(shù)值表示完全蒸發(fā)時(shí)間t，第2個(gè)數(shù)值表示完全蒸發(fā)距離X,下同。

圖4 不同煙氣溫度下液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離隨蒸發(fā)時(shí)間的變化

由圖4可知，煙氣溫度對(duì)液滴蒸發(fā)速度的影響很大，當(dāng)煙氣溫度從120 ℃升高到240 ℃時(shí)，由于液滴初溫保持不變，液滴與煙氣之間的溫差越來(lái)越大，這強(qiáng)化了氣液之間的傳熱，增大了液滴的蒸發(fā)速度，使得液滴平均粒徑減幅加快，從而使液滴完全蒸發(fā)時(shí)間縮短。當(dāng)煙氣溫度為240 ℃時(shí)，液滴完全蒸發(fā)需0.313 s，比在150 ℃煙氣氣流中的用時(shí)(0.582 s)縮短了約46.2%。

由液滴蒸發(fā)距離與蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系曲線可知，煙氣溫度幾乎不影響液滴運(yùn)動(dòng)速度，不同煙氣溫度下液滴的蒸發(fā)距離曲線基本重合，液滴蒸發(fā)距離與蒸發(fā)時(shí)間呈正相關(guān)，隨著煙氣溫度升高，液滴蒸發(fā)距離縮短，當(dāng)煙氣溫度為240 ℃時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離為3.85 m，比液滴在150 ℃和120 ℃煙氣中的完全蒸發(fā)距離(6.25 m和10.40 m)分別縮短了約38.4%和62.98%。可見(jiàn)煙氣溫度對(duì)液滴蒸發(fā)的影響較大，因此選取合適的煙氣溫度對(duì)液滴完全蒸發(fā)具有重要意義。

3.1.2 煙氣流速的影響

煙氣流速為6～14 m/s時(shí)，液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離在蒸發(fā)過(guò)程中的變化情況如圖5所示。由圖5可知，煙氣流速越大，液滴的完全蒸發(fā)時(shí)間越短，當(dāng)煙氣流速為14 m/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間為0.522 s，比在6 m/s煙氣氣流中的液滴完全蒸發(fā)時(shí)間(1.483 s)縮短了約64.8%。引起蒸發(fā)時(shí)間縮短的主要原因是在液滴初速一致的條件下，煙氣流速增大，導(dǎo)致氣液間的相對(duì)速度增大，使液滴雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)變大，強(qiáng)化了液滴表面的對(duì)流傳熱傳質(zhì)過(guò)程，液滴蒸發(fā)速度增大，即液滴平均粒徑減小速度增大。

圖5 不同煙氣流速下液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離隨蒸發(fā)時(shí)間的變化

根據(jù)液滴蒸發(fā)距離與蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系曲線，當(dāng)煙氣流速?gòu)? m/s增大到10 m/s時(shí)，液滴蒸發(fā)距離一直縮短，且當(dāng)煙氣流速為10 m/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離最短，為6.25 m。然而當(dāng)煙氣流速繼續(xù)增大到12 m/s和14 m/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離開始增加，分別為7.45 m和7.85 m。這是由于煙氣流速增大，在煙氣曳力的作用下，液滴運(yùn)動(dòng)速度增大，但由于完全蒸發(fā)時(shí)間縮短，導(dǎo)致完全蒸發(fā)距離先縮短后增加。

3.1.3 煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～20%時(shí)，液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離在蒸發(fā)過(guò)程中的變化情況如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升時(shí)，液滴平均粒徑減幅變緩，液滴蒸發(fā)速度逐漸減小，完全蒸發(fā)時(shí)間增加。煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間為1.054 s，比在水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的煙氣中的完全蒸發(fā)時(shí)間(0.582 s)增加了約81.1%。煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，減少了煙氣與液滴間的水蒸氣分壓差，從而減小了擴(kuò)散速率，增加了完全蒸發(fā)時(shí)間。

圖6 不同煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下液滴平均粒徑和 蒸發(fā)距離隨蒸發(fā)時(shí)間的變化

煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響不大，對(duì)于不同水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的煙氣，液滴的蒸發(fā)距離曲線基本一致，液滴蒸發(fā)距離僅隨蒸發(fā)時(shí)間的改變而改變，煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，液滴完全蒸發(fā)距離增加，煙氣水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離為11.50 m，比在水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的煙氣中的完全蒸發(fā)距離(6.25 m)增加了約84%。

3.2 液滴性質(zhì)對(duì)蒸發(fā)的影響

3.2.1 液滴初始粒徑的影響

液滴初始粒徑為20～140 μm時(shí)，液滴平均粒徑、蒸發(fā)距離和質(zhì)量流量在蒸發(fā)過(guò)程中的變化情況如圖7和圖8所示。由圖7可知，不同初始粒徑液滴的平均粒徑隨蒸發(fā)時(shí)間的增加而減小的趨勢(shì)是一致的。當(dāng)液滴初始粒徑增加時(shí)，液滴的完全蒸發(fā)時(shí)間逐漸增加，且增幅逐漸增大。當(dāng)液滴初始粒徑由20 μm增大到50 μm時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間由0.357 s增加至0.428 s，僅增加了0.071 s，而當(dāng)液滴初始粒徑由110 μm增大到140 μm時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間由0.817 s增加到1.133 s，增加了0.316 s。

圖7 不同液滴初始粒徑下液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離 隨蒸發(fā)時(shí)間的變化

圖8 不同液滴初始粒徑下液滴質(zhì)量流量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化Fig.8 Variation of mass flow rate of droplet with evaporation time at different initial droplet diameters

由圖7還可知，不同初始粒徑液滴的運(yùn)動(dòng)速度幾乎一致，具有極相似的運(yùn)動(dòng)曲線，當(dāng)液滴初始粒徑變大時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離增加。液滴初始粒徑為20 μm時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離為3.85 m，相比液滴初始粒徑為50 μm、80 μm、110 μm和140 μm時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離分別縮短了約17.2%、38.4%、56%和69.4%。可見(jiàn)液滴初始粒徑越小，液滴越容易吸收煙氣熱量進(jìn)行完全蒸發(fā)，液滴完全蒸發(fā)距離縮短，當(dāng)液滴初始粒徑為20 μm時(shí)，其完全蒸發(fā)距離最短。

由圖8可知，初始粒徑越小的液滴具有越大的蒸發(fā)速度，且最大的蒸發(fā)速度出現(xiàn)在蒸發(fā)初始時(shí)刻。在相同液滴質(zhì)量流量時(shí)，初始粒徑越小意味著比表面積越大，從而使得液滴更易從煙氣中吸收熱量，增大了蒸發(fā)速度，減少了蒸發(fā)時(shí)間。

3.2.2 液滴初速的影響

液滴初速為5～25 m/s時(shí)，液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離在蒸發(fā)過(guò)程中的變化情況如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)噴射液滴的初速?gòu)? m/s增大到25 m/s時(shí)，液滴平均粒徑減幅增大，蒸發(fā)速度也增大，從而導(dǎo)致液滴完全蒸發(fā)時(shí)間減少,這是因?yàn)闊煔馀c液滴之間的湍流強(qiáng)度隨著噴射液滴初速的增大而增加，從而加快了氣液之間的對(duì)流傳質(zhì)。但是相較于其他影響因素，液滴初速變化引起完全蒸發(fā)時(shí)間的改變量較小，主要原因是在曳力和重力的作用下，液滴運(yùn)動(dòng)速度很快由液滴初速逐漸變?yōu)闊煔馑俣戎?，使得不同初速下液滴的蒸發(fā)速度接近，完全蒸發(fā)時(shí)間相差不大。當(dāng)液滴初速為25 m/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間為0.543 s，較初速為5 m/s的液滴在煙氣中的完全蒸發(fā)時(shí)間(0.647 s)減少了約16.1%。

圖9 不同液滴初速下液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離隨蒸發(fā)時(shí)間的變化

改變液滴初速在一定程度上會(huì)影響液滴運(yùn)動(dòng)速度，液滴初速越大，液滴運(yùn)動(dòng)速度越快，但影響幅度較小，液滴的蒸發(fā)距離主要受蒸發(fā)時(shí)間的影響，當(dāng)液滴初速?gòu)? m/s增大到15 m/s時(shí)，每間隔5 m/s液滴完全蒸發(fā)距離僅縮短了0.1 m,液滴初速在15～25 m/s內(nèi)每增大5 m/s，液滴完全蒸發(fā)距離縮短了0.2 m。當(dāng)液滴初速由5 m/s增大到25 m/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離由6.45 m減少到5.85 m，縮短了約9.3%。由此可見(jiàn)，液滴初速對(duì)蒸發(fā)距離的影響效果不明顯。

3.2.3 液滴初溫的影響

液滴初溫為30～70 ℃時(shí)，液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離在蒸發(fā)過(guò)程中的變化情況如圖10所示。由圖10可知，當(dāng)噴射液滴的初溫升高時(shí)，液滴平均粒徑減幅增大，蒸發(fā)速度也增大，完全蒸發(fā)時(shí)間減少。但液滴初溫對(duì)完全蒸發(fā)時(shí)間的作用不顯著，其原因是液滴的初溫主要對(duì)液滴升溫階段的速度產(chǎn)生影響，而噴射液滴的直徑較小，在煙氣中升溫速度很快，升溫階段的時(shí)間占完全蒸發(fā)時(shí)間的比例較小，導(dǎo)致對(duì)完全蒸發(fā)時(shí)間的影響較小。當(dāng)液滴初溫由30 ℃升高到70 ℃時(shí)，完全蒸發(fā)時(shí)間由0.635 s減少到0.528 s，減少了約16.9%。

圖10 不同液滴初溫下液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離 隨蒸發(fā)時(shí)間的變化

液滴初溫對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度幾乎沒(méi)有影響，不同初溫液滴的蒸發(fā)距離曲線基本重合，當(dāng)液滴初溫從30 ℃升高到70 ℃時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離從6.65 m縮短到5.45 m，縮短了約18.0%。

3.2.4 液滴噴射角度的影響

液滴噴射角度為15°～75°時(shí)，液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離在蒸發(fā)過(guò)程中的變化情況如圖11所示。由圖11可知，當(dāng)噴射角度增大時(shí)，液滴平均粒徑減幅增大，蒸發(fā)速度增大，完全蒸發(fā)時(shí)間減少。這是由于當(dāng)噴水質(zhì)量流量一定時(shí)，隨著噴射角度的增大，初始的液滴密度減小，加快了液滴與周圍煙氣的換熱。當(dāng)噴射角度增大時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間越來(lái)越少，但減幅越來(lái)越小。當(dāng)噴射角度由15°增大到30°時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間由1.030 s減少到0.787 s，減少了0.243 s；當(dāng)噴射角度由60°增大到75°時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間由0.530 s減少到0.489 s，僅減少了0.041 s。為了降低較大噴射角度可能引起液滴黏附在側(cè)壁的風(fēng)險(xiǎn)，因此建議選取噴射角度為45°～60°。

圖11 不同噴射角度下液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離 隨蒸發(fā)時(shí)間的變化

噴射角度幾乎不影響液滴的運(yùn)動(dòng)速度，不同噴射角度下液滴蒸發(fā)距離隨蒸發(fā)時(shí)間的變化曲線基本重合，液滴蒸發(fā)距離與蒸發(fā)時(shí)間呈正相關(guān)，當(dāng)噴射角度增大時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離縮短，但縮短的距離逐漸減小，當(dāng)噴射角度從15°增大到45°時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離從10.95 m縮短至6.25 m，縮短了約42.92%；當(dāng)噴射角度由45°增大到75°時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離從6.25 m縮短到5.05 m，僅縮短了約19.2%。

3.2.5 噴水質(zhì)量流量的影響

噴水質(zhì)量流量為0.02～1.4 kg/s時(shí)，液滴平均粒徑、蒸發(fā)距離和液滴質(zhì)量流量在蒸發(fā)過(guò)程中的變化情況如圖12和圖13所示。

由圖12可知，不同噴水質(zhì)量流量時(shí)，隨著蒸發(fā)時(shí)間的增加，液滴平均粒徑減小，當(dāng)噴水質(zhì)量流量增加時(shí)，液滴平均粒徑減幅減小，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間逐漸增加，但增幅逐漸減小。這是由于當(dāng)噴水質(zhì)量流量增加時(shí)，液滴蒸發(fā)量變大，水蒸氣分壓隨之增大，局部煙氣溫度迅速下降，氣液間溫差和水蒸氣分壓差的減小共同阻礙了液滴蒸發(fā)，增加了液滴完全蒸發(fā)時(shí)間。當(dāng)噴水質(zhì)量流量由0.02 kg/s增加到0.05 kg/s時(shí)，完全蒸發(fā)時(shí)間由0.212 s增加至0.582 s，增加了0.37 s，當(dāng)噴水質(zhì)量流量由0.11 kg/s增加到0.14 kg/s時(shí)，完全蒸發(fā)時(shí)間由1.145 s增加到1.270 s，僅增加了0.125 s。

圖12 不同噴水質(zhì)量流量下液滴平均粒徑和蒸發(fā)距離 隨蒸發(fā)時(shí)間的變化

噴水質(zhì)量流量對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響不明顯，不同噴水質(zhì)量流量下的液滴蒸發(fā)距離曲線基本重合，隨著噴水質(zhì)量流量的增加，液滴完全蒸發(fā)距離增加，當(dāng)噴水質(zhì)量流量為0.02 kg/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離為2.35 m，相比噴水質(zhì)量流量為0.05 kg/s、0.08 kg/s、0.11 kg/s和0.14 kg/s時(shí)的液滴完全蒸發(fā)距離分別增加了約166.0%、295.7%、412.8%和460.0%，可見(jiàn)增加噴水質(zhì)量流量對(duì)液滴完全蒸發(fā)距離有較大影響。當(dāng)噴水質(zhì)量流量從0.02 kg/s以0.03 kg/s間隔增加到0.11 kg/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離平均以3 m左右的速率增加，但當(dāng)噴水質(zhì)量流量從0.11 kg/s增加到0.14 kg/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離僅增加了1.1 m。

由圖13可知，噴水質(zhì)量流量越大，液滴的蒸發(fā)速度越大，且液滴最大的蒸發(fā)速度出現(xiàn)在蒸發(fā)初始時(shí)刻。根據(jù)傳質(zhì)傳熱理論可知，在液滴初始粒徑不變的情況下，當(dāng)噴水質(zhì)量流量增加時(shí)，液滴總數(shù)增多，液滴的比表面積隨之增大，加速了氣液之間的傳熱，蒸發(fā)速度隨之增大。

4 結(jié) 論

(1) 煙氣性質(zhì)對(duì)液滴完全蒸發(fā)時(shí)間的影響顯著，當(dāng)煙氣溫度升高、流速增大、水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低時(shí)，完全蒸發(fā)時(shí)間大幅度減少。

(2) 煙氣溫度和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響不大，當(dāng)煙氣溫度升高、水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離縮短；煙氣流速對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度有較大影響，隨著煙氣流速的增大，液滴完全蒸發(fā)距離先縮短后增加,當(dāng)煙氣流速為10 m/s時(shí)，液滴完全蒸發(fā)距離最短，為6.25 m。

(3) 當(dāng)液滴初始粒徑減小、噴水質(zhì)量流量減少、噴射角度增大時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間大幅度減少；液滴初溫升高和初速增大僅能小幅減少完全蒸發(fā)時(shí)間，對(duì)液滴平均粒徑的影響也不顯著。

(4) 液滴初速越大，液滴運(yùn)動(dòng)速度越大，但影響幅度較??；其他液滴性質(zhì)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響不大，不同參數(shù)下液滴蒸發(fā)距離曲線基本重合，液滴蒸發(fā)距離與蒸發(fā)時(shí)間呈正相關(guān)。