蒸發工藝在脫硫廢水零排放技術中的應用

叢法亮

摘要：現階段，在實際運行中，燃煤電廠廣泛選用石灰石-石膏濕法進行煙氣脫硫。在此工藝實施過程中，脫硫吸收塔內漿液循環反復使用，導致內部可溶鹽漿液持續濃縮。因此，為了維持整個煙氣脫硫系統內氯離子的平衡關系，確保脫硫性能，人們必須根據工藝要求不斷補充漿液。在這一過程中，脫硫系統會排放大量含有重金屬離子的廢水，這部分廢水含有大量的重金屬雜質、硫酸鹽、懸浮物以及亞硫酸鹽。當前，常規處理方法難以使燃煤電廠所產生脫硫廢水的排放符合規范要求。如何滿足環保要求，實現高含鹽脫硫廢水的零排放，已成為目前業內人士共同關注的一項課題。

關鍵詞：蒸發工藝;脫硫廢水;零排放

1、概述

目前國內火力發電廠煙氣脫硫系統采用石灰石-石膏濕法脫硫方式的比較多。濕法脫硫需要定期一部分廢水排出系統，以維持系統的平衡。這部分脫硫廢水水質成分較復雜，具有高濁度、高腐蝕性和高含鹽量及難處理的特點。濕法脫硫工藝中為維持系統穩定運行，避免氯濃度超標造成設備材料腐蝕及保證石膏品質，需要定期排放產生的廢水。脫硫廢水排放是以控制吸收塔內Cl-質量濃度在10-20g/L為宜。脫硫廢水的水質和水量主要受石灰石品質、燃煤種類及工藝補水水質的影響。由于脫硫廢水水質的特殊性，廢水處理難度較大，給燃煤電廠實現廢水“零排放”帶來了巨大挑戰。

2、脫硫廢水零排放技術路線

國內目前實施的脫硫廢水零排放技術主要由三部分組成：廢水預處理軟化、水量濃縮、固化結晶處理。其中預處理軟化通過投加化學藥劑以去除水中的鈣、鎂硬度，降低后續系統的污堵和結垢。主要為石灰-碳酸鈉、氫氧化鈉-碳酸鈉軟化法。前者由于藥劑成本低且能更好地去除SO42-，運用更普遍。水量濃縮的目的是減少廢水量，降低后續蒸發固化系統的投資和運行成本，其主要分為熱法濃縮和膜濃縮兩種。熱濃縮工藝主要還分多效蒸發（MED）和機械蒸汽再壓縮（MVR）工藝。而膜濃縮包括反滲透、電滲析、正滲透等膜法減量技術。固化結晶處理是對軟化濃縮后的廢水進行蒸發，使廢水中的水分汽化回收，鹽分固化成結晶鹽后外排處置，從而最終實現脫硫廢水零排放。目前針對固化處理中的蒸發結晶和煙道蒸發兩種工藝，業內人士對兩者的看法還存在一些分歧。

2.1蒸發結晶工藝

脫硫廢水蒸發結晶工藝是熱法結晶技術對預處理后的高鹽廢水中的可溶性鹽進行最終固化處理的一種方式。主要為多效（MED）和機械蒸汽再壓縮（MVR）兩種形式。經預處理軟化過的脫硫廢水，一般進行濃縮減量后送入蒸發結晶單元。廢水中鹽分結晶后以混鹽或工業純鹽的方式析出，蒸發出來的蒸餾水可廠內回用。為實現結晶鹽資源化利用，蒸發單元前端可設置納濾分鹽工藝。利用納濾膜對一價和二價鹽的選擇性截留作用，分離出廢水中的氯化鈉并最終結晶出工業級產品。

蒸發過程中的能耗：MED由于后一級加熱器采用前一效蒸發產出的二次蒸汽作為熱源，系統能耗主要是首效生蒸汽的消耗。而MVR工藝的熱源是經壓縮機升溫增壓后的二次蒸汽，系統除首次啟動需消耗少量生蒸汽外，正常運行時無蒸汽消耗，因此能耗主要來自壓縮機的電耗。

2.2煙道蒸發工藝

脫硫廢水煙道蒸發技術是將脫硫廢水經霧化器霧化后，借助煙氣余熱實現蒸發。蒸發產生的水蒸汽隨煙氣帶走，結晶鹽隨粉煤灰一起被電除塵器捕捉去除。

基于脫硫廢水水量和水質特點，為避免噴嘴污堵，同時受煙氣余熱蒸發可承受的負荷限制，在脫硫廢水處理工藝前端往往需設置“預處理+濃縮系統”，從而確保噴入煙道的水量和水質符合噴入煙道條件。

煙道蒸發按其蒸發位置的不同，分為主煙道余熱蒸發和高溫旁路煙道蒸發。

2.2.1主煙道余熱蒸發

主煙道蒸發主要是利用氣液兩相流噴嘴對預處理后的廢水進行霧化，并將其噴灑在空氣預熱器與除塵器之間的煙道內。在高溫煙氣的作用下，煙道內的廢水在噴入的瞬間被快速蒸發，蒸發后溶解性鹽分固化到灰分中。該技術在國外的研究較早，也有一些電廠的應用案例。相比而言，目前國內對該技術的研究仍處于探索期，缺乏對工藝運行條件及各因素間相互作用的深入研究。在國內的一些案例中，存在結晶鹽堆積在煙道底部，堵塞煙道的問題。

煙道蒸發要求精確控制煙溫高于對應條件下的酸露點，否則易造成除塵器電極板的腐蝕。同時為保證水分徹底蒸發，不會發生碰壁及觸底現象，就需對霧化液滴與煙氣之間的運動、傳質、傳熱規律進行深入研究，但目前該領域研究還是基于軟件模擬分析，實際經驗仍不足。同時主煙道余熱蒸發還受限于煙道結構。例如當霧化液滴為60μm時，液滴完全蒸發需要的時間不足1s。如按煙氣流速15m/s算，完全蒸干液滴需要的有效煙道長度滿足十幾米的距離。而實際電廠由于低低溫技術的普及，導致有效煙道長度減小，使主煙道蒸發工藝應用受限。

煙道蒸發后，固體鹽被電除塵器捕集后進入灰分中。而電廠粉煤灰多與礦渣和石灰石等物質一起用于配制混凝土及水泥等，按粉煤灰20%-40%的配比所制得粉煤灰硅酸鹽水泥中氯離子含量超過GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》中規定的氯離子質量分數小于0.06%的要求，影響水泥的使用。

2.2.2旁路煙道蒸發

為避免主煙道堵塞帶來的機組安全運行問題，后期提出了旁路煙道噴灑技術。其原理是利用高效霧化噴嘴將預處理或經濃縮后的高濃度含鹽廢水在外置蒸發塔內霧化，抽取空預器前部分高溫煙氣（約350°C）于蒸發塔內蒸發廢水。蒸發產生的水蒸氣和結晶鹽隨煙氣一起并入空預器與低低溫省煤器之間煙道。結晶鹽隨粉煤灰一起被除塵器捕捉去除;水蒸氣隨煙氣進入脫硫塔，在脫硫塔被冷凝后間接補充脫硫工藝用水，從而實現脫硫廢水零排放。

由于該工藝是引空預器前端煙道內高溫煙氣蒸發脫硫廢水，因此會影響原有鍋爐廠設計的熱平衡，降低鍋爐效率，并造成煤耗升高。例如浙能長興電廠300MW機組處理3t/h脫硫廢水，消耗3%～5%的高溫煙氣，造成鍋爐效率降低0.3%。

3、結論

總的來說，蒸發結晶工藝能回收高品質蒸餾水，并獲得可資源化利用的結晶鹽，但其投資運行成本高。若要在濕法脫硫火電廠脫硫廢水零排放項目中進行規模化推廣，相關工程公司和科研院所需通過合理選擇和優化蒸發結晶前端工藝，即預處理軟化及水量濃縮工藝，來降低和優化脫硫廢水零排放工藝的整體運行成本，以提高系統運行經濟性。相比蒸發結晶，煙道蒸發工藝設備簡單，運行投資費用低。但該工藝在國內目前還處在探索期，大規模工業運用之前仍需考慮并解決諸多問題，尤其是對鍋爐熱效率的影響和蒸發不徹底造成的設備腐蝕以及粉煤灰品質影響等等。

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