高低溫煙氣旋風蒸發技術處理脫硫廢水

鄧乾紅，龔蔚成，楊景香，李小芝

（永清環保股份有限公司，長沙 410005）

引言

自2013年下半年開始，火電廠的廢水處理標準逐步提高，目前大多要求零排放，脫硫廢水作為火電廠最難處理的一個廢水系統，引起了廣泛關注。

脫硫廢水主要來自石膏脫水和清洗系統，廢水呈弱酸性，通常pH值低于6.0。脫硫廢水中的雜質來源于煙氣、脫硫劑。主要成分除了粉塵和脫硫產物（CaSO4和CaSO3），還有Hg、Pb、Ni、As、Cd、Se、Cr、Cu等重金屬離子，同時還含有可溶性氯化物和氟化物、氨氮、硝酸鹽等[1]。由于其具有高氨氮、高鹽度、高毒性等特點，處理難度大。

目前，國內的脫硫廢水零排放處理按工藝系統階段不同，分為軟化工藝系統、膜濃縮工藝系統、蒸發處理工藝系統三部分。其中軟化工藝系統包括中和、沉降、絮凝、澄清及污泥處理系統[2]。首先在中和池中加入5%石灰乳溶液，控制廢水pH值達到9.0以上，使得大多數金屬離子沉淀下來，同時鈣離子與F-形成CaF2沉淀；經中和后的廢水去除了大多數金屬離子，但Cd2+、Hg2+仍然超標，在沉降池中加入有機硫（TMT15），使其與Cd2+、Hg2+形成難溶的硫化物沉淀；沉降池出水中的懸浮物含量大，主要有石膏顆粒、二氧化硅、鋁、鐵的氫氧化物等，因此加入絮凝劑（FeAlSO4）使小顆粒形成大顆粒在絮凝池中沉淀下來；最后絮凝物在澄清池里沉淀，清水從上部溢流進入出水箱，沉淀物通過污泥泵排入污泥處理系統。軟化工藝系統來的清水其雜質主要為Cl－、SO4

2－，在膜濃縮工藝中，首先經過微濾去除軟化工藝產水的懸浮物，再利用反滲透膜進行濃縮處理，得到含鹽量為10%～15%的濃液。最后在蒸發處理系統中利用熱量將濃液中的水分蒸發，使濃液中的鹽分結晶析出。軟化工藝系統、膜濃縮工藝系統國內外技術成熟，但現有的蒸發處理技術，存在能耗高、運行成本高，腐蝕下游設備，運行不穩定[3]的缺點。所以開發一種能耗低、運行成本低、運行穩定的濃液蒸發系統尤為重要。本文提出了一種高低溫煙氣旋風蒸發濃液處理技術，具有能耗低、運行成本低、運行穩定的特點，有望填補我國火電廠脫硫廢水蒸發處理技術不成熟的短板。

1 工藝流程簡介

該技術的工藝路線如下：1）從煙氣系統空預器前的高溫煙氣段引取一股高溫煙氣，再從空預器后的高溫煙氣段引取一股低溫煙氣分別進入濃液蒸發器[4]，使其作為濃液蒸發的熱源和濃液載體。2）將脫硫廢水處理所得濃液經泵送至濃液蒸發器，為使進入蒸發器中的濃液能被煙氣快速蒸發，濃液進入蒸發器時被霧化為細小霧滴，采用兩相流霧化噴嘴，利用壓縮空氣進行霧化。3）高溫煙氣從蒸發器頂部進入蒸發器。4）濃液霧化噴嘴布置在煙氣均流設施后，霧化噴嘴分多組，以方便在線清潔維護。5）低溫煙氣從霧化噴嘴后分幾路沿切線方向進入蒸發器，為霧滴蒸發提供持續熱源，同時，由于切向進風煙氣沿筒壁速度快，使霧滴不碰壁，避免結垢。采用如此分級煙氣進入的設計，一方面，有利于霧滴在煙氣中均布；另一方面，可減少高溫煙氣的使用量，節約運行成本。6）濃液蒸發后，液體中的離子將生成鹽，以固體細粉形式進入煙氣中，然后通過煙氣均布裝置進入除塵器入口煙道。7）濃液蒸發后，產生的水蒸汽在脫硫系統中冷凝下來。

2 技術創新點

（1）該技術的創新點在于采用高、低溫煙氣作為濃液蒸發熱源，既可保證液體有效蒸發，又可減少使用高溫煙氣量，降低運行成本。

（2）蒸發器設計采用高溫煙氣從頂部進入，通過放大氣流截面和煙氣整流裝置后，使煙氣流速均勻，速度適當。液體噴灑在此位置，更有利于噴灑的水霧分散。而后，有一路或多路低溫煙氣進氣，低溫煙氣沿筒體圓周的切線方向進入，低溫煙氣的加入，保證水分蒸發的熱源，低溫煙氣沿切線方向進入，使蒸發器內的煙氣流向由原來的直線流變為螺旋式流動，且筒壁流速較快。一方面，增長氣流路徑，有利蒸發；另一方面，使霧滴不易黏在壁上，防止結垢。

（3）濃液的噴灑采用多支噴霧噴嘴，采用雙相流霧化噴嘴，雙相流霧化噴嘴可降低霧化粒徑，采用多支噴霧噴嘴，可保證蒸發器在工作時有一支噴霧噴嘴處在自清潔狀態，保證蒸發器工作的穩定性。

（4）采用先進的CFD流場模擬技術，確定適當的噴射位置和噴入角度及噴入量，保證濃縮液的霧化顆粒與煙氣充分接觸，使液滴完全蒸發。

（5）高濕度高鈉鹽成分煙氣摻入原煙氣中，降低了煙塵比電阻，提高了下游除塵器的除塵效率，有一舉兩得的效果。

3 技術難點與影響因素

該技術難點在于：1）合適的高溫煙氣、低溫煙氣比例，高溫煙氣采用省煤器出口、SCR反應器入口的煙氣，低溫煙氣采用空氣預熱器后的煙氣作為蒸發濃液水分熱源，如果取用的熱煙氣較多，將會影響鍋爐的效率，取用熱煙氣較少，不利于濃液蒸發；2）噴嘴布置位置的選擇，既要使霧滴均勻分散到煙氣中，又要防止霧化液滴噴射到蒸發器壁上；3）如何防止霧化噴嘴堵塞是技術難點，廢水濃液鹽分含量高、容易結晶結垢堵塞噴嘴。

3.1 煙氣引取位置的影響

該技術引取煙氣的位置有：1）省煤器出口，SCR反應器入口；2）SCR反應器出口，空預器入口；3）空預器出口，電除塵器入口。以上各點的氣體參數見表1。

表1 入口氣源對比

（1）選擇省煤器出口、SCR反應器入口的煙氣作為熱源，蒸發1m3的濃縮液（含鹽量為15%，旋風分離器出口溫度＞120℃）需要熱煙氣量約10,000Nm3，現有300MW機組的廢水量為5～15m3，經過預處理和膜濃縮后濃液的量為1～3m3（膜回收率按80%考慮），如按照2m3濃水進行計算，需要熱煙氣量為2萬Nm3，300MW機組的煙氣量約為100萬Nm3，選取的煙氣量占總煙氣量的2%。因省煤器出口的NOx含量高，為300～500mg/Nm3，會使煙囪處的NOx含量上升6～10mg/Nm3。因此該技術不選擇省煤器出口的煙氣作為熱源。

（2）選擇SCR反應器出口、空預器入口處的NOx含量低，不會影響脫硝效果。此處煙氣溫度在310℃～420℃。以一臺300MW機組為例，假設脫硫廢水濃液為1～3m3（蒸發器出口煙溫＞120℃），需要熱煙氣量1.0萬～3.0萬Nm3，300MW機組的煙氣量為100萬Nm3，抽取氣體量占總氣體量的1.0%～3.0%，對鍋爐效率有一定的影響：增加煤耗25～167kg/h。如果濃液處理量為1m3，蒸發器的直徑為2m。

（3）選擇空預器出口，電除塵器入口。此處煙氣溫度為140℃～150℃，取150℃，如果以一臺300MW機組為例，假設脫硫廢水濃液為1m3（蒸發器出口煙溫＞110℃），需要熱煙氣量為6萬Nm3，處理量為1m3時，旋風分離器的尺寸直徑為5.5m。且因蒸發器有500～800Pa的壓損，因此需配置一臺風機，使投資費用和運行費用均提高。但選取此處的煙氣作為熱源不會影響鍋爐效率。

綜上所述，通過投資成本、運行穩定及工藝的特點綜合考慮，選擇SCR反應器出口煙氣作為高溫熱源對脫硫廢水濃液進行初步蒸發，選取空預器出口煙氣作為低溫熱源對脫硫廢水濃液進行再次蒸發。

3.2 霧化噴嘴的影響

3.2.1 旋轉式霧化噴嘴

旋轉式霧化噴嘴借助了離心力和空氣動力而霧化流體，轉盤式噴嘴主要應用于噴霧干燥設備上[5、6]，國產離心噴霧機已有定型產品，如N603、N604等。噴霧干燥設備上的轉盤霧化器又有多種結構形式，如蝶形光滑圓盤、多管圓盤（N603、N604屬于此種）、多葉圓盤、多層圓盤（也帶噴管）等。圓盤霧化器，既有液膜式霧化，也有液柱式霧化原理的霧化器，其旋轉體轉速為3000～20,000r/min，圓盤圓周速度為60～170m/s，可處理的料液為每小時幾升至上萬公斤，不同料液在不同霧化器上可獲得不同霧滴尺寸，數微米至數百微米[7]。處理能力大、防堵效果好，但需盡可能提高旋轉體的轉速以保證霧化的粒徑，使得霧化范圍大，蒸發設備的直徑要求較大。

3.2.2 二流體霧化噴嘴

二流體霧化噴嘴利用壓縮空氣與液體的摩擦，產生均勻和細密的霧化效果，平均的霧化顆粒直徑在50微米以下，主要有內混式和外混式[8]。內混式：氣體、液體在空氣帽和液體帽腔體內部混合霧化，霧化原理為空氣破裂和撞擊，霧化效果理想，但不適合有一定黏性的液體。外混式：氣體、液體在噴出后，利用高速氣流對液體進行摩擦產生霧化。霧化原理為摩擦和產生的切向應力，霧化效果一般，尤其適合帶有一定黏性的液體。處理能力小、氣耗量大、霧化粒徑均勻，防堵效果一般。

3.2.3 一流體霧化噴嘴

單流體霧化噴嘴是一種在醫藥工業中廣泛應用的霧化方式，液體由泵加壓送入噴嘴，液體在噴嘴旋轉室內高速旋轉，然后從噴嘴的小孔噴出，使液體霧化成細小的液滴。其霧化特性取決于操作壓力和噴嘴的孔徑[9]。一般來說，細孔內外的壓力差越高噴孔越小，霧化的液滴越細，顆粒的分布越均勻；反之壓力差越小、噴孔越大，霧化的液滴越大，顆粒的分布越不均勻。處理能力及霧化效果一般，容易堵塞。不同噴嘴對比見表2。

表2 不同噴嘴對比

根據脫硫廢水濃液含鹽量高的特點，以及蒸發器直徑在3m左右，通過對比三種霧化噴嘴，該工程選擇處理能力小、霧化效果好、防堵能力適中、霧化形狀為細長形的二流體噴嘴（內混式），其噴嘴霧化如圖1。

圖1 二流體內混式噴嘴霧化形狀

3.3 旋風蒸發設備的影響

3.3.1 霧化噴嘴布置位置的選擇

為保證脫硫廢水液滴充分蒸發，避免未完全蒸發的液滴腐蝕蒸發器和電除塵器極板，需使煙氣在蒸發器里停留10s以上，同時使霧化噴嘴噴出來的流體盡可能地不碰壁。因此以旋風分離器為參考模型設計蒸發器[10]，高溫熱源從蒸發器頂部進入，低溫熱源從蒸發器側部切線進入，混合煙氣從蒸發器底部出去再進入電除塵。噴嘴布置在旋風分離器的頂部中間位置。

3.3.2 蒸發設備內部件的影響

（1）擋板對蒸發設備內部流場的影響

對蒸發器器壁設置擋板（100mm）前后進行流場模擬，圖形見圖2～圖7。

圖2 無擋板高溫煙氣流線圖

圖3 無擋板低溫煙氣流線圖

圖4 無擋板霧化液滴流線圖

圖5 有擋板高溫煙氣流線圖

圖6 有擋板低溫煙氣流線圖

圖7 有擋板霧化液滴流線圖

通過對比可知，蒸發器沒有設置擋板時，低溫熱源從側部切線進入蒸發設備，進入蒸發設備后，在慣性和容器壁的作用下開始進行圓周運動，一直旋轉至蒸發設備的出口，其中越靠近容器壁的切線速度越快，在蒸發器中心切線速度基本為零，低溫熱源進入蒸發器后，其切向速度沒有因為流通面積的增大而大幅下降。高溫煙氣從頂部進入反應器，高溫熱源在蒸發器中心切線速度基本上為零，且因低溫煙氣快速旋轉，在蒸發器中心產生一個低壓區域，因此高溫熱源和低溫熱源兩者基本上不混合，高溫熱源直接從蒸發器中心區域流至蒸發器出口。因低溫熱源整體切線速度過快，噴嘴噴出來的液滴在向心力的作用下很快就被甩至容器壁上。

在蒸發器器壁設置100mm擋板時，低溫熱源從側部切線進入蒸發設備，進入蒸發設備后，在擋板的減速作用下，使切向速度下降，蒸發器中心不會產生明顯的低壓區域，高溫煙氣進入蒸發器后被低溫煙氣帶動旋轉，因低溫煙氣切線速度下降，噴嘴產生的液滴所受離心力降低，會跟著煙氣旋轉1～2圈后才會碰壁。

（2）整流板對蒸發設備內部流場的影響

為避免高溫煙氣直接從蒸發器中心區域流出蒸發器，在蒸發器上部椎體處設置一篩板，篩板中心開孔率為10%左右，四周開孔率為30%左右，流程模擬圖如圖8。由模擬圖8可知，高溫煙氣從頂部進入，通過放大氣流截面和煙氣整流裝置，使煙氣流速均勻，速度適當，液體噴灑在此位置，更有利于噴灑的水霧分散。

圖8 設置整流板的高溫煙氣流線圖

4 膜+高溫煙氣旋風分離技術與膜+MVR蒸發制鹽技術的對比（見表3）

從表3可看出，采用膜+MVR結晶蒸發技術產單鹽，設備初次成本高，還需要人工成本，同時設備轉動部件多，設備維修費高，6噸濃液MVR+結晶蒸發技術處理的成本比高溫煙氣旋風分離處理技術的成本高很多。同時MVR+結晶蒸發技術設備容易結垢，對脫硫廢水預處理要求高，要求鈣鎂離子濃度≤50mg/L，同時得到的副產物NaCl純度不穩定，工藝流程復雜。高溫煙氣旋風分離處理技術工藝流程簡單，轉動設備少，無副產物，無需專人看守。

5 結論

高溫煙氣旋風分離處理技術充分利用了電廠鍋爐廉價的高、低溫煙氣作為熱源來蒸發脫硫廢水濃液，利用壓縮空氣將脫硫廢水濃液霧化成100μm左右的細小液滴，采用旋風蒸發設備，延長了煙氣在蒸發器中的停留時間，有利于脫硫廢水濃液霧化液滴充分蒸發，進而不腐蝕煙道和電除塵器極板。

表3 膜+高溫煙氣旋風分離技術與膜+MVR蒸發技術的對比（處理能力原水30m3，濃縮液6m3）

脫硫廢水在蒸發器里蒸發成水蒸汽進入煙氣，水蒸汽在FGD脫硫塔里冷卻下來，可減少FGD的用水量，整個FGD工藝再無排水，可實現電廠脫硫廢水真正意義上的零排放。同時水蒸汽進入煙氣，可降低煙氣的溫度和灰塵的比電阻，進而提高電除塵的除塵效率。此外，水蒸汽進入煙氣，提高煙氣的濕度，當煙氣進入FGD脫硫塔后，在噴淋層的作用下溫度下降，煙氣的水分冷凝下來，水相變的過程中可促進PM2.5的凝并，有利于提高吸收塔對粉塵的脫除率。高溫煙氣旋風分離處理技術為脫硫廢水超低排放提供一條安全、可行、工藝簡單、能耗和投資成本低的新線路。

[1] 馬雙忱，于偉靜，賈紹廣，等.燃煤電廠脫硫廢水處理技術研究與應用進展[J].化工進展，2016，35（1）：255-262.

[2] 劉海洋，夏懷祥，江澄宇，等.燃煤電廠濕法脫硫廢水處理技術研究進展[J].水污染防治，2016，1（7）：31-35.

[3] 胡石，丁紹峰，等.燃煤電廠脫硫廢水零排放工藝研究[J].潔凈煤技術，2015，21（2）：129-133.

[4] 王森，張廣文，蔡井剛.燃煤電廠濕法煙氣脫硫廢水“零排放”蒸發濃縮工藝應用綜述[J].陜西電力，2014，42（6）：94-98.

[5] 胡鵬睿，惠龍，王永琴.煙氣脫硫旋流噴嘴霧化特性實驗研究[J].過濾與分離，2011，21（1）：20-23.

[6] 李達然，高永峰，徐秀萍.新型脫硫廢水霧化噴嘴流場特性的數值研究[J].環境工程，2015，33：443-447.

[7] HUANG Xiaoqing，ZHANG Xu.Experimental Study on Spray Cooling Performance of Pressure Atomizing Nozzle[J].Transactions of Tianjin University，2012，18:231-235.

[8] Nasser Ashgriz.Handbook of atomization and sprays[M]. New York: Springer-Verlag New York inc，2011:869-879.

[9] QIAO Haijun，GAO Dianrong.Numerical simulation for three dimensional spray field of the wet skin-pass mill nozzle[J].Proceedings of the 2011 International Conference on Fluid Power and Mechatronics，2011:130-134.

[10] 龔蔚成，鄧乾紅，楊景香.一種廢水蒸發設備及廢水處理裝置[P].2017.