煙氣余熱蒸發濃縮干燥技術在電廠脫硫廢水零排放中的應用

冉初萌

（國家能源集團泰州發電有限公司，江蘇泰州225327）

0 引言

石灰石-石膏濕法脫硫為控制脫硫漿液中氯離子濃度和平衡其他離子濃度，必須定期排出部分經過石膏水力旋流站濃縮所得的脫硫廢水。脫硫廢水具有高鹽、高氯、強腐蝕的特點，并且含有大量的懸浮物以及重金屬。

1 常規脫硫廢水處理方法

常規脫硫廢水處理方法是廢水自流至脫硫廢水箱后，通過提升水泵將其送到脫硫廢水處理裝置，加入生石灰調節pH值，使重金屬離子生成氫氧化物微溶鹽和難溶鹽，再通過混凝澄清后從水中沉淀分離，出水排放至工業廢水池或者用于煤場噴淋。這種常規脫硫廢水處理方法的處理效果有限，未對廢水中的大量溶解鹽進行處理。

2 目前脫硫廢水的零排放技術路線

2015年1月1日我國正式施行的新環保法，以及2015年4月頒布實施的《水污染防治行動計劃》都要求對脫硫廢水進行深度處理，最終實現廢水零排放。

目前的脫硫廢水零排放技術主要為熱濃縮結晶技術、膜濃縮結晶技術、高溫煙氣蒸發干燥技術、煙道噴霧蒸發干燥技術，其各自特點如下：

（1）熱濃縮結晶技術原理是通過強制循環換熱，提高廢水的溫度，蒸發大部分廢水中的水分，使其回用到電廠其他系統中，廢水中的鹽水濃縮減量，濃縮后的鹽水通過特制的結晶裝置使鹽分結晶析出，然后二次分離。熱法濃縮主要包括機械蒸汽壓縮MVC/MVR法、多效蒸發法、蒸汽壓縮法。結晶部分主要是利用廢水中污染物的物理特性，在特制結晶器中使其結晶析出。結晶器的型式主要有湍流結晶器、強制循環蒸發結晶器、奧斯蒸發式結晶器等。

熱濃縮結晶技術的主要優點是占地面積小、效率高、受水質水量的影響較小。但是此法系統復雜，其投資運行費用高，蒸發器噸水造價大于120萬元，結晶器噸水造價大于150萬元，噸水運行成本在60元以上。其副產品為復合鹽，還需另外加以分離才可回收利用。另外，由于脫硫廢水的復雜性，蒸發器和結晶器均容易結垢，結垢后其蒸發和潔凈效率就會下降。如果脫硫廢水未軟化或者軟化效果不好，蒸發器和結晶器結垢情況更甚，清洗難度加大，運行時間縮短，系統的穩定性較差。

（2）膜濃縮結晶技術主要是濃縮環節跟熱濃縮結晶不一樣，其余都是一樣的設置，膜法濃縮是根據粒徑不同實現分離濃縮，達到減量的目的。膜法濃縮方法眾多，常應用于廢水零排放的主要為反滲透法、正滲透法、DPRO法。

膜法濃縮減量處理，相比較熱法濃縮技術的運行成本和一次投資成本大幅下降。但膜設備抗水質波動性差，易在膜和設備表面結垢，影響濃縮效率且后期運行、維護費用較高。

（3）高溫煙氣蒸發干燥技術抽取部分空預器上游的高溫煙氣（300 ℃），設置一套旋轉噴霧干燥塔，將經過預處理的廢水利用旋轉噴霧的方式噴射進入干燥塔內，干燥后的含塵煙氣直接進入靜電除塵器，與粉煤灰混合收集，實現廢水的零排放。

該工藝抽取熱煙氣量較多，處理1 t水折合煤耗約0.1 g，機組熱損失較大。噴霧干燥采用壓力噴嘴霧化的方式，噴嘴口徑較小，為避免噴嘴結垢，必須進行加藥軟化，藥劑費用較高。噴霧干燥塔長期連續穩定運行的可靠性差，容易出現貼壁、結垢現象，噴嘴堵塞風險較大。

（4）煙道噴霧干燥技術是將脫硫廢水進行軟化處理后，在空預器后的煙道內設置雙流體噴槍，將脫硫廢水直接噴射到煙道內干燥，干燥后的粉塵進入靜電除塵器實現脫除，最終摻混到粉煤灰中。

此技術工藝比較簡單但是空預器的煙氣溫度較低，會出現熱量不足，蒸發不徹底，煙道系統、噴嘴腐蝕嚴重等情況。

3 煙氣余熱蒸發濃縮干燥脫硫廢水零排放技術

本技術工藝抽取脫硫塔前高溫煙氣作為蒸發介質，利用濕法噴淋的工藝實現脫硫廢水的濃縮減量。濃縮后的廢水經過固液分離后，進入調質澄清池，利用消石灰調質后絮凝澄清，澄清后的漿液輸送至干燥床區域，污泥堆積后放入煤場摻燒。干燥床利用熱二次風作為干燥介質，將漿液濃縮蒸發為含塵氣體，最后進入靜電除塵前煙道與粉煤灰一同收集。其主要工藝流程如下：

（1）濃縮單元利用增壓風機抽取引風機后的高溫煙氣作為蒸發介質，利用煙氣的余熱，在濃縮塔中實現廢水的濃縮。煙氣從濃縮塔底部進入，依次經過廢水噴淋層和除霧器，冷卻后的煙氣返回脫硫塔前煙道。濃縮后的廢水在底部漿池中，含固量控制在15%～30%，pH值在0.5～1.0，氯根含量在100～200 g/L。

（2）調質單元利用消石灰加藥調質使漿液pH值在7～9。濃縮后的漿液通過濃縮漿液排出泵打至一級調質箱，經消石灰加藥裝置調節漿液的pH值在7～9。合格的漿液經一級調質混合泵輸送至一級調質澄清池，進行絮凝沉淀，沉淀后的上部澄清液溢流至一級調質濾清液箱，底流經兩臺一級調質污泥泵輸送至脫硫廢水系統澄清池進行沉淀，并最終經過板框壓濾機處理排固。一級濾清液箱內漿液經干燥料漿輸送泵輸送至漿液干燥系統進行下一步工藝處理。

（3）干燥單元利用熱二次風作為干燥熱源，干燥鹽溶液，最終生成顆粒物并吹入電除塵器內，完成脫硫廢水零排放的資源化處理。

煙氣余熱蒸發濃縮干燥工藝流程如圖1所示。

圖1 煙氣余熱濃縮蒸發干燥工藝流程

4 煙氣余熱蒸發濃縮干燥脫硫廢水零排放工藝性能分析

以煙氣余熱蒸發濃縮干燥工藝作為總體思路，目前已在1 000 MW機組上實現了15 t/h處理量的工業化裝置投運。投運以來，系統濃縮干燥能力穩定，對粉煤灰品質無顯著影響。其運行情況如下：

（1）濃縮單元采用漿液循環噴淋洗滌的方式實現漿液濃縮，為進一步提高漿液的濃縮倍率，減小系統水耗，濃縮塔系統不引入新鮮工藝水，包括除霧器沖洗水在內，均采用經過廢水原水冷卻。濃縮單元的主要性能參數檢測結果如表1所示。

表1 濃縮單元的主要性能參數檢測結果

經過濃縮后的濃縮漿液pH值在0.2～1，呈現出較強的腐蝕性，由濃縮漿液離子變化曲線（圖2）可以看出，經過濃縮后的漿液中的氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鎂離子等主要離子都呈現出較高的濃縮倍率，其中氯離子的濃度最高，在最大工況下，超過300 000 mg/L，屬于典型的高氯根、低pH值的酸性溶液。濃縮倍率可達5～10倍，相比其他濃縮技術，煙氣余熱蒸發濃縮干燥技術克服了熱耗高、設備可靠性低、濃縮倍率低的問題，且對于水質變化，具有極強的適應性。

經過煙氣余熱濃縮后，濃縮出口的煙氣排煙溫度為50～60 ℃，實現了余熱利用和廢水的濃縮減量目的。在連續的正常運行工況條件下，廢水連續處理量為13 t/h，濃縮漿液排放量約為0.8 t/h，為后續的濃縮漿液處理創造了良好的條件。

此外，濃縮系統運行無藥品消耗，僅需增壓風機、循環泵、攪拌器的電能消耗，約為600 kWh。

（2）調質單元通過加入廉價的消石灰在一級調質箱進行pH值調整，將其調整至弱堿性，之后再進入澄清池中絮凝沉淀，上清液為高濃度的雜鹽溶液，自流到一級調質濾清液箱收集，之后進入到后續干燥系統。

調質系統關鍵參數檢測結果如表2所示。圖3為在連續運行條件下，消石灰加藥量與濃縮漿液pH值之間的關系，可見加入少量消石灰，漿液的pH值迅速升高至5～6，之后繼續加入消石灰，由于氫氧化鈣的溶解度下降，pH值變化趨于平緩。在正常運行條件下，控制調質后漿液的pH值在7～9，在此堿性條件下，有利于氫氧化鎂的大量沉淀，可以降低上清液中的鎂離子含量。

此外，由圖3可見，將濃縮漿液的pH值提高至10左右，消石灰的耗量也極低，不超過50 kg/m3，因此，濃縮后的漿液特性與濃縮前的有較大差異，相比原三聯箱化學沉淀法，消石灰的消耗量大幅下降，可以利用較少的消石灰起到調節pH值的作用，為后續的干燥過程創造條件。

（3）干燥系統采用惰性載體流化床工藝，利用250～300 ℃的熱二次風作為干燥介質。由于前期廢水經過濃縮減量，最終的干燥料漿流量不超過1.0 t/h，抽取熱風量約為9 000 Nm3/h。使用熱風量小，高品位熱源消耗低，熱風占原總熱二次風的比例低于0.3%，對鍋爐熱效率影響小于0.02%。表3整理了干燥系統性能參數的檢測結果。

圖2 濃縮漿液離子變化曲線

表2 濃漿調質系統關鍵參數檢測結果

圖3 消石灰加藥量與濃縮漿液pH值之間的關系

表3 干燥系統性能參數檢測結果

運行經驗表明，該干燥裝置具有以下優點：

1）占地小，床體直徑是噴霧干燥塔的1/5，便于鍋爐區域的緊湊布置。

2）漿液以管道形式噴灑入床體即可，不需霧化，因此不易堵塞，適合含鹽量、含固量、鈣鎂離子較高的漿液。

3）惰性顆粒具有一定的蓄熱能力，對料漿的適應性好，可適應漿液組分的大幅度變化。

4）惰性顆粒與床體之間有較強的撞擊強度，床體內不易結垢。

此外如表3所述，本工程干燥的漿液為雜鹽溶液，主要成分為氯化鈣、氯化鎂、硫酸鎂等雜鹽，控制床體溫度130～160 ℃，可有效避免雜鹽的分解，避免氯離子再次進入煙氣系統；通過靜電除塵器的有效收集，可保證固體形態的鹽類混入粉煤中，同時由于固體含量極小，固體量為100～300 kg/h，氯離子在粉煤灰的比例約為0.1%～0.3%，對粉煤灰的影響可以忽略，不會影響粉煤灰的出售。

圖4為裝置投運以來粉煤灰中氯離子濃度變化，由圖可見，粉煤灰中的氯離子濃度受燃煤離子濃度影響較大，在干燥系統投運后，粉煤灰中的氯離子濃度在0.1%～0.3%波動。按照《通用硅酸鹽水泥標準》（GB 175—2007）的規定，普通硅酸鹽水泥中的氯離子濃度不得超過0.6%，粉煤灰作為水泥生產的添加劑，正常添加比例為5%～10%，因此通常要求粉煤灰中的氯離子濃度不高于0.6%即可滿足正常使用要求。根據測試結果，并與下游水泥生產廠家落實，現有的粉煤灰的氯離子濃度滿足水泥生產要求。

圖4 裝置投運以來粉煤灰中氯離子濃度變化

（4）基于煙氣余熱蒸發濃縮干燥的脫硫廢水零排放裝置運行以來，廢水零排放的處理成本及物耗如表4所示。

該工藝系統運行成本低，主要消耗為電耗、消石灰和熱風，單位廢水的全部直接成本約為31.93元/t原水，小于原設計預期值40元/t。

此外通過廢水處理，回收的脫硫廢水的水以水蒸氣的形式直接進入煙氣中，增大了煙氣濕度，降低了后續脫硫塔的運行水耗，實現了結晶水的一步回收利用，避免了對回收水的二次處理等問題。

表4 廢水零排放的處理成本及物耗

5 結語

本文針對某1 000 MW機組，利用煙氣余熱蒸發濃縮干燥脫硫廢水零排放技術，建立了一套脫硫廢水零排放裝置，通過裝置運行結果，獲得了以下結論：

（1）利用脫硫塔前低品位熱風實現廢水的濃縮減量，能耗低、適應性強。

（2）濃縮減量后的廢水調質加藥僅需少量消石灰，成本低。

（3）干燥工藝所需熱二次風少，對鍋爐熱效率影響小。

（4）經熱二次風干燥后，粉塵氣力輸送進入煙道由除塵器收集且不影響粉煤灰的質量，解決了“煙去哪”的難題。

該工藝系統運行穩定，成本低，真正實現了低成本的脫硫廢水零排放，對處理脫硫廢水具有重要意義，推廣意義極強。