高溫旁路煙道蒸發技術在脫硫廢水零排處理中的技術對比與應用現狀

張愛民，趙 飛，鄭銘灝

(1．華能國際電力股份有限公司南京電廠，江蘇 南京 211500；2. 盛發環保科技(廈門)有限公司，福建 廈門 361000)

0 引言

目前，國內應用范圍較廣的煙氣脫硫技術主要有氨法、石灰石-石膏法、煙氣循環流化床法、海水法等[1]。其中石灰石-石膏濕法煙氣脫硫由于其技術成熟、脫硫效率高、適應性強等優點，在我國燃煤電廠的脫硫工藝中應用廣泛[2-3]。但是，該方法在脫硫過程中會產生含鹽量高、成分復雜、腐蝕性強的脫硫廢水。近年來，隨著環保法規的逐漸完善，國家對燃煤電廠中污染物的排放要求也越來越高。2015年，《水污染行動計劃》(簡稱“水十條”)將工業污染的防治工作列為國家發展的重要任務[4]。2017年環保部頒布的《火電廠污染防治技術政策》中鼓勵燃煤電廠廢水綜合回用，《火電廠污染防治最佳可行技術指南》中提出了鼓勵利用余熱蒸發干燥、結晶等處理工藝實現脫硫廢水近零排放的觀點[5]。

脫硫廢水零排放處理的工藝主要有：煙氣蒸發固化、多效蒸發結晶、MVR蒸發結晶、膜處理和煙氣余熱濃縮。其中，煙氣蒸發固化是利用鍋爐煙氣的熱量，通過直接換熱將廢水直接蒸干，蒸發生成的固體顆粒物附著在煙塵顆粒上，由除塵器捕集隨粉煤灰進行資源化利用。該工藝無額外廢棄物產生，且蒸發后產生的水蒸氣可用于濕法脫硫系統的工藝補水[6]。由于該工藝投資及運行成本低、流程簡單、無二次污染等優點，逐漸成為脫硫廢水處理的主流工藝。燃煤電廠脫硫廢水煙氣蒸發固化工藝主要分為高溫旁路煙道蒸發和直接煙道蒸發兩種技術。在電廠機組負荷普遍偏低的新常態下，直接煙道蒸發技術在實際工程中易出現廢水難以完全蒸干致使煙道腐蝕和積灰的現象；尤其是順應國家號召而安裝低溫省煤器的電廠，其尾部煙道可利用的有效蒸發長度變短，更不利于廢水蒸發[7]。

為克服直接煙道蒸發的缺點，高溫旁路煙道蒸發技術應運而生。根據霧化形式的不同，高溫旁路煙道蒸發技術可分為“旁路煙道旋轉霧化蒸發技術”和“雙流體旁路煙道蒸發技術”。本文對這兩種技術的應用情況進行了充分的市場調研，并深入分析了各自的技術參數及應用邊界，最后針對項目現場存在的問題進行了討論與總結，以期為后續項目的實施提供借鑒與參考。

1 高溫旁路煙道蒸發技術

高溫旁路煙氣蒸發技術是在直接煙道蒸發技術上進行的優化，其原理是通過抽取處于SNCR后、空預器前的部分300～350℃熱煙氣作為干燥介質，將熱煙氣和經霧化器霧化后的霧滴在旁路煙道蒸發器內進行迅速的傳質傳熱，完成干燥過程；干燥產物附著在煙氣中粉塵顆粒上，隨熱煙氣一起返回主煙道，最終被除塵器捕集后進入粉煤灰進行資源化利用[8]。結合實際工程經驗可知，其設計蒸發廢水量每100MW容量不應超過1t/h；抽取高溫煙氣總量不應大于鍋爐BMCR工況煙氣量的3%；抽取煙氣溫度應≥280℃；蒸發排煙溫度(高溫旁路煙道出口煙氣溫度)應高于酸露點10℃以上；噴槍布置及角度設置和蒸發后煙氣流速、流場分布不應對鍋爐效率產生影響；混入灰中的固化后鹽分不應影響粉煤灰綜合利用。

2 兩種高溫旁路煙道蒸發技術對比

根據蒸發器霧化器類型不同，高溫旁路煙道蒸發技術一般分為“旁路煙道旋轉霧化蒸發技術”和“雙流體旁路煙道蒸發技術”。雖然兩種技術都是通過設立獨立的蒸發器來實現脫硫廢水的高效蒸發，但其在工作原理、霧化方式、核心設備參數及后期運維上存在著一些差異和共性問題。

2.1霧化原理

旁路煙道旋轉霧化蒸發技術是利用高速旋轉的霧化盤帶來的離心力將脫硫廢水伸展為薄膜或牽拉成絲，隨后在霧化盤邊緣破裂形成小霧滴被噴入干燥塔內進行干燥的過程。該技術的核心設備是旋轉霧化器，其核心作用是將脫硫廢水在霧化盤離心力的作用下霧化為直徑為10～60μm的小霧滴。霧化后小霧滴與經過分散的熱煙氣接觸后,水分被迅速蒸發,廢水中的鹽類形成粉末狀干燥產物。霧化過程中需控制廢水流量、霧滴粒徑、空預器出口煙溫、煙氣分布情況以避免“粘壁”現象的發生。

雙流體旁路煙道蒸發技術則是利用高速壓縮空氣使脫硫廢水液膜產生分裂，使壓縮空氣和脫硫廢水之間產生摩擦力和剪切力，脫硫廢水在瞬間被拉成一條條細長的絲，這些液絲在較細處很快斷裂形成霧滴。該技術的核心設備是雙流體旁路煙道蒸發器，其特點在于中心管(即液體噴嘴)走料液，壓縮空氣，經氣體分布器后，從環隙(即氣體通道或稱氣體噴嘴)噴出。當氣-液二相流，在噴嘴出口端面接觸時，由于氣體從環隙噴出的速度很高，一般為200～340m/s，也可以達到超聲波速度，但液體流出的速度不大(一般不超過2m/s)，因此，在二流體之間，存在著很大的相對速度，從而產生相當大的摩擦力，使料液霧化，隨后被蒸干。該技術霧化過程中也需要控制廢水流量、霧滴粒徑、空預器出口煙溫、煙氣分布情況及氣液比等關鍵參數使得料液能夠在接觸蒸發器壁之前完全蒸干，以避免“粘壁”現象的發生。

旋轉霧化蒸發塔原理示意圖 雙流體旁路煙道蒸發器示意圖

2.2 蒸發器外觀對比

旋轉霧化蒸發塔在設計上采用“矮胖型”設計，這是由于霧化后液滴離開霧化盤時的橫向速度很高，同時還需保證液滴不粘壁，這就從根本上要求蒸發塔需要具有直徑龐大的外觀結構，所以旋轉霧化蒸發塔一般占地面積較大且需要設立相應的地基；而雙流體旁路煙道蒸發器采用的是“瘦高型”設計，這是由于雙流體霧化過程中，液滴離開霧化器時主要產生較大的縱向速度，橫向速度較小，同時還需保證煙道內部煙氣具備較高的流速，所以，煙道直徑不宜過大。相較于前者雙流體旁路煙道蒸發器可因地制宜，利用鍋爐尾部煙道間隙等。兩種蒸發器實物見圖2。

旋轉霧化蒸發塔 雙流體旁路煙道蒸發器

2.3 工程應用項目匯總

調研在建及已投運的高溫旁路煙道蒸發技術項目情況見表1[9-15]。

表1 國內高溫脫硫廢水旁路煙道蒸發技術項目應用匯總表

由實際工程調研結果可知，旁路煙道旋轉霧化蒸發技術和雙流體旁路煙道蒸發技術的市場占比均等，且均有投運兩年的工程項目。而在工藝路線上，前者多采用直接末端旁路煙道蒸發的方式處理脫硫廢水，后者則多采用“預處理+濃縮減量+末端旁路煙道蒸發”的三段式工藝處理脫硫廢水。

2.4 核心參數對比

通過市場調研及實際工程運維經驗，總結了兩種高溫旁路煙氣蒸發技術在噴嘴霧化性能、設備磨損堵塞情況、運維簡易程度、占地面積及運行成本等方面上的差異，結果見表2[16-17]。

表2 旋轉霧化干燥塔和雙流體噴嘴旁路煙道蒸發器對比表

2.5 常見現場運行問題對比及解決方案(表3)

表3 旁路煙道旋轉霧化蒸發技術和雙流體旁路煙道蒸發技術在現場中常見問題及解決方法

3 總結及展望

本文針對燃煤電廠脫硫廢水的零排放處理需求，闡述了旁路煙道旋轉霧化蒸發技術和雙流體旁路煙道蒸發技術兩種高溫旁路煙道蒸發技術于工程中的應用進展和主要差異性。與旁路煙道旋轉霧化蒸發技術相比，雙流體旁路煙道蒸發技術存在占地面積小、霧化粒徑小、結垢及污堵傾向更小、噴嘴結構簡單、磨損小、對鍋爐效率影響更小和檢修方便等優勢，但也存在單臺蒸發水量小、工藝復雜、需要控制廢水中懸浮物含量及需要消耗壓縮空氣等劣勢。所以在兩種高溫旁路煙道蒸發技術的設計選擇中，應根據電廠實際情況(①燃煤機組的容量以及鍋爐煙氣抽取能力；②電廠脫硫廢水水質水量；③電廠可利用的場地；④投資運維成本;⑤粉煤灰綜合利用情況;⑥鍋爐尾部煙道布置情況)來因地制宜地選擇更具經濟性和穩定性的高溫旁路煙道蒸發技術。總而言之，高溫旁路煙氣蒸發技術利用高溫煙氣實現了脫硫廢水的高效蒸發。蒸發過程中，無需額外熱源，運行能耗低并且有效改善了直接煙道蒸發處理水量不足、檢修不便和煙道腐蝕結垢的問題，使之具有投資少、運行省、無固廢等優勢，具有較大的推廣應用前景。