燃煤電廠脫硫廢水零排放技術研究

俞海防

（淮河能源電力集團有限責任公司 安徽淮南 232001）

引言

當前我國針對廢水排放的標準日益嚴格,隨著《節(jié)約能源法》、《環(huán)境保護法》和相應的用水、排水收費政策頒布與逐步實施，對火電廠產(chǎn)生的環(huán)境影響提出了更高要求：“實現(xiàn)全廠污水零排放”，新建電廠將不預留排污口。2017 年國務院印發(fā)《火電廠污染防治可行技術指南》,明確提出了相關處理工藝是實現(xiàn)電廠脫硫廢水近零排放的可行性技術路線。為嚴格執(zhí)行國家的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范，火電廠作為用水、排水的大戶，實現(xiàn)燃煤電廠“零排放”已迫在眉睫[1]。零排放的關鍵在脫硫廢水。

1 脫硫廢水水質(zhì)影響因素及主要特征

1.1 脫硫廢水水質(zhì)影響因素

目前國內(nèi)應用最多，技術較成熟的脫硫工藝是石灰石-石膏濕法煙氣脫硫。截至2017 年年底，全國已投運燃煤電廠煙氣脫硫機組容量超過9.4×108kW，占全國煤電機組容量的95.8%[2]，其中90%以上燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術[3]。此工藝產(chǎn)生的廢水，受煤質(zhì)影響較大，因煤中可能含有包括重金屬元素在內(nèi)的多種元素，這些元素在爐膛內(nèi)的高溫條件下進行一系列化學反應，生成很多種不同的化合物。一部分化合物會隨爐渣排出，另一部分隨煙氣進入脫硫裝置吸收塔，溶解于漿液中，且在吸收漿液循環(huán)系統(tǒng)中不斷濃縮，造成脫硫廢水水質(zhì)比較特殊。

1.2 脫硫廢水水質(zhì)主要特征

脫硫廢水主要特證：第一，水質(zhì)情況變化復雜。脫硫廢水水質(zhì)受到石灰石純度、燃煤種類以及脫硫氧化風量等因素的影響，即使相同脫硫裝備在不同時段，水質(zhì)也存在較大差別[4]；第二，鹽份含量較高。脫硫廢水一般情況下含鹽量介于10000～45000mg/L之間；第三，有較高含量的懸浮物質(zhì)。根據(jù)燃煤種類不同和脫硫設備運行工況的影響，懸浮物質(zhì)的濃度一般情況下介于6000～15000mg/L 之間。

2 脫硫廢水預處理技術及應用

良好的預處理是實現(xiàn)零排放的基礎。三聯(lián)箱工藝是目前脫硫廢水主要的預處理技術，由中和箱、反應箱和絮凝箱等組成[5]。通過對國內(nèi)運行電廠調(diào)研發(fā)現(xiàn)其預處理工藝大體相似，宿遷某電廠采用：預沉池+直接出水至濃縮塔，陜西商洛某電廠采用：預沉池+二級軟化，上都某電廠采用：預沉池+一級軟化，河源某電廠采用：預沉池+兩級軟化反應+沉淀、澄清，長興某電廠采用：預沉池+一級軟化+砂濾。

3 脫硫廢水濃縮減量技術

濃縮減量是對預處理后的脫硫廢水進行濃縮處理，減少后續(xù)零排放過程的處理量，降低脫硫廢水處理成本[6]。濃縮減量可回收大部分水量，降低末端處理載荷，提高系統(tǒng)運行效率。主要分為熱法和膜法。熱法技術有旁路煙氣蒸發(fā)濃縮塔、余熱閃蒸自結晶等；膜法技術有反滲透（RO）、海水反滲透（SWRO）、正滲透（FO）、超濾（UF）等。目前國內(nèi)燃煤電廠脫硫廢水濃縮主要技術如表1。

表1 國內(nèi)燃煤電廠脫硫廢水濃縮主要技術

4 脫硫廢水零排放處理技術及應用

脫硫廢水零排放的處理主要包含三個過程，預處理、濃縮減量、末端處理，其中預處理是基礎，濃縮減量是保障，末端處理是核心。通過對經(jīng)過預處理和濃縮減量后的濃水進行干燥處理，將溶解鹽和水份進行分離，最終實現(xiàn)零排放。通過對國內(nèi)燃煤電廠脫硫廢水零排放處理工藝的詳細調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前實際運用的零排放技術主要包括為以下幾種：濃縮+蒸發(fā)結晶、煙道霧化蒸發(fā)、煙氣余熱蒸發(fā)濃縮、濃縮+干渣蒸發(fā)。

4.1 濃縮+蒸發(fā)結晶

該技術在電廠中運用較多，分為廢水濃縮及濃鹽水結晶兩部分，目前國內(nèi)脫硫廢水濃縮結晶處理主要有以下幾種方案。

4.1.1 多效蒸發(fā)結晶

蒸發(fā)系統(tǒng)主要有四個部分組成：熱輸入、熱回收、結晶、附屬系統(tǒng)。相當于把多個蒸發(fā)器設備串聯(lián)起來發(fā)揮作用從而達到固液分離的效果。首先，從主廠區(qū)引入熱蒸汽，通過處理變?yōu)榈蛪赫羝椭良訜崾覍U水進行加熱，通過熱的交換冷凝后形成的液態(tài)水進入冷凝水箱中。預處理后的脫硫廢水，通過多級加熱蒸發(fā)室對廢水進行熱濃縮，濃縮后的高鹽度廢水，送鹽漿箱并通過旋流器最后至末端離心機進行固液分離，分離出鹽結晶體，液體再回到蒸發(fā)系統(tǒng)進行循環(huán)蒸發(fā)濃縮干燥，最終形成的結晶鹽交于有資質(zhì)的單位進行處置。多效蒸發(fā)結晶工藝成熟，但占地面積較大，蒸汽消耗量大，投資成本相對較低[7]。河源某電廠一期工程采用了該工藝。

4.1.2 MVR 蒸發(fā)結晶

MVR 技術是利用蒸發(fā)器與蒸汽泵相結合，采用熱力循環(huán)壓縮過程，把蒸發(fā)器排出的二次低溫位蒸汽轉(zhuǎn)換為高溫位蒸汽，當作加熱蒸汽送至蒸發(fā)器加熱室，使料液維持沸騰狀態(tài)，而加熱蒸汽本身則冷凝成水。蒸汽冷凝和冷凝水冷卻時釋放的熱能作為廢水蒸發(fā)所需熱能。閃蒸罐中產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮機壓縮升溫升壓后，作為濃縮強制循環(huán)換熱器的加熱熱源，重復利用了蒸汽的潛熱。系統(tǒng)正常運行后，僅需少量外加蒸汽。

濃縮后廢液排入MVR 強制循環(huán)制鹽結晶系統(tǒng)，通過循環(huán)泵在強制循環(huán)換熱器和閃蒸罐中循環(huán)，進入到結晶器分離室的濃水發(fā)生閃蒸。隨著蒸發(fā)的進行，濃縮液濃度增加，蒸發(fā)繼續(xù)，濃縮產(chǎn)生結晶鹽，鹽漿排至固液分離設備進行處理。通過對廢水進行蒸發(fā)、結晶、干燥包裝后，無需向地面水域排放廢水[8]。MVR 系統(tǒng)技術成熟，運行維護簡單，具有蒸汽需要量小、效率高、設備占地小等優(yōu)點。三水某電廠采用類似工藝。

4.1.3 膜濃縮+蒸發(fā)結晶

脫硫廢水經(jīng)過澄清、軟化、過濾等預處理，去除廢水中的SiO2、Sr2+、Ba2+和其它重金屬，并將永硬和暫硬降低至膜可承受的范圍內(nèi)；再通過膜法對廢水進行濃縮減量；最后再進行蒸發(fā)結晶，最終實現(xiàn)固液分離。其生產(chǎn)出來的淡水可回用于工業(yè)水等系統(tǒng)。膜濃縮+蒸發(fā)結晶工藝復雜，各單元之間有多種工藝可以選擇，該工藝適用性強，但系統(tǒng)較為復雜，運行費用較高。漢川某電廠采用該工藝。

4.2 煙道霧化蒸發(fā)

4.2.1 主煙道霧化蒸發(fā)

經(jīng)濃縮后的脫硫廢水，導入空預器后、除塵器前之間的煙道內(nèi)，經(jīng)霧化設備高度霧化后，在鍋爐尾部煙氣余熱作用下快速蒸發(fā)，所含鹽分結晶成顆粒后附著在煙氣中的粉煤灰上在除塵系統(tǒng)中被捕集。產(chǎn)生的蒸氣進入脫硫吸收塔進行循環(huán)利用，實現(xiàn)脫硫廢水零排放。其優(yōu)點：系統(tǒng)簡單，投資運行費用較低，無鹽餅產(chǎn)生，對機組熱效率影響較小；缺點：對霧化系統(tǒng)的設計及控制要求較高，設計輸入及限制條件較多,廢水中的鹽分析出沉積在煙道底部，造成煙道堵塞，降低效率[6]。主煙道霧化蒸發(fā)工藝在國內(nèi)已有數(shù)家應用案例，如內(nèi)蒙古上都某電廠、華電土右某電廠、包鋁某電廠等。工藝流程見圖1。

圖1 主煙道霧化蒸發(fā)工藝流程示意圖

4.2.2 旁路煙道霧化蒸發(fā)

從空氣預熱器前的主煙道引出一部分煙氣，進入噴霧干燥塔，與霧化的脫硫廢水充分接觸，利用煙氣的高溫迅速蒸發(fā)脫硫廢水，干燥后的大部分產(chǎn)物落入到干燥塔底部后被處理，產(chǎn)生的水蒸氣和少部分結晶鹽隨煙氣進入除塵器，結晶鹽隨粉煤灰在除塵器內(nèi)被捕捉，水蒸氣則在脫硫系統(tǒng)內(nèi)冷凝成水，間接補充脫硫系統(tǒng)用水，從而實現(xiàn)零排放。優(yōu)點：單獨設置干燥塔，對主煙道影響較小；可進行底渣和飛灰分置，不影響灰的綜合利用，消除結晶鹽處置問題；缺點：對鍋爐效率影響較大，一般為0.5%左右。工藝流程見圖2。

圖2 旁路煙道霧化蒸發(fā)工藝流程示意圖

4.3 煙氣余熱蒸發(fā)濃縮

該工藝是從電除塵后的煙道內(nèi)抽出一部分的煙氣經(jīng)過風機升壓后進入濃縮塔，脫硫廢水在塔內(nèi)循環(huán)，水分蒸發(fā)被煙氣帶走至脫硫塔；鹽分及重金屬、懸浮物則均在塔底的漿液箱中濃縮富集；濃縮的濃漿液加入消石灰調(diào)質(zhì)后再送至污泥壓濾機，經(jīng)壓縮脫水后的污泥作為固體廢棄物排出；濃液噴入專用干燥器，經(jīng)干燥后粉末隨同熱煙氣一起進入電除塵器被捕捉去除；也可將濃液噴至干渣系統(tǒng)，利用底渣余熱及渣井的輻射熱進行蒸發(fā)，結晶鹽隨灰渣排出。優(yōu)點：直接利用煙氣余熱，無其它熱源消耗；工藝簡單，設備少，維護量較小；無需進行預處理及軟化，對水質(zhì)的適應性很強，只需根據(jù)廢水濃度、水量調(diào)節(jié)風量，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)少，利于運行。缺點：濃縮塔外形尺寸較大；固體廢棄物的處理需要進一步研究；脫硫廢水的酸性強，對脫硫塔的防腐要求高，且極易導致設備、管道的結垢與腐蝕。

4.4 濃縮+干渣蒸發(fā)

利用鍋爐底渣余熱及渣井的輻射熱，蒸發(fā)預處理后脫硫廢水。蒸干后的鹽附著于干渣上，由排渣系統(tǒng)引出至渣倉儲存。其實質(zhì)就是利用渣的余熱和爐膛輻射熱作為蒸發(fā)熱源，對廢水進行蒸發(fā)。此工藝需對鍋爐底部的水冷壁管道、鋼帶機鋼帶和罩殼進行噴涂防腐。

通過對國內(nèi)運行電廠的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生底渣中各種重金屬含量極低，滿足GB5085.3 的要求，則底渣不屬于危廢物，可以進行綜合利用。底渣氯離子含量≤0.06%，底渣可以用來制磚，生產(chǎn)出的磚塊具有一定的防凍性，還可以用來生產(chǎn)防凍加氣混凝土砌塊等非承重建筑材料。將氯鹽和部分重金屬固化在建筑材料內(nèi)。優(yōu)點：系統(tǒng)投資小，運行費用低，大大減少甚至取消了鍋爐的入爐冷卻風量，干渣機系統(tǒng)對煤種和鍋爐負荷變化的適應性大大提高，使干渣機對鍋爐效率影響接近于撈渣機的水平。缺點：其處理廢水的容量受到渣量的限制。大唐南京某電廠采用該工藝。

結語

本文概述了燃煤電廠處理脫硫廢水的全過程，重點介紹了零排放處理的主要技術及優(yōu)缺點。“濃縮+蒸發(fā)結晶”“濃縮+煙道蒸發(fā)”“煙氣余熱蒸發(fā)濃縮”“濃縮+干渣蒸發(fā)”這四種工藝都可用于脫硫廢水零排放系統(tǒng)。但結合目前電廠運行特點，零排放系統(tǒng)應盡量選用自動化程度高、維護工作量小的工藝。“膜濃縮+煙道蒸發(fā)” 工藝有成功運用經(jīng)驗且適用性較強。膜濃縮系統(tǒng)均為成熟可靠的單元，運行穩(wěn)定，自動化程度高；煙道蒸發(fā)可根據(jù)實際情況選擇主煙道蒸發(fā)或旁路煙道蒸發(fā)，系統(tǒng)簡單，運行費用低，最終鹽分隨灰分帶走，無需后續(xù)處理。建議新建電廠可以優(yōu)先考慮“膜濃縮+煙道蒸發(fā)”工藝來實現(xiàn)廢水零排放。