火電廠脫硫廢水“零排放”工程改造方案淺析

杜志新

（國投北部灣發電有限公司，廣西 北海 536017）

引言

2006年國家發展和改革委員會發布《火力發電廠廢水治理設計規程》（DL/T 5046-2006）。2007年11月頒布了《國家環境保護“十一五”規劃》，明確要求在鋼鐵、電力、化工、煤炭等重點行業推廣廢水循環利用，努力實現廢水少排放或“零排放”。2015年4月，國務院頒布印發《水污染防治行動計劃》，以加大水污染防治力度，保障國家水安全。

燃煤電廠現有的脫硫廢水處理系統，可在一定程度上去除廢水中的重金屬、SS、硬度離子等雜質，水質有所改善；但廢水中高濃度氯離子無法去除，且硬度離子去除不徹底，處理后的脫硫廢水存在很強的腐蝕性，廢水無法回用至電廠脫硫系統或其他系統，若直接排放將嚴重污染環境。隨著國家相關政策法規對環保要求的趨嚴，電廠脫硫廢水“零排放”已勢在必行，現有的脫硫廢水處理系統已無法滿足國家相關政策法規及“零排放”的環保、環評要求。因此，脫硫廢水處理系統必須進行改擴建。

現行的傳統火力發電企業的脫硫廢水處理一般采用中和沉降絮凝箱方法，該工藝為傳統的三聯箱處理工藝，其工藝流程為：混凝沉淀法處理，經中和、絮凝、反應、沉淀、分離等方法對脫硫廢水進行預處理，污泥進行壓濾外運，處理后的脫硫廢水一般達標排放或干灰加濕、灰場噴淋等簡單回用。

1 國內外脫硫廢水“零排放”處理方法概況

1.1 蒸發結晶法

廢水蒸干系統是將脫硫廢水通過高溫蒸發，蒸發過程可采取不同的工藝，如多效蒸餾、多級閃蒸、蒸汽壓縮等。經蒸發后，得到含有結晶固形物的濃縮液，通過干燥霧化或離心分離，將晶體分離出來。由于蒸發結晶出的固體物為雜鹽混合物，沒有銷路，故分離出來的晶體雜鹽再設法填埋。

該方法目前在國內外均有運用，整個處理過程需消耗大量的蒸汽和電能。該方法的投資和運行成本高、能耗偏高，增加的設備設施的維護量較大，并需要有較大的建設空間。此外，結晶分離出來的鹽類固化物需進一步處置，存在固體廢棄物的處理問題，并存在設備內結垢的弊端，導致未能廣泛推廣。

1.2 煙道蒸發法

該方法將經過常規處理的脫硫廢水用泵送至除塵器的前煙道，經壓縮空氣將脫硫廢水在除塵器前煙道內霧化。由于除塵器前煙道中的煙氣溫度較高，噴入煙道的霧化脫硫廢水會迅速在高溫煙道中蒸發，廢水中的雜質以固體物的形式和粉煤灰一起隨煙氣進除塵器，經除塵器捕捉，隨粉煤灰一起外排。

該方法通過利用鍋爐煙氣余熱蒸發的方法將脫硫廢水中的水和雜質分離，做到了脫硫廢水“零排放”。該方法在日本、美國、捷克等已有成功運行案例，廢水處理量可達20m3/h。

煙道蒸發法的投資較少，運行成本較低，但需要對鍋爐、汽機、脫硫設備、除塵設備、煤質等進行系統性的研究及核算，根據運行參數、煙氣量、煙氣溫度等進行詳盡的系統設計，否則可能會對相關設備造成不利影響，進而影響“零排放”的經濟性。

2 四種改擴建方案論證

2.1 方案一：多效蒸發結晶法

原三聯箱+預處理+蒸發+結晶。改造原有的三聯箱處理系統，新建預處理系統，處理廢水達到可蒸發結晶條件，新建廢水蒸發系統、結晶系統。

某電廠脫硫廢水處理采用多效蒸發結晶法建造處理能力為20m3/h脫硫廢水“零排放”系統，采用四級多效蒸發技術，熱源采用電廠蒸氣。脫硫廢水水質見表1，工藝流程如圖1。

表1 某電廠典型脫硫廢水水質

圖1 某電廠脫硫廢水蒸發結晶處理工藝

該項目總投資約為9750萬元，總占地3萬平方米，蒸發結晶處理工藝不僅占地面積大、投資成本高，其運行成本也較高，每噸水的處理成本高達286.6元。

2.2 方案二：原三聯箱+樹脂軟化+反滲透+正滲透+蒸發結晶膜處理

改造原有三聯箱處理系統，新建樹脂軟化系統、反滲透系統、正滲透系統、蒸發結晶膜系統。

某水處理工程公司采用該工藝新建脫硫廢水“零排放”處理工程。主體工藝為“三聯箱”+樹脂軟化+反滲透+正滲透+蒸發結晶膜處理。項目建設總投資8500萬元，總占地面積約1000m2。脫硫廢水處理系統的運行成本為噸水處理成本高達123.5元。

2.3 方案三：外置式煙氣蒸發結晶，原三聯箱+軟化+雙膜法+外置式煙氣蒸發結晶

改造原有三聯箱處理系統，新建軟化處理系統、雙膜法處理系統、外置式煙氣蒸發結晶系統。

外置式煙氣蒸發結晶系統：脫硫廢水經兩級軟化系統和雙膜法減量系統回收70%的淡水，剩余30%的濃水通雙流體霧化裝置在外置式高效蒸發結晶器內進行霧化結晶，結晶器引用空氣預熱器前端的高溫煙氣對脫硫廢水進行快速蒸發結晶，結晶器出口并入空氣預熱器后端的主煙道內，實現脫硫廢水的“零排放”。

脫硫廢水外置式煙氣蒸發“零排放”技術，采用三大系統、九大模塊，包括脫鹽前系統（除重模塊、除固模塊和除硬模塊）、脫鹽系統（淡化減量模塊、蒸發結晶模塊、氣固分離模塊）、電控系統（電氣模塊、監測模塊、控制模塊）。外置式煙道引入煙道高溫煙氣，無需其它熱源，屬余熱利用；做到脫硫廢水完全回收利用，應用于脫硫系統，節省相同數量的脫硫工藝用水，減少電廠水耗量，可實現電廠脫硫廢水“零排放”。其處理工藝如圖2。

廢水處理系統簡單，工程投資省、運行能耗低、處理費用小。投資額度約3000余萬元，占地500m2每噸水的處理費用59.7元；經濟性比較合理。

2.4 方案四：外置式雙煙氣蒸發結晶

圖2 外置式煙氣蒸發結晶系統

外置式蒸發脫硫廢水“零排放”技術為：1）一級蒸發（濃縮塔系統）：由除塵器后的煙道上引一路煙氣（煙氣溫度維持在80℃～150℃），煙氣經煙道接入濃縮塔系統，廢水旋流器產生的脫硫廢水（取消三聯箱）經濃縮泵送入濃縮塔內形成自循環，與熱煙氣在濃縮塔內充分換熱進行一級蒸發，濃縮塔出口煙氣溫度維持在50℃～70℃，出口煙氣通過煙道接入后續脫硫處理系統。濃縮后的濃水經水處理系統進入二級蒸發。2）二級蒸發（四段法蒸發爐）：由鍋爐空預器前引300℃～400℃煙氣或熱一次風作為二級蒸發的熱源。熱煙氣經煙道接入四段法蒸發爐中，濃水經水處理系統處理后形成的噴射液由泵送至在蒸發爐內進行二級蒸發，從而實現脫硫廢水的完全蒸干，蒸發爐出口煙氣溫度控制在110℃～150℃，蒸干鹽被收集系統收集。

兩級蒸發脫硫廢水“零排放”技術特點：兩級蒸發技術，取消原有脫硫系統中廢水處理系統（三聯箱工藝），污泥量大幅降低，由污泥產生的危廢量同步減少；廢水濃縮無膜濃縮系統，無鈣鎂離子結垢問題；濃縮塔取代傳統預處理（水質軟化+膜濃縮），廢水濃縮無需水質軟化，無加藥費，投資和運行費用大幅降低；濃縮塔利用除塵器后凈煙氣的余熱進行濃縮，蒸發出的凈水隨煙氣進入脫硫吸收塔，降低脫硫塔補水量，節水、節能效果明顯。

該廢水處理系統更加簡單，工程投資省、運行能耗低、處理費用少。投資額為1800余萬元，占地面積小，噸水處理費用29.7元，性價比較高，但業績較少。

3 方案經濟性比較

4種工藝方案的經濟性分析比對見表2。

綜合比較，外置式煙氣蒸發結晶工藝可充分利用現有設施滿足新增水量擴建要求，可實現對脫硫廢水100%完全回收利用，節省相同數量的脫硫工藝用水，減少電廠耗水量；同時外置式煙氣余熱蒸發結晶工藝建設投資成本較少、有運行業績、運行成本較低、占地面積較小、運行風險較低，此外該處理工藝運行穩定，運行控制自動化程度高，對工藝難點的處理有應對措施，對電廠其它系統無影響，實用性強。兩級煙氣外置式蒸發脫硫廢水“零排放”技術，尚處于開發研制階段，暫無使用業績，因此，兩級軟化系統+雙膜法+外置式煙氣余熱蒸發結晶處理工藝，目前為優先選擇方案。

表2 脫硫廢水處理方案經濟性分析比對表

4 重點方案工藝路線

外置式煙氣余熱蒸發結晶工藝的技術路線可實現真正意義上的“零排放”，脫硫廢水經預處理系統處理后進入雙膜減量處理系統；經雙膜法處理產生70%淡水直接回用至脫硫系統或工業水系統，雙膜法產生30%濃水通過雙流體霧化噴槍使廢水在外置煙道內霧化，外置煙道引入煙道內高溫煙氣，此煙氣具有巨大的熱容量，霧化的水滴與高溫煙氣迅速進行傳熱、傳質、蒸發，蒸發形成結晶物與水蒸汽進入靜電除塵器實現氣固分離，結晶物附著在灰分上，水蒸汽進入脫硫島系統冷凝，間接回收。外置式煙氣蒸發結晶系統見圖3。

圖3 外置式煙氣蒸發結晶系統

4.1 工藝流程第一部分

工藝流程第一部分包括脫鹽前系統，包括除重模塊、除固模塊和除硬模塊。

（1）脫鹽前系統主要工藝為兩級混凝沉淀，去除水中鈣、鎂等硬度離子、重金屬離子及固體懸浮物等污染因子。包括除重模塊、除固模塊和除硬模塊。

（2）除重模塊：中和廢水中H+，調節廢水pH至堿性，廢水中和后的弱堿性氛圍，有利于進一步針對重金屬離子進行絡合與結晶沉淀；將大部分重金屬離子以氫氧化物的形式完全沉淀出來；將部分酸根、鹵族離子中和為相應的無機鹽；去除廢水中鎂離子、硫酸根離子。

（3）除固模塊：該系統通過兩級混凝沉淀工藝，并選用PAC和PAM兩種高效絮凝劑配合使用，可最大程度地使已結晶析出的無機鹽、重金屬絡合物及SS等細小礬花積聚成為較大顆粒，以便于在廢水進入沉淀池后更快地沉降，廢水在沉淀池實現固液分離，澄清液進入后續減量處理系統，沉淀污泥通過排泥泵排入污泥收集池，最后進入污泥處理系統進行干化處理。

（4）除硬模塊：其主要反應機理為：

4.2 工藝流程第二部分

工藝流程第二部分為脫鹽系統，包括淡化減量模塊、蒸發結晶模塊、氣固分離模塊。

（1）淡化減量模塊：采用先進技術雙膜法（見圖4），主要組成為超濾與海水淡化膜設備。廢水經過預處理后進入淡化超濾與海水淡化膜濃縮后，淡水回用至脫硫系統，濃水進入蒸發結晶模塊。超濾與反滲透聯合使用的技術俗稱雙膜法，雙膜法屬于膜分離技術的一種，用于污水深度處理回用工程。

圖4 雙膜法

工藝特點：1）超濾采用先進的耐污染的柱式超濾膜，對RO膜進行保護；2）技術成熟，系統自動化程度高，操作方便，產水水質穩定；3）適應于較大范圍的進水水質，既適用于苦咸水、海水的處理，又適應于高含鹽廢水處理；4）系統適合更小的基建空間需要，占傳統處理空間的25%～50%，可分組安裝；5）系統抗污染能力強，可減少運行藥劑，運行成本低。

脫硫廢水經軟化處理及海水淡化膜處理后，產生濃水與淡水，淡水出水水質達到工業用水水質，可以回用至工業水系統；廢濃水進入蒸發結晶模塊。

（2）蒸發結晶模塊（見圖5）：應用“迅速噴霧蒸發”（RSE）技術，含鹽廢水通過管道霧化設備進入煙道，形成細小的水滴；在蒸發室的熱空氣中，水滴迅速蒸發，水和鹽分等雜質分離；霧化裝置將濃水霧化為適合的液滴，便于霧化的水滴與高溫煙氣在設計時間內迅速進行傳熱、傳質、蒸發，防止液滴在除塵器內產生未汽化的水，對除塵器極線、極板產生黏結。鍋爐煙氣的排煙溫度控制在煙氣酸露點以上。

圖5 蒸發結晶模塊

根據能量守恒估算完全蒸發廢水水滴所需要的煙氣量，計算得到所需的煙道蒸發器臺數。然后通過流體力學（CFD）計算技術確定噴嘴的布置位置、角度等技術參數。通過使用CFD軟件Fluent對廢水霧化噴入煙道后，煙氣與廢水霧滴之間的運動、傳熱、傳質進行數值模擬。

該系統的技術特點：1）系統最佳的煙氣混合效果；2）確定液滴霧化粒徑，霧化裝置的配置及最佳的霧化效果；3）霧化裝置的結構及材質，保證液滴霧化粒徑；4）蒸發時間控制，確定霧化液滴完全蒸發距離；5）蒸發溫度控制，噴水量精確控制。

不同煙氣含濕量條件下溫度與飛灰電阻率的關系曲線見圖6。

圖6 不同煙氣含濕量條件下溫度與飛灰電阻率的關系曲線

（3）氣固分離模塊：濃水經過蒸發結晶模塊后產生的結晶物與水蒸汽隨煙氣進入氣固分離模塊，該模塊中的結晶物在靜電除塵器氣流中荷電，在電場的作用下與氣流分離，隨粉煤灰進入灰斗排出，同時水蒸汽有效降低煙氣比電阻，提高除塵效率。高品質的水蒸汽進入脫硫吸收塔中，被吸收塔內大量的噴淋漿液吸收利用，可取代吸收塔相同的蒸發水量，節約用水，達到脫硫廢水完全回收利用的目的。

4.3 廢水處理目標

脫硫廢水經預處理系統處理后進入雙膜法處理系統進行深度處理，回收率≥70%，處理后產水出水達到工業用水水質要求，具體水質見表3。

表3 回用水水質一覽表

雙膜法系統處理后的濃水，利用外置蒸發結晶處理技術，在無需其它熱源的情況下，在煙道熱源進行霧化處理，實現電廠脫硫廢水真正意義上的“零排放”。

5 高效節能廢水結晶器的選型及設計

燃煤機組產生的脫硫廢水量，經雙膜法減量處理濃縮后可減少70%，單臺爐SCR出口2個煙道，每個煙道加裝一套高效節能廢水結晶器。其具體安裝方式見圖7。

圖7 高效節能蒸發結晶器安裝示意圖

6 相關影響分析

6.1 對機組的影響

高效節能蒸發結晶器引入SCR出口300℃以上的高溫煙氣，實現濃水完全蒸發后，控制煙氣溫度降至120℃左右。核算引入SCR煙氣量為燃煤系統煙氣的1%～2%，對系統影響可以忽略不計。

6.2 對粉煤灰的影響

鍋爐產生的粉煤灰經脫鹽預處理系統后，水中的污染物絕大部分以氯化鈉形式存在，核算量約為0.0099t/h，占粉煤灰的0.035%，低于《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）氯離子限量的要求：即水泥中的氯離子含量不大于0.06%。因此，對粉煤灰幾乎不產生任何影響。

6.3 對靜電除塵器的影響

由于噴入的脫硫廢水提高了煙氣含濕量，粉煤灰電阻率成倍降低，同時廢水蒸發過程吸收熱量，使得除塵器前的煙氣溫度降低，進而降低除塵器中煙氣的流速，延長煙氣在除塵器中的停留時間和降低煙氣對粉煤灰的拖曳力，因此，粉煤灰的脫除率明顯提高，除塵器效率顯著提升。

6.4 低負荷或雨季的影響

該方案采用PLC系統智能控制。在煙道內，設置有工業級煙道溫度感應器及流程偵測設備。霧化裝置的配置、噴水量通過計算機控制，根據煙溫、煙氣量控制霧化水量，確保外置煙道出口廢水完全蒸發結晶，確保后續系統安全運行；鍋爐在低負荷條件下，脫硫負荷減少，煙氣量同步減少，系統內Cl-離子及其它物質濃縮量會同時減少，脫硫廢水的產生量明顯減少，設計廢水緩沖罐，容納在此期間不能處理的廢水，在負荷高及煙溫較高時，提高霧化處理量。根據煙氣量、煙氣溫度、進水水質等參數，精確計算出可以接收的噴霧水量范圍，進行系統設計。

7 結語

兩級軟化系統+雙膜法+外置式煙氣蒸發結晶技術是目前的主流技術，具有運行穩定、成本較低等諸多優點，但脫硫廢水“零排放”的終極解決方案為兩級蒸發爐技術，其優點是投資和運行成本低、工藝簡單、設備體積小、占地面積小、不留任何固廢。