燃煤電廠脫硫廢水煙道蒸發產物特性分析

國能龍源環保有限公司大同分公司 馬 帥

1 引言

伴隨2015年《水污染防治行動計劃》的發布，國家在治理水污染方面的力度逐漸加大，在水污染中，脫硫廢水的成分比較復雜，而且包含重金屬，得到了社會各界的廣泛關注。因此，本文研究的燃煤電廠脫硫廢水煙道蒸發產物特性論題在現實層面意義重大。

2 脫硫廢水處理技術分析

現階段，脫硫廢水處理技術除包括生物處理和零排放技術外，還有化學沉淀方法。對化學沉淀方法來說，該種脫硫廢水處理技術在我國電廠擁有較高的利用率。化學沉淀方法可以明顯去除大多數金屬以及懸浮物，可以符合有關行業標準，但是化學沉淀方法無法有效去除可溶性鹽分，例如無法去除氯離子，不能很好地去除重金屬離子，在去除硒方面表現不佳，同時運行此方法的費用很高。

就生物處理技術來說，此技術不僅可以利用微生物能夠對生物降解的可溶性有機污染物進行處理，還能夠把大部分不可溶性污染物轉變成絮狀物，能夠明顯去除脫硫廢水的重金屬，舉例說明，生物處理技術能夠將硒降低到10-9級，可以把汞降低到10-12級。生物處理技術的缺點是系統比較復雜，造價比較高，而且有很高的概率會生產帶毒的有機硒及帶毒有機汞，使二次污染問題出現。煙道蒸發方法即通過氣液兩相流噴嘴，對脫硫廢水進行霧化處理，將其噴到空氣預熱器及除塵器中間的煙道內部，借助煙氣的余熱充分蒸發廢水，讓廢水的污染物轉變成結晶物或者鹽類，除塵器會同時捕集廢水污染物以及飛灰，達到不排放脫硫廢水目標。

3 研究背景

依據美國環境保護署（EPA）的報告，脫硫廢水煙道蒸發有一定概率導致的不利影響如下，如果蒸發產物混到飛灰中，將有較大可能性改變其特性，對飛灰綜合運用造成不利影響，除塵器無法捕集全部的含氯產物，將有一定概率加劇除塵器腐蝕問題以及煙道腐蝕問題，還會使運行維護的成本不斷增加。脫硫廢水煙道蒸發產物包括固態產物以及氣態產物，靜電除塵器在去除固態顆粒方面效果較好，但是在去除氣態產物方面效果不佳，出于對脫硫廢水煙道蒸發導致的負面影響進行評估目的，相關人員在研究時應該從以下幾方面出發：一是對脫硫廢水煙道蒸發產物的固態及氣態產物分配比例進行探究。二是研究固態產物特性和固態產物特性給飛灰性質、飛灰綜合運用造成的影響。三是需要分析靜電除塵器無法捕集的物質會給之后的設備造成何種影響。

4 試驗系統和試驗設備

4.1 氣態產物的試驗系統分析

量取10mL 的脫硫廢水，將其放置在三口燒瓶內部，在恒溫150℃的油浴鍋內部進行加熱，讓鼓風機空氣貼近脫硫廢水的液面，完成吹掃操作，鼓風機空氣的體積流量是0.1m3/h。三口燒瓶排出氣體將進至洗氣瓶內部，洗瓶的純水會吸收氣態產物，將余下氣體排空，使用離子色譜來分析洗氣瓶內部水的成分，純水體積是100mL[1]。

4.2 固態產物的試驗系統和試驗設備

脫硫廢水煙道蒸發實驗的過程：先把模擬煙氣加到混氣瓶內部，使用加熱裝置來加熱煙氣，利用測溫裝置對煙氣溫度進行控制，在符合需要的煙氣溫度之后，利用風機，把高溫煙氣通向脫硫廢水煙道蒸發的試驗裝置，利用氣液相流噴嘴進行霧化，使其變成細小液滴，液滴長度大約為50μm。

之后液滴和高溫煙氣進行充分接觸，出現明顯的熱交換現象，此時脫硫廢水會立刻蒸發，達到蒸發處理脫硫廢水目的。試驗系統除了會將溫度測點設置在煙氣入口和煙氣出口外，還會將其設置在煙道上部、煙道中部、煙道下部，利用熱電偶完成測量工作。就濕度測量來說，選用兩個高溫型溫濕度傳感器，型號分別是KZWS/GW 及KZWS/G，該溫濕度傳感器的濕度范圍在0～100%，精度為±3%RH，屬于24VDC 供電，數據采集位置設置在煙道出口和煙道入口。霧化噴嘴選擇SUJ-J1型的雙流體噴嘴。雙流體噴嘴使用的壓縮空氣由HDW750型空氣壓縮機供應。試驗的尾部煙氣采樣工作使用EN2型便捷式精密煙氣分析儀，在出口位置收集廢水蒸干的產物。脫硫廢水成分分析表見表1。

表1 試驗所用脫硫廢水的成分分析表（單位：mg/L）

就試驗的控制參數來說，煙氣體積流量是40m3/h，煙氣溫度是150℃，脫硫廢水的體積流量是40ml/min，空氣壓縮機的排氣壓力是0.2MPa。

4.3 產物表征的分析儀器

利用X 射線衍射儀即XRD 對脫硫廢水煙道蒸發產物組成和脫硫廢水煙道蒸發產物的物相進行分析。選擇CuKα 輻射，試驗X 射線的管壓是40kV，其管流是50mA，試驗步進是0.01°，2θ的范圍是5°到80°，每分鐘掃描速度是2°。對衍射譜圖解析來說，需利用X 射線粉末衍射數據庫開展物相分析操作。利用X 射線能譜儀即EDS 分析所含元素，該X 射線能譜儀為INCA 能譜儀。利用S-450型掃描電子顯微鏡即SEM 來對各飛灰樣品的顆粒形貌進行觀察。選擇Au 離子濺射方法進行制樣，在能譜分析過程中，設定加速電壓是25kV，在此基礎上開展各放大倍率的電子圖像觀察工作。

就飛灰比電阻來說，試驗選擇DR-3型高壓飛灰比電阻試驗臺來完成測定工作，測量溫度是25℃，測量電壓是2kV。在氣相產物檢測工作中，本次試驗選用了IC6000離子色譜儀[2]。

5 試驗結果分析

5.1 蒸發產物特性分析

利用離子色譜來分析脫硫廢水蒸發氣態產物試驗系統所得洗氣瓶的水樣，獲得離子色譜圖，發現水樣包含多種陰離子，除NO2-、NO3-和F-外，還有Br-及Cl-，說明脫硫廢水煙道蒸發環節的氣態產物除有一定概率包含HCl、HBr 和HF 外，還有可能包含HNO2及HNO3，表明在脫硫廢水煙道蒸發時，少數鹵素物質及含氮物質將通過氣態形式進行揮發。

對HCl 物質揮發量、HF 物質揮發量、HBr 物質揮發量、HNO2物質揮發量、HNO3物質揮發量進行分析，發現HCl 揮發量較多，為154.1mg/L，通過深層次計算，可獲得脫硫廢水煙道蒸發的氣態產物和固態產物比例，發現Br-氣態產物及NO2-氣態產物比例很高，而NO3-氣態產物占據比例很低。

5.2 固態產物特性分析

通過脫硫廢水煙道的蒸發試驗系統，能夠得到定量固態產物，對固態產物開展EDS 分析，能夠發現脫硫廢水蒸發產物的元素除O 元素、S 元素、Ca元素、Na 元素外，還有Mg 元素、Cl 元素和Fe 元素。脫硫廢水蒸發產物的元素含量見表2[3]。

表2 脫硫廢水蒸發產物的元素含量表（單位：%）

為深入分析固態產物包含的詳細物質成分，試驗開展XRD 分析，通過固態產物XRD 圖譜，發現固態產物包含物質除CaSO4和NaSO4外，還有NaCl。

依據飛灰化學成分分析表，能夠發現飛灰化學成分主要為氧化物，除SiO2和K2O 外，還有Al2O3與Na2O，SiO2與Al2O3是主要成分，總質量分數超過60%。脫硫廢水煙道的蒸發產物主要是CaSO4、Na2SO4及NaCl，Ca 元素含量和Cl 元素含量要遠比飛灰的Ca 元素及Cl 元素含量多。飛灰化學成分分析表見表3。

表3 飛灰化學成分分析表（單位：%）

出于深入分析脫硫廢水蒸發的固態產物和飛灰之間的差別目的，工作人員使用掃描電子顯微鏡來掃描固態產物以及飛灰，獲得二者的形貌特征圖，能夠發現固態產物是片狀或者柱狀品型，飛灰是球狀。圖1為固態產物SEM 圖，圖2為飛灰SEM 圖。

圖1 固態產物SEM 圖

圖2 飛灰SEM 圖

按照用在水泥與混凝土的飛灰標準，限制飛灰的游離氧化鈣指標和堿含量指標，脫硫廢水煙道的蒸發產物不包含氧化物，而且堿性金屬的含量較低，說明將適量脫硫廢水噴向煙道并不會影響飛灰綜合運用。

5.3 分析脫硫廢水煙道給飛灰比電阻造成的影響

脫硫廢水煙道蒸發的固態產物和飛灰性質之間區別較大，固態產物有一定概率會使飛灰特性發生改變，導致靜電除塵器在除塵方面的功能發生變化，其關鍵指標為飛灰比電阻[4]。

飛灰比電阻這一指標可以在衡量飛灰導電功能工作中發揮重要作用，一般來說，按照飛灰比電阻大小，能夠把粉塵劃分為低比電阻飛灰、中比電阻飛灰、高比電阻飛灰三類。在低比電阻飛灰中，ρ ≤104Ω·cm；在中比電阻飛灰中，104＜ρ ＜5×1010Ω·cm；在高比電阻飛灰中，ρ ≥5×1010Ω·cm。

靜電除塵器性能受到的影響如下：首先，電暈電流需要借助極板的飛灰層傳導至接地收塵極，假如飛灰比電阻大于臨界值，在此情況下，電暈電流在經過飛灰層時會遭受限制，對電暈放電特性有所影響，進而對除塵效率造成不利影響。其次，就飛灰來說，高比電阻飛灰具有較強的黏附力，為清理電極的飛灰層，應加大振打的強度，這時飛灰二次飛揚將超過正常情況，最后會給除塵效率帶來負面影響。

出于對脫硫廢水煙道蒸發的飛灰比電阻變化進行探究目的和評估除塵性能改變情況目的，試驗測量蒸發產物和飛灰質量依據1∶20比例混合、蒸發產物和飛灰質量依據1∶50比例混合、蒸發產物和飛灰質量依據1∶100比例混合、原灰樣比電阻。本次試驗使用的高壓飛灰比電阻試驗臺為DR-3型，以此設備完成對比電阻的測定工作，測量的電壓是2kV，室溫是25℃，灰樣從某熱電廠獲取。

分析各個比例給飛灰比電阻造成的影響，能夠發現在蒸發產物和飛灰質量比是1∶20情況下，比電阻是8×108Ω·cm；在質量比是1∶50情況下，比電阻是5.4×108Ω·cm；在質量比是1∶100情況下，比電阻是5×108Ω·cm；原灰樣的比電阻是4.5×108Ω·cm，表明脫硫廢水煙道蒸發的固態產物能夠讓飛灰比電阻有所提升。因為鈣鎂物質比電阻很高，固態產物的鈣鎂含量比飛灰的鈣鎂含量更高，在此前提下，飛灰比電阻有所增加，因為其波動處在指定數量級中，而且同樣歸屬于中比電阻飛灰范圍，說明不會對除塵性能造成太大影響。

5.4 氣態產物給腐蝕和脫硫塔造成的影響分析

對脫硫廢水煙道蒸發來說，此過程會對大量的氣態HCl 進行釋放，相關數據表明，某機組煙氣的HCl 質量濃度是13.85mg/m3，將某個300MW 機組當作研究對象，此機組的煙氣量大概是1×106m3/h，設定脫硫廢水的處理量是2t/h，揮發量是154.1mg/L，假定除塵器能夠捕集所有的固態含氯物質，那么在脫硫廢水煙道蒸發影響下出現的HCl 增加量達到0.03mg/m3，此增加量在總量中所占比例為0.2%，與此同時，在除塵器無法高效捕集固態產物情況下，該數值會增大[5]。

HCl 能夠明顯腐蝕金屬管道設備，HCl 的腐蝕機理如下文所示：

Fe+2HCl→FeCl2+H2、2Fe+6HCl→2FeCl3+3H2、2FeCl2+Cl2→2FeCl3、2Fe+3Cl2→2FeCl3、4FeCl3+3O2→3Fe2O3+6Cl2、4FeCl2+3O2→3Fe2O3+4Cl2、Fe2O3（保護膜）+6HCl→2FeCl3+3H2O、4FeCl2+O2→2FeCl3+2FeOCl、2FeOCl+O2→2Fe2O3+2Cl2。

分析腐蝕速率和溫度之間的關聯，如果煙氣的HCl 體積分數是50×10-6，在此情況下，金屬腐蝕速率要遠超過不含有HCl 情況下金屬的腐蝕速率。此外，如果溫度不超過200℃，此時伴隨溫度不斷提升，腐蝕速率會逐漸增加，假如溫度超過200℃，此時腐蝕速率會飛快增加。

與此同時，HCl 氣體有較高的概率在煙道出口位置發生露點腐蝕現象，HCl 露點溫度不僅和HCl 濃度有關，還和煙氣的水分含量存在密切關聯，HCl 露點溫度大約在27～60℃。

就脫硫廢水煙道蒸發來說，其氣態產物給脫硫系統造成的影響表現為脫硫塔會吸收所有煙氣增多的氯化物，其后果是使脫硫廢水排放量得到增加，同樣會限制石膏在脫水方面的性能。

依據脫硫系統氯平衡的分布狀況，能夠發現此系統中的氯不僅來自石灰石、工業水和煙氣，還包含脫硫廢水煙道蒸發出現的氯。在脫硫系統中，氯去除工作指的是去除石膏的氯及去除脫硫廢水的氯，按照氯平衡，如果其他條件不發生變化，此時設定所有揮發的氯被轉移至脫硫廢水內部，脫硫廢水增加量和揮發氯在脫硫廢水總氯中所占比率一致，數值是2.7%。

6 結語

脫硫廢水煙道蒸發的固態產物主要是鹽類，而且固態產物的Ca 元素含量及Cl 元素含量遠比飛灰的Ca 元素含量和Cl 元素含量多，未能對飛灰綜合運用造成影響。脫硫廢水煙道蒸發的產物存在許多鈣鎂物質，將使飛灰比電阻增加，不會超出中比電阻飛灰范圍。脫硫廢水煙道的蒸發使煙氣的Cl 元素增多，將有一定概率使除塵器及煙道腐蝕增多，增加脫硫廢水排放，嚴重影響石膏在脫水方面的功能。