基于擴容蒸發與機械蒸汽再壓縮深度處理燃煤電廠脫硫廢水

石灰石-石膏法濕法脫硫工藝是我國燃煤電廠目前最成熟，同時也是應用最為廣泛的脫硫技術。該工藝排出的脫硫廢水具有高含鹽量、高硬度、高氯離子、較強腐蝕性和結垢性、水質波動大的特點。近年來，隨著環保政策的日益嚴格，燃煤電廠脫硫廢水處理正朝著零排放和資源化方向發展。

燃煤電廠脫硫廢水零排放工藝流程主要分為3 部分：預處理、濃縮減量和末端零排放處理。目前主要采用熱法對濃縮后的高含鹽廢水進行固化處理，主要包括煙道蒸發技術、多效強制循環蒸發技術(MED)和機械蒸汽再壓縮技術(MVR)。與前兩種技術相比，MVR 不但可以得到高純度的結晶鹽，同時具有設備緊湊、熱效高、低溫操作、不需要額外蒸汽驅動等優點。

本文以國內某燃煤電廠脫硫廢水經濃縮減量后的水質為參考，提出一種新的擴容蒸發—機械蒸汽再壓縮(MVR)工藝，用Aspen Plus 軟件建立了相關模型，并對模型進行了簡單驗證。探究了換熱器溫升、閃蒸罐前鹽水溫度、蒸發壓力及余熱回收等因素對系統功耗及性能系數的影響。

1 工藝流程

本文提出的工藝流程如圖1 所示，主要由2 擴容蒸發系統和機械蒸汽再壓縮（MVR）系統組成。

圖1 擴容蒸發-機械蒸汽再壓縮工藝流程圖

在工藝流程中，脫硫廢水濃縮液先經過預熱器加熱后進入換熱器1，經低溫煙氣加熱后進入閃蒸罐絕熱閃蒸，出口閃蒸蒸汽與MVR 系統產生的閃蒸蒸汽混合，然后進入壓縮機升溫升壓，作為MVR 系統的熱源加熱循環料液，而閃蒸罐排出的飽和料液則與循環料液混合后進入換熱器2 進行加熱升溫，接著料液進入蒸發室蒸發，其中產生的水蒸氣經除霧器后與閃蒸罐產生的二次蒸汽混合進入壓縮機，產生的飽和料液進入離心器進行結晶，最終離心器出口為結晶鹽及循環料液。

進口高含鹽廢水經擴容蒸發—機械蒸汽再壓縮系統后，產生二級工業鹽及冷凝水，與煙道直接蒸發和旁路煙道蒸發技術相比，既實現了水分的回收，又實現了鹽分的利用，是真正意義上的廢水零排放。

2 建模過程及模型驗證

Aspen Plus 是大型通用流程模擬軟件，廣泛應用于水處理領域，大量使用者采用此軟件對工藝流程進行模擬計算，其計算結果在誤差允許范圍內。本文利用Aspen Plus建立了擴容蒸發—MVR 高含鹽廢水處理工藝的流程模型，并進行了模擬計算。

2.1 組分定義

文中以燃煤電廠經預處理和濃縮減量的脫硫廢水為原型，模擬中忽略微量離子，采用電解質向導Elecrolyte Wizard 定義該體系中的組分。

2.2 物性方法

對于高含鹽廢水，采用ELECNRTL 物性方法進行計算，此物性方法適用于電解質體系。

2.3 建立模型

根據各個模塊功能建立整個工藝系統模型，如圖2 所示。

圖2 擴容蒸發-機械蒸汽再壓縮工藝系統模型

在建模過程中考慮了4 項基本假設：①系統在穩態條件下工作；②忽略給料泵的功耗；③整個系統熱損失約為5%；④考慮沸點升高對實驗的影響。

2.4 模型驗證

在整個工藝系統中，MVR 子系統作為整個工藝的核心，其仿真模型準確性對整個模擬起著至關重要的作用，以下模擬將對MVR 系統模型進行驗證。

根據實驗已有數據設入口條件：①廢水進口為濃度20%，溫度70℃的飽和硫酸銨溶液。②二次蒸汽壓縮比為1.8，壓縮機效率為0.8，入口為純飽和蒸汽。③采用絕熱閃蒸，操作溫度在70℃。④采用絕熱結晶及化學方法計算飽和度。

運行程序后將模擬結果與實驗結果作比，如表1 所示。

表1 模型準確性驗證表

由表1 數據可知，各關鍵參數都在實驗數據波動范圍內，可見模型與實驗數據較吻合，可以進行工藝流程模擬。

3 模型計算與分析

以國內某燃煤電廠經預處理和濃縮減量后的脫硫廢水為參考，忽略微量離子的影響，入口為一定濃度的NaCl 溶液，通過改變閃蒸室前鹽水溫度、蒸發室壓力等參數，探究其對系統功耗及經濟性影響。

3.1 系統功耗分析

圖3表示加熱器2 的冷端溫升對系統功耗及加熱器下端差的影響，隨著溫升值增大，循環泵功耗降低，而壓縮機功耗逐漸上升，總功耗先增大后減小最后緩慢上升，這主要是因為隨著溫升值增大，單位料液在蒸發室中的蒸發量增大，在出口冷凝水不變的情況下，循環料液流量減小，所以循環泵功耗降低，與此同時，隨著溫升值增大，壓縮機壓縮比上升，壓縮機功耗上升。

圖3 功率消耗隨冷端溫升值變化趨勢

圖4中隨著加熱器冷端溫升值增大，換熱器下端差逐漸增大，這是因為隨著換熱器冷端溫升增大，壓縮機壓縮比率增大，從而換熱器2 的出口冷凝液飽和壓力增大，冷凝溫度上升，在換熱器入口料液溫度不變的情況下，換熱器下端差上升，一般換熱器下端差要求5℃以上，當換熱器冷端溫升值為3℃，此時出口下端差為5℃，且系統功耗出現極小值，因此溫升值為3℃為最佳選擇。

圖4 換熱器下端差隨加熱器冷端溫升值變化曲線

圖5 中表示蒸發壓力對系統功耗的影響，循環泵功隨著蒸發壓力的降低而降低，但趨勢較緩，而壓縮機功耗下降明顯，這主要因為隨著蒸發室壓力降低，單位料液蒸發量增大，循環料液流量下降，從而導致循環泵功耗降低，同時由于蒸發室壓力降低，出口二次蒸汽溫度下降，在相同的壓縮比下，壓縮機功耗降低。但當蒸發室壓力低于40kPa 時，換熱器2 熱端出口存在未飽和蒸汽，同時換熱端差較小，不適合此工藝，所以蒸發壓力應在40kPa 時最佳。

圖5 功率消耗隨蒸發壓力變化趨勢

圖6 中表示系統總功耗隨閃蒸室前鹽水溫度的變化，隨著鹽水進口溫度上升，總功耗成比例下降，這是因為隨著鹽水進口溫度的升高，閃蒸室出口蒸汽量增大，在總蒸發量1700kg/h 的前提下，MVR 系統蒸發室所需蒸發量減小，循環料液量也隨之降低，換熱器2 熱負荷降低，相應的壓縮機壓縮比及功耗降低，所以系統總功耗降低，但當鹽水溫度高于91℃，換熱器2 熱端出口出現未飽和蒸汽。綜上，閃蒸室前鹽水溫度應為91℃最佳，此時每噸含鹽廢水的系統功耗為40.15kWh/t，而單MVR 系統運行時系統功耗為62.5kWh/t，相對于單MVR 系統，擴容蒸發—MVR 系統功耗最高可降低35.76%。

圖6 功率消耗隨鹽水進口溫度變化曲線

3.2 熱力性能分析

一般采用利用蒸發能量消耗與外界輸入的能量比值作為衡量不同系統的熱力性能系數（EER），EER 的計算公式為：

圖7 中表示鹽水進口溫度及有無余熱回收時對系統熱力性能系數的影響，隨著鹽水進口溫度的上升，熱力性能系數上升，這主要是因為鹽水進口溫度上升，壓縮機功耗降低，盡管系統熱耗有所上升，但總能耗下降，所以熱力性能系數增大，當閃蒸室前鹽水溫度為91℃、加熱器2 冷端溫升3℃時，此時的熱力性能系數為9.02。

圖7 熱力性能系隨鹽水進口溫度變化趨勢

4 結論

在系統出口為冷凝水和結晶鹽的前提下，系統功耗隨著加熱器2 冷端溫升值的增大先上升后下降，接著緩慢上升，在冷端溫升值為3℃，系統功耗最小40.15kWh/t。

隨著蒸發室內蒸發壓力的降低，系統功耗也跟著降低，為保證合適的換熱端差，最佳蒸發壓力應為40kPa。

隨著進口鹽水溫度的升高，系統功耗逐漸降低，當進口鹽水溫度為91℃時，系統功耗最小，與單MVR 系統功耗62.5kWh/t相比，擴容蒸發-機械蒸汽再壓縮系統功耗最高可降低35.76%。

系統技術熱能系數隨著鹽水進口溫度的升高而增大，與余熱未回收相比，余熱回收可顯著提高系統技術性能系數，性能系數最高為9.02。