機械蒸汽壓縮晶種法立式降膜蒸發減量一體化水處理技術在火電廠脫硫廢水零排放工程中的應用

郎鑫焱

（山西漳山發電有限責任公司）

0 引言

漳山發電2×300MW+2×600MW機組，近年相繼完成了超低排放改造等多項技改，用地極為緊張。

為響應環保政策要求，決定對脫硫廢水進行零排放改造。全廠脫硫廢水總排放量最大時60m3/h，長期在30～50m3/h。經校核和優化，最終確定脫硫廢水的處理量按最高50m3/h設計，其中30m3/h廢水進零排放處理系統，其余廢水經去除SS后直接回用。

1 改造方案比較與確定

1.1 改造依據及目標

脫硫廢水受煤質、石灰石品質及運行環境影響，水質分析是選擇廢水處理工藝最核心的要素，它決定了設計、系統結垢、可靠性、運行和建造成本。

結合場地情況，把脫硫廢水總量、減量目標、設備布置、系統阻力和其對風煙系統影響、處理能力、系統運行穩定性、維護操作、投資、檢修維護費用等作為首選目標。

1.2 改造水質分析

脫硫廢水水質存在的特性：TDS約2×104mg/L；氯離子5000～20000mg/L；硫酸根離子＜9000～30000mg/L；硝酸根離子＜1000mg/L；鎂離子4000～20000mg/L；鈉離子約2000～6000mg/L；鈣離子600～4000mg/L；少量鉀離子。

1.3 改造路線確定

技術路線要避免或延緩脫硫廢水處理過程中的系統和設備結垢問題，需進行各項技術研究與比較，選擇適合自身特點的工藝路線。各工藝路線比較如下表所示。

表中，膜法濃縮和常規多效蒸發濃縮，對廢水預處理工藝要求較高，需對廢水做全軟化處理，軟化藥劑消耗量很大。且軟化過程中還會產生一定量污泥，增加了處理費用。

表 水處理工藝路線比較

低溫煙氣濃縮運行成本較低，但本項目處理水量較大，超出了單塔處理能力。且項目場地緊張，難以提供足夠的空間。

低溫閃蒸本質上也是一種多效蒸發器，能耗較高，蒸發器真空度非常容易被破壞，設備使用壽命短。

綜合考慮處理能力、投資、運維成本等因素，降膜濃縮減量+旁路噴霧干燥工藝，適合實際情況。

因脫硫廢水量大，濃縮減量是關鍵。同時兼顧系統運行可靠性，減少結垢，降低運行和維護成本。

在關鍵技術篩選基礎上，進一步完成改造目標：

1）廢水量大，煙道直噴蒸發和單一尾部干燥無法滿足處理量要求。

2）場地小，設計需因地制宜，分部單元分開布置。

3）考慮投資與運行成本，優選綜合成本低的方案。

4）考慮設備運行可靠性及穩定性，優選可避免或延緩系統結垢，耐腐性能優越的設備。

5）本項目碳酸根離子極少，無需對廢水進行軟化。

綜上因素的考慮，最終采用HDC（Y）一體化廢水預處理+機械蒸汽壓縮晶種法立式降膜蒸發減量+旁路煙道噴霧干燥方案。

預處理主要把廢水濃度、澄清濃縮池離心分離效果作為主要設計重點，并實現一種混合藥微量添加，高效降低出水懸浮物，高標準滿足濃縮系統進水要求。

濃縮系統主要把握減量蒸發器熱應力、濃縮倍率、蒸發器布水、晶種法蒸發工藝等設計原理，把材料耐腐性能、蒸發器延緩結垢、漿液循環、介質脫氣及消泡、壓縮機保護等作為設計重點，確保高鹽水不腐蝕、不結垢、不損壞設備。

干燥系統主要把握噴霧效果及控制結晶堵塞、噴頭耐腐性能、流場布置、干燥塔溫度和濕度對布袋除塵器的影響。

2 設備結構特點、設計參數

2.1 預處理系統（見圖1）

圖1 預處理示意圖

一體化處理裝置憑借其內部沉降結構切線旋流設計，改變傳統絮凝沉降中絮體顆粒隨機成長模式，借助于旋流澄清增加澄清器中漿體內部的壓縮比，促進大顆粒密實性絮凝體的形成。在提升絮團沉降速度的同時，保證微細顆粒的沉降效果，降低溢流清水的懸浮物含量，達到排放標準。根據水質投加專門配制的一種藥劑，實現吸附絮凝、去除重金屬的目的。

高效澄清器原理，如圖2所示。

圖2 高效澄清器原理圖

2.2 晶種法立式降膜蒸發減量系統

晶種法是基于晶核優先沉淀的原理。廢水中水分從換熱管內的鹽水膜表面蒸發后，殘余的濃鹽水處于過飽和，硫酸鈣、二氧化硅以及其他易結垢化合物開始析出。析出的化合物會優先附著在已有晶體上，使晶體顆粒生長，不會形成新的晶核附著在換熱器管表面（形成垢層）。晶種工作示意如圖3所示。

圖3 晶種工作示意圖

因晶種的再生需要一定溫度與時間。在多效蒸發器中晶種生長周期略短，晶種尚未長大即被排出，晶種粒徑過小，因而較難再生與回收，會導致晶種投加量很大，經濟性差。所以晶種法更適合于MVR蒸發濃縮工藝。

本項目選擇基于晶種法的MVRSBC蒸發濃縮工藝，將廢水濃縮至10m3/h以下。可將廢水TDS從3%～8%濃縮到15%～21%甚至更高；對懸浮物要求較低，因此預處理不需做全軟化。

MVR工藝原理：將蒸發器排出的低品位二次蒸汽通過壓縮機再次壓縮到較高溫度和壓力，重新得到熱品位較高的蒸汽并取代新鮮蒸汽作為熱源。壓縮后的蒸汽送入蒸發器的加熱室冷凝釋放熱量，而料液吸收熱量后沸騰汽化再產生二次蒸汽經分離后進入壓縮機，循環往復，蒸汽得到充分利用。

機械蒸汽壓縮根據不同蒸發工藝，分為直接蒸發（MVR）和晶種法降膜蒸發（MVRSBC）。晶種法降膜蒸發（MVRSBC）相對于直接蒸發（MVR），能有效控制結垢，需啟停時補汽，避免了使用蒸汽進行蒸發。本項目采用晶種法降膜蒸發（MVRSBC）工藝。

壓縮機葉輪采用2507材質，高壓變頻控制，設置有導葉高溫蒸餾水沖洗、溫度與震動保護、過載等綜合保護，確保壓縮機運行中不發生水沖擊及各類事故。

工藝主要特點：

1）只要在蒸發啟動時提供一定的能量使系統產生二次蒸汽，然后便不再用外加蒸汽而使蒸發連續進行。

2）采用晶種法蒸發器（SBC），在濃縮器啟動時，通過投加硫酸鈣晶種并維持晶種在蒸發器內循環。硫酸鈣和二氧化硅可以在晶種上生長，而避免在蒸發器的換熱管上生長結垢，降低了容易結垢物質在換熱表面結垢的傾向。

3）垂直管降膜蒸發器是在垂直管束管道內部的一層膜上蒸發鹽水的。鹽水被分散在管道內部的薄膜上，從管道外部蒸汽吸收熱量，實際熱傳導過程是熱量由蒸汽經過管道壁再經過薄膜到達鹽水。

工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程圖

工藝主要設備如圖5、圖6所示。

圖5 布水器

圖6 降膜蒸發器及降膜列管

把控的重點：

1）通過添加CaO或NaOH，控制廢水中鈣、鎂離子、硫酸根離子的含量；添加阻垢劑，保證鈣含量在設計范圍內。以平衡各離子，減少結垢。

2）系統每運行一定時間，需對降膜管進行高壓水沖洗或運行中在脫氣器前管路上加入酸、堿進行沖洗。

3）降膜蒸發器主要作用是膜的形成，以保證鈣鎂離子不會沉積在降膜管壁上。要保證膜的良好建立，須保證降膜管進水含鹽量穩定，要求布水器與降膜管的水分配足夠均勻、水壓和水量波動要小，蒸汽壓縮機、循環泵均需要變頻控制。高度自動化，能夠實現根據水質自動調節蒸發。

4）根據廢水量、含鹽量、氯離子含量等指標，選擇蒸發器及管路的材質。鈣鎂鹽含量愈高，濃縮倍率愈高，要求材質的光潔度愈好，這樣會減緩結垢的發生和設備的腐蝕。

2.3 旁路煙道噴霧干燥系統

將少量SCR系統出口的高溫煙氣引入干燥塔，高溫煙氣將干燥塔內的廢水直接干化后，再經旁路煙道出口進入除塵器，煙氣中的結晶鹽和粉塵被除塵器捕集。

工藝結構簡單，可靠性高。當煙氣抽取量不高于3%時，對主煙道的影響很小。

受煙氣抽取量限制，最后進入混鹽工藝段的廢水量為8m3/h。固體鹽進入除塵器灰斗污染物排放為1.89噸/年。主要設備如圖7所示。

圖7 旋轉霧化及雙流體霧化器

3 設備投運情況

2021年1月，全廠脫硫廢水零排放改造完工，并投入運行。系統運行情況如下：

1）運行穩定可靠，處理能力達到設計值。

2）預處理SS為50～70ppm以下；水質指標滿足減量系統使用要求，澄清效果如圖8所示。

圖8 混凝澄清效果

3）減量系統處理能力30m3/h，濃相廢水為2～8m3/h（可調），出口TDS≥20萬ppm（可調）； 凝結水回水濁度小于1NTU，TDS小于100mg/L，完全滿足設計要求。

4）旁路干燥系統在機組負荷70%以上時運行穩定，能夠滿足設計值。機組深度調峰期，干燥系統受進風量和煙氣流速影響，其出力降低。

5）經廢水水質化驗，并考慮經旁路干燥后約95%的氯以固態形式進入灰中，因此進入粉煤灰中氯離子不高于140kg/h。

結合一、二期粉煤灰產生量，氯離子最高約為0.052%，滿足硅酸鹽建筑制品用粉煤灰使用氯離子含量≤0.06%的標準。

6）運行費用估算。噸水處理總費用￥37/m3，其中預處理 ￥8/m3，蒸發濃縮￥20/m3，霧化干燥￥9/m3。

4 結束語

1）本次改造較為成功。

2）對于處理量＞15～20m3/h的項目，機械蒸汽壓縮晶種法立式降膜蒸發減量裝置具有處理水量大，無污泥產生，運行成本極低；占地小，使用壽命長，綜合環保效益高等優勢。

3）旁路干燥受機組負荷影響，需結合煙氣系統和廢水量、環保要求具體核算選擇方案。