摘要：随着我国法律法规及电力行业标准的日益严格，火电厂实施脱硫废水零排放已迫在眉睫。烟气蒸发技术工艺简单，投资及运行成本较低，已成为终端废水零排放的主流方法。随着计算机技术的快速发展，计算流体动力学（CFD）技术越来越广泛地应用于烟气蒸发技术中的烟气流体和液滴蒸发的数值模拟。归纳了液滴蒸发机理、气液两相流及其数值研究现状，总结了烟气蒸发技术中的CFD数值方法和结果，为后续烟气蒸发技术的工程实践提供了理论基础和技术支持，并提出该技术未来的发展方向。
关键词：脱硫废水；零排放；烟气蒸发；CFD数值模拟；低温烟道蒸发技术
0引言
年，全国全口径发电量.0TW·h，火电发电量.1TW·h，占全国发电量的70.4%。可见我国的电源结构仍以火电为主，但火电厂燃烧大量化石燃料并向环境中释放大量的SO2，不仅会对人体健康造成危害，而且还会作为酸雨、灰霾等前体物造成严重的环境问题。石灰石-石膏湿法脱硫（FGD）工艺技术成熟，脱硫效率高，可靠性高，应用广泛，约占已安装总脱硫机组容量的90%。
FGD系统在运行过程中产生的脱硫废水，具有腐蚀性、高盐、高重金属含量等特性，成分复杂，成为了火电厂最难处理的废水之一。年，国家先后发布《水污染防治行动计划》（又称“水十条”）、《火电厂污染防治技术政策》和《火电厂污染防治可行技术指南》，要求加强对各类水污染的治理力度，明确提出“脱硫废水应经中和、化学沉淀、絮凝、澄清等传统工艺处理，鼓励利用余热蒸发干燥、结晶等处理工艺”。随着国家法律法规及行业标准的日益严格，火电厂实施脱硫废水零排放项目已迫在眉睫。
年6月1日，国务院印发《火电厂污染防治最佳可行性技术指南》，推荐采用烟气蒸发干燥、结晶等工艺实现电厂脱硫废水近零排放。
其中，烟气蒸发技术工艺具有系统简单，安全高效，不会造成二次污染，投资费用和运行费用较低等特点，已逐渐成为主流的脱硫废水零排放工艺。烟道中的喷嘴及其布置方式、液滴粒径、烟气温度与速度等因素均会影响脱硫废水雾化蒸发效果，需结合电厂实际情况及锅炉工况进行模拟优化设计。
随着计算机技术和流体力学的发展，二者的交叉分支学科——计算流体力学（CFD）在工业领域的应用越来越广泛。CFD以计算机为工具，很好地解决了人们在研究复杂流动现象时出现的测量精度偏差、外界干扰、人力物力不足及求解偏微分方程等复杂方程不精确等一系列问题，操作简单快捷，结果展现直观、形象，已成为工程公司设计与科研模拟不可或缺的工具。
近年来，利用CFD模拟烟气蒸发工艺中液滴、烟气流体行为的研究越来越多，大大简化了现实的实验操作和理论分析，推动了烟气蒸发技术的快速发展。本文归纳了液滴蒸发机理、气液两相流及其数值研究的研究现状，总结了烟气蒸发技术中的数值方法和结果，并提出了其未来的发展方向。
1理论基础
1.1液滴蒸发特性
雾化过程和单液滴的蒸发特性决定了液滴群的蒸发过程，因此在烟气蒸发技术中液滴群蒸发时的轨迹、传热、传质机理与单液滴蒸发机理相同，对液滴群的蒸发研究是建立在对单个液滴研究的基础之上的。液滴在与热的烟气流接触时，液滴的温度远小于烟气温度，其蒸发经历了2个阶段：非稳态阶段和稳态阶段。初始阶段为非稳态阶段，在这一阶段中，液滴从烟气中吸收的热量绝大部分用来升高液滴的温度，液滴与烟气的温差逐渐减小，减弱了烟气对液滴的传热量；同时，随着液滴温度的升高，液滴表面蒸发加速，蒸发过程中液滴吸收的蒸发潜热也不断增多，使液滴内的温度场分布更加均匀。当液滴的温度达到某一温度值时，即达到稳态阶段，液滴的温度不再改变，液滴从烟气中吸收的热量全部用来蒸发液滴，液滴在这一温度下持续蒸发直至汽化结束。
文献提出经典液滴蒸发模型，模型假设：（1）液滴为球对称；（2）忽略辐射；（3）气体边界层是准稳态的；（4）烟气和水蒸气为理想气体；（5）液滴温度场均匀；（6）符合菲克（Fick）扩散定律等。还提出单液滴周围关于温度及化学组分的液滴蒸发双膜模型。文献最早提出用于估算液滴蒸发过程的D2定律，但该模型没有恰当地考虑液相的传热传质，是一个纯气相模型。文献考虑液滴内部环流的影响，应用了层流气相方程，发展了液滴蒸发的纯理论模型，并提出蒸发液滴表面上的气相流动是非稳态流动。文献提出在一定温度范围内，当液滴粒径较大时，才需考虑高温气体对液滴蒸发的辐射影响。
文献根据蒸汽守恒方程和传热方程，推导出在高压下燃油液滴的蒸发速率与温度变化率的关系式。文献提出，液滴在非稳态阶段时，蒸发只取决于扩散，为不平衡蒸发；在稳态阶段时，为扩散与传热相平衡的蒸发，并根据能量平衡，分别建立了2个阶段中扩散形式的水液滴蒸发关系式及传热形式的水液滴蒸发关系式。文献建立了液滴的温度关系式，分析液滴在气流中的受力并建立了液滴运动方程。文献对水液滴与烟气之间无相对运动和有相对运动2种工况进行数学分析，建立了2种工况下液滴直径和蒸发时间的关系式。文献计算了初始速度为零的单液滴在高温燃气中的运动及蒸发全过程。
1.2数值研究进展
文献数值研究了环境压力对液滴蒸发的影响，提出了相平衡由环境压力和液滴温度共同决定，且环境温度越高，环境压力对液滴喷雾蒸发的影响越大。文献研究结果表明，环境压力对液滴蒸发的影响还与气流相对速度有关，但温度是主要原因。文献采用零维液滴模型，研究了在强、弱对流条件下环境压力对液滴蒸发的影响。文献使用离散多组分液滴模型，对多组分燃料喷雾的蒸发进行了数值模拟，得出了液滴初始温度主要影响蒸发早期阶段，后期蒸发速度与液滴初始温度无关的结论。
文献引入非平衡动力学，考虑了液滴相变中的非平衡过程对蒸发的影响，弥补了液滴相变过程中随着液滴尺寸的减小，蒸汽速度无限增大的缺陷。文献认为液滴内部的热量传递由液滴内部热传导以及液滴与气体相对运动产生摩擦引起的内部水平对流2部分组成，认为气相热量和质量传递是准稳态过程。文献对包含蒸发的喷雾过程进行三维数值模拟，获得了喷雾液体蒸汽浓度场场强云图和等势线图。文献建立了新的描述液滴间碰撞和聚合过程的数学模型，提高了计算效率和精度，采用欧拉-拉格朗日法对喷雾蒸发进行了三维数值模拟。
已有研究结合液滴蒸发特性，建立多种液滴蒸发模型，采用多种数值方法，将液滴蒸发过程更加直观、可视化，为之后数值研究烟气蒸发技术提供了规范和指导。了规范和指导。
1.3气液两相流的数值研究
烟气蒸发工艺中的烟气和脱硫废水液滴在烟道中的流动为气液两相流，目前，关于气液两相流的研究还不甚透彻，大多工程设计都需要通过试验研究、仿真模拟或实地测量建立经验关系式。由于试验测试设备条件的限制，以及人力、物力不足，仅通过试验研究或实地测量很难全面准确地收集到气液两相流的流动特性的有用信息。因此，利用CFD数值模拟可以获取气液两相流的全部信息，再通过试验数据验证模拟结果的准确性并进一步对工程设计进行优化。
气液两相流的数值模拟就是对气相、液相，以及气液两相之间相互耦合作用的模拟，目前主要通过以下2种数值方法进行研究。
（1）欧拉-欧拉双流体模型：该模型将气相作为连续介质，液滴作为拟流体，认为液滴与气相是共同存在并相互渗透的连续介质。
（2）欧拉-拉格朗日离散颗粒模型：该模型将气相作为连续相，在欧拉坐标系下求解纳维-斯托克斯（N-S）方程，液滴作为离散相，在拉格朗日坐标系下研究液滴的运动。
目前，脱硫废水烟气蒸发技术相关研究已开展了很多，包括液滴蒸发特性和液滴气动破碎特性研究。随着计算机技术的不断发展，烟气蒸发技术和气液两相流的理论研究发展迅速并不断趋于成熟。
2烟气蒸发技术中的数值模拟
目前研究最多、最广泛的烟气蒸发技术为低温烟道蒸发。该工艺如图1所示，将脱硫废水泵送至空气预热器（以下简称空预器）与除尘器间烟道中，利用压缩空气将脱硫废水通过气液两相流雾化喷嘴雾化成液滴，雾化液滴与烟道中~℃烟气接触换热，快速蒸发，原脱硫废水中盐分、重金属等物质与烟气中的粉尘一起被除尘器所捕集。图中SCR表示选择性催化还原技术，AH表示空气预热器，ESP表示静电除尘器，FGD表示脱硫吸收塔。但低温烟道蒸发技术受电厂负荷影响比较明显。
目前火电厂负荷普遍较低，在较低负荷下空预器后烟气温度降低至℃，难以将废水雾化液滴完全蒸干。为克服该技术这一缺点，高温旁路蒸发技术逐渐受到