火力發電廠濕法脫硫廢水深度處理工藝選擇探討

李世雄 郭聰明 郭 俊 胡朝友 杜志剛 于中凱馮寶泉 劉政修 郭 強 趙瀟然

（1. 內蒙古京泰發電有限責任公司，內蒙古 010399；2. 北京京能能源技術研究有限責任公司，北京 100022）

0 引言

GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放》標準頒布實施，對二氧化硫排放提出了明確要求。為滿足環境保護要求，燃煤鍋爐煙氣均需要進行脫硫處理。我國燃煤電廠主流的煙氣脫硫技術是采用石灰石-石膏法濕法，據中電聯統計，2017年當年新投運火電廠煙氣脫硫機組容量約0.4億千瓦；截至2017年底，全國已投運火電廠煙氣脫硫機組容量約9.2億千瓦，占全國火電機組容量的83.6%，占全國煤電機組容量的93.9%。為防止脫硫設備腐蝕，保證石膏質量，脫硫吸收塔需要排除一定量脫硫廢水。

傳統脫硫廢水處理工藝常采用氧化-中和-沉淀-絮凝-澄清處理工藝，配套安裝次氯酸鈉預氧化、Ca（OH）2中和、有機硫、FeClSO4絮凝、助凝劑沉淀及亞硫酸鈉還原等加藥系統，經處理脫硫廢水達到DL/T 997-2006《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質控制指標》[2]后排放或用于干灰（渣）加濕及灰場噴灑降塵。

2015年4月，國務院印發了《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”），提出到2020年，全國水環境質量得到階段性改善，污染嚴重水體較大幅度減少，飲用水安全保障水平持續提升，地下水污染加劇趨勢得到初步遏制；要求推進循環發展，鼓勵廢水深度處理回用；攻關研發前瞻技術，整合科技資源，加快研發重點行業廢水深度處理、工業高鹽廢水脫鹽等技術；禁止燃煤電廠脫硫廢水外排。DL/T 5046-2018《發電廠廢水治理設計規范》明確規定：脫硫廢水宜處理回用，當有零排放要求時，應對脫硫廢水進行深度處理。

目前燃煤電廠脫硫廢水深度處理技術主要包括脫硫廢水的預處理軟化技術、濃縮減量技術、蒸發結晶技術等，濃縮減量技術中包括膜法濃縮（RO、FO、ED等）以及熱法濃縮（利用蒸汽濃縮、煙道余熱濃縮等）[1]。不同的深度處理工藝，其投資、運行安全穩定性及成本等差異很大，因此，有必要對火力發電廠濕法脫硫廢水深度處理工藝進行研究、探討。

1 脫硫廢水深度處理工藝選擇

1.1 預處理系統

脫硫廢水深度處理工藝均可以分解為“預處理”、“濃縮”和“結晶”三個工藝段，后段工藝的特點決定了前端工藝的選擇。對于在“濃縮”段采用膜法濃縮的工藝，在“預處理”段都需要對廢水中的硬度進行徹底的軟化處理。目前，軟化處理工藝以傳統的化學加藥軟化澄清和管式微濾軟化工藝應用較多。

（1）化學加藥軟化-混凝澄清-過濾

在高效澄清器中投加混凝劑、絮凝劑、氫氧化鈉、碳酸鈉，降低脫硫廢水中的懸浮物、總硬度、二氧化硅和有機物等。采用NaOH-Na2CO3聯合軟化-混凝澄清-過濾的工藝流程如圖1所示；

圖1 化學加藥軟化-混凝澄清-過濾處理工藝流程圖

（2）化學加藥軟化-管式微濾

脫硫廢水經預沉池去除大部分懸浮雜質，在經過高效澄清池投加混凝劑、絮凝劑、氫氧化鈉、碳酸鈉，使水中懸浮物、鈣、鎂等硬度成分形成沉淀，再輸送到管式微濾膜進行固液分離。管式膜濾技術是一種錯流過濾、壓力驅動的膜分離技術，可取代傳統的加藥、絮凝、沉淀過程，用于去除水中亞微米級和更大的懸浮固體顆粒。化學加藥軟化-管式微濾工藝流程如圖2所示；

圖2 化學加藥軟化-管式微濾處理工藝流程圖

（3）澄清軟化處理方案比選

化學加藥軟化-澄清與化學加藥軟化-管式微濾兩種軟化處理方案的技術比較參如表1所示。

表1 軟化處理方案的技術比較

根據表1綜合比較，兩種方案均能滿足軟化處理要求。管式微濾方案占地面積小、無需增加超濾系統，出水可直接滿足后續膜濃縮系統運行要求，但該方案存在污堵風險，并且需要定期進行化學清洗，額外產生酸堿清洗廢水，增加酸堿藥劑費用。化學加藥軟化-高效澄清器方案為傳統成熟工藝，不額外產生二次廢水，但占地面積相對較大。考慮到后續濃縮-固化處理工藝的銜接，因此需根據脫硫廢水處理系統的整體工藝進行預處理工藝的選擇。

1.2 濃縮減量系統

脫硫廢水深度處理可選擇的濃縮減量工藝包括膜法濃縮工藝和熱法濃縮工藝兩種。

1.2.1 膜法濃縮減量工藝

（1）高壓反滲透

高壓反滲透是一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離技術。反滲透膜組件是反滲透單元中最重要的部件。開放式反滲透膜組件結合了開放式通道和卷式膜組件兩方面設計的優勢，具有狹窄且開放的通道，克服了其它普通反滲透膜組件的缺點，使得流體動力學性能大大優化，很大程度上減少了其它反滲透膜組件中常見的污染和結垢問題；

（2）碟管式反滲透

碟管式反滲透是反滲透的一種形式，是專門用來處理高濃度污水的膜組件，其克服了一般反滲透系統在處理滲濾液時容易堵塞的缺點，使系統更加穩定、運行費用更低，具有避免物理堵塞、耐受極高壓力等特點；

（3）電滲析工藝

電滲析是利用離子交換膜對陰、陽離子的選擇透過性能，在外加直流電場的作用下，使陰、陽離子定向遷移透過選擇性離子交換膜，從而使電解質離子從溶液中分離出來的過程。電滲析裝置通常采用貴金屬涂敷復合材料作為電極，抗腐蝕性強，電極使用壽命長久，并且設計采用耐污染型離子交換復合膜，具有較強的耐氧化、耐酸堿、抗腐蝕、抗水解的能力，不易堵塞，抗污染性強，膜的使用壽命長久，而且由于采用頻繁倒極的運行方式，可有效解決電滲析設備濃差極化的問題，設備自動化程度高，運行更加穩定可靠；

（4）膜法濃縮方案比較

三種膜法濃縮技術比較參如表2所示。

表2 膜法濃縮技術比較

三種膜法濃縮工藝均需要進行軟化預處理，運行成本和投資費用均相對較高，且占地面積大。其中高壓反滲透工藝應用較為廣泛，在火電廠應用案例較多，技術成熟度高，但是其濃縮能力有限，濃水含鹽量最高能夠達到9%左右；碟管式反滲透投資費用較高，可靠性較高；電滲析工藝技術成熟，在化工行業應用較為廣泛，其可在常壓條件下實現高倍率濃縮，濃水含鹽量可達15%以上。

1.2.2 熱法濃縮減量工藝

熱法濃縮減量工藝的原理是利用外部熱源加熱廢水使其濃縮減量，同時通過投加或利用廢水中的固體顆粒作為晶種，實現廢水濃縮的同時達到預防結垢的目的。目前，熱法蒸發濃縮工藝主要包括MVR立式降膜蒸發工藝、煙氣余熱閃蒸工藝以及低溫煙氣余熱蒸發濃縮工藝等。

（1）MVR立式降膜蒸發器系統工藝

MVR立式降膜蒸發器的原理參如圖3所示。

由于廢水的特性，含有一定量的結垢物質，為防止蒸發濃縮過程中在降膜管上結垢，采用晶種法防垢，晶種法的原理基于物質沉淀析出時會傾向于吸附在結構較類似的物質上。若在處理液中加入一定量的晶種作為晶核，則處理液在濃縮后有物質析出沉淀時，會選擇附著在晶核上，而非管壁上。

圖3 MVR立式降膜蒸發器流程圖

該工藝對進水水質要求非常寬泛，因此預處理單元無需設置過濾器。蒸發器結構設計中要為晶種成長提供足夠的停留時間，通過液膜厚度控制防止干壁，控制晶種濃度防止結垢或堵塞；

（2）煙氣余熱閃蒸工藝

煙氣余熱閃蒸系統濃縮原理是利用物質的沸點隨壓力的降低而降低的特性，當高壓高溫流體經過減壓，使其沸點降低，進入閃蒸罐時，流體溫度高于該壓力下的沸點，會在閃蒸罐中迅速沸騰汽化，并進行兩相分離。在閃蒸過程中不需要熱量的加入。煙氣余熱閃蒸系統工藝流程參如圖4所示。

圖4 煙氣余熱閃蒸系統工藝流程圖

通常經過三效閃蒸濃縮，濃縮倍率最高可達到90%，并且在線50%～90%自動可調，濃縮后濃液進入后續固化處理裝置。濃縮閃蒸過程中產生的水蒸汽經過凝結后可回收至回收水箱用作脫硫廢水工藝水或其它用途補水；

（3）低溫煙氣余熱蒸發濃縮工藝

低溫煙氣余熱蒸發濃縮工藝主要設置廢水處理濃縮塔，利用電除塵與脫硫塔之間的高溫煙氣的熱量蒸發脫硫廢水，達到廢熱利用及脫硫廢水低成本減量的目的。低溫煙氣余熱蒸發濃縮工藝流程如圖5所示；

圖5 低溫煙氣余熱濃縮工藝簡圖

（4）熱法濃縮方案比較

三種濃縮技術進行比較結果參如表3所示。

表3 熱法濃縮技術方案比較

通過比較分析可知，上述三種濃縮工藝路線均可以達到脫硫廢水減量目的，各種濃縮工藝均有其優缺點。因此，具體熱法濃縮工藝可根據電廠實際場地、可用熱源以及各工藝工程應用進展情況進一步分析比選。

1.2.3 濃縮減量工藝比選

膜法和熱法濃縮減量工藝進行比較結果如表4所示。

從表4對比可知，傳統的膜法工藝相對成熟可靠，運行案例較多，但是其預處理要求嚴格，導致藥劑投加量大、運行費用較高；熱法濃縮工藝投資相對較高，運行案例相對較少，設備折舊高，但是其無需預處理、濃縮倍率較高，運行費用、維護費均較低[2]。

1.3 固化系統

1.3.1 煙道干燥方案

（1）旁路煙道干燥工藝

旁路煙道干燥技術，亦是在噴霧蒸發（Spray Drying）技術基礎上發展起來的。噴霧蒸發是流化技術用于液態物料干燥的方法。它是將液態物料濃縮至適宜的密度后，使霧化成細小霧滴，與一定流速的熱氣流進行熱交換，使水分迅速蒸發，物料干燥成粉末狀或顆粒狀的方法。

旁路煙道干燥技術是利用電站鍋爐煙氣余熱，把脫硫廢水噴入單獨設置的熱煙氣蒸發器中進行霧化干燥，在實現電廠廢水零外排同時，可以大大降低蒸發投資運行費用、避免傳統煙道噴霧干燥技術

結垢、堵塞等，是一種新型可靠的廢水固化技術[2]。旁路煙道干燥技術流程如圖6所示。

表4 膜法和熱法濃縮技術方案比較

圖6 旁路煙道干燥流程圖

旁路煙氣蒸發技術可以在高效處理電廠脫硫廢水的同時，提高除塵效率，減少脫硫水耗，兼具節能、節水、環保三方面的效益。

霧化效果直接關系到旁路煙道干燥系統的安全穩定運行，而噴嘴是核心部件。常規的霧化噴嘴包括雙流體噴嘴及旋轉式噴嘴，兩種噴嘴霧化方式均能滿足旁路煙道干燥系統霧化要求，具體工程實施中可根據現場需求進行霧化方式的選擇。兩種噴嘴霧化方式比較參如表5所示；

（2）主煙道干燥工藝

煙道噴霧蒸發工藝將脫硫廢水用廢水泵送至除塵器前主煙道，采用霧化噴嘴噴射，霧化后的脫硫廢水噴入煙道，利用煙氣熱量迅速在煙道中蒸發，廢水中的雜質以固體物質的形式和飛灰一起隨煙氣進入除塵設備，顆粒物被捕捉下來隨灰一起外排。主煙道干燥工藝流程參如圖7所示。

表5 雙相流與旋轉霧化蒸發方式的對比

圖7 主煙道干燥工藝流程圖

1.3.2 蒸發結晶方案

目前，蒸發結晶工藝主要包括多效蒸發結晶技術（MED）和蒸汽機械再壓縮技術（MVR）。

（1）多效蒸發結晶技術

多效蒸發技術是將蒸汽的熱能進行循環并多次重復利用，以減少熱能消耗，降低成本。加熱后的廢水在多個串聯的蒸發器中蒸發，利用前效蒸發產生的二次蒸汽，作為后效蒸發器的熱源，后效中水的沸點溫度和壓力比前效低，效與效之間的熱能再生利用可以重復多次。四效蒸發器工藝流程如圖8所示。通過多效蒸發后達到結晶程度的鹽水進入結晶器產生晶體，通過分離器實現固液分離，淡水回收利用，固體鹽外售；

圖8 四效蒸發結晶器工藝流程圖

（2）蒸汽機械再壓縮技術

蒸汽機械再壓縮技術是指將蒸發器蒸發產生的原本需要冷卻水冷凝的二次蒸汽，經壓縮機壓縮后，提高壓力和飽和溫度，增加熱焓，再送入蒸發器作為熱源，替代新鮮蒸汽循環利用，二次蒸汽的潛熱得以充分利用，同時還省去了二次蒸汽冷卻水系統，節約大量冷卻水，從而達到節能和降低運行成本的目的。蒸汽機械再壓縮蒸發器流程如圖9所示。

圖9 蒸汽機械再壓縮蒸發器流程圖

1.3.3 固化方案比選

煙道干燥和蒸發結晶方案比較參如表6所示。

由表6可見，三種工藝方案均能滿足末端廢水固化處理要求。蒸發結晶具有投資及運行成本均較高，產生的結晶鹽現階段難以處置特點；與傳統的蒸發結晶工藝相比，煙道干燥工藝具有投資和運行成本大幅降低、無結晶鹽固廢產生的優點。但旁路

煙氣蒸發系統存在靈活性不高的缺點，當鍋爐負荷較低時，抽取的煙氣量降低，旁路蒸發處理量相應下降；另外直接蒸發抽取高溫煙氣，其煤耗成本高。因此，為了降低運行成本，可通過濃縮減量降低廢水總量，同時綜合利用電廠低溫煙氣或者其他廢熱源作為蒸發熱源，對最后濃縮減量的脫硫廢水進行旁路煙氣蒸發，進一步降低煤耗。

表6 廢水固化處理系統方案比較

（表6）續

2 結語

（1）脫硫廢水深度處理技術路線選擇應遵循安全可靠及經濟性原則，遵循因地、因煤、因爐制宜一廠一策原則，遵循環保協同性原則及脫硫廢水處理產物無害化原則；

（2）脫硫廢水深度處理技術路線選擇一定要結合現行的國家法律、法規及當地的環保政策，根據項目環境影響報告書批復及排污許可證要求總體考慮，并適度預測國家及當地環保政策走向；

（3）脫硫廢水深度處理工藝可以分解為“預處理+ 濃縮+結晶”三個工藝段，每個工藝段都有不同的處理方法，每種處理方法均有自己的優缺點，脫硫廢水深度處理技術路線的確定，需要根據脫硫廢水水質并經充分調研確定；

（4）脫硫廢水深度處理采用煙道干燥固化工藝，考慮到鍋爐負荷及運行成本，脫硫廢水需要考慮濃縮減量處理；

（5）脫硫廢水采用“余熱閃蒸濃縮減量+旁路煙道干燥”作為脫硫廢水深度處理是比較好的技術路線，具有占地及設備投資少、運行成本低、系統運行穩定及自動化程度高等優點。