低溫三效蒸發工藝中脫硫廢水蒸發特性研究

高紅龍，楊文生，高 磊，劉慧軍，王 鑫，門學旺

（1.山西華仁通電力科技股份有限公司，山西太原 030006；2.山西大學資源與環境工程研究所，山西太原030006）

我國燃煤電廠煙氣脫硫主要采用石灰石-石膏濕法，為確保煙氣脫硫系統的高效穩定運行，脫硫塔需要定期排除部分廢水，即脫硫廢水〔1-2〕。目前，國內燃煤電廠主要采用“三聯箱工藝”處理脫硫廢水，該工藝無法去除氯離子等可溶性鹽，直接排放會造成水資源浪費及水土環境污染〔3〕。“低溫三效蒸發工藝”是燃煤電廠脫硫廢水零排放改造選用的主要工藝之一〔4-6〕，該工藝以煙道余熱或輔助蒸汽為原始熱源，通過加熱器將分離器中的脫硫廢水蒸發濃縮，實現廢水減量化，該工藝運行成本低，水回收率高、無二次污染〔7〕，但系統的高效穩定運行與進水水質、運行溫度、運行壓力等參數密切相關，進水水質差、運行參數控制不當會導致蒸發效率低、能耗增加、系統跑料、出水水質變差等問題〔8-9〕。為此，筆者研究脫硫廢水蒸發速率與廢水懸浮固(SS)、含鹽濃度、密度、能耗間的關系，探究系統最佳運行參數，為低溫三效蒸發工藝系統長期高效穩定運行提供理論及技術支持。

1 實驗系統簡介

1.1 實驗系統

實驗系統主要由廢水循環泵、熱水循環泵、真空泵、加熱器、分離器、冷凝器、廢水箱、冷凝水箱等組成，主要設備如表1 所示，實驗系統如圖1 和圖2 所示，通過電加熱為系統提供熱源，加熱器內部為管殼式結構，廢水在管程自下而上流動，熱水在殼程自上而下流動，為逆流式換熱。真空泵為系統提供負壓環境，產生的二次蒸汽在冷凝器中冷卻為冷凝水。

圖1 實驗系統流程Fig.1 Flow chart of experimental system

圖2 實驗系統運行畫面Fig.2 Operation screen of experimental system

表1 實驗系統主要設備Table 1 Main equipment of experimental system

1.2 實驗方法

本實驗所需脫硫廢水取自山西某電廠三聯箱入口，水質指標如表2 所示。

不同懸浮固含量脫硫廢水配制：將脫硫廢水原液抽濾，取上清液與真空皮帶壓濾機壓濾后的石膏進行配比，配制不同懸浮固含量廢水進行蒸發實驗。

不同含鹽濃度脫硫廢水配制：分析純氯化鎂與去離子水配制不同濃度廢水進行蒸發實驗。

1）蒸發速率測定。

式中：μ——蒸發速率，mL/min；

V——冷凝水體積，mL；

t——蒸發時間，min，本研究取5 min。

2）濃縮倍率測定。

式中：n——濃縮倍率，倍；

m1——蒸發實驗前廢水質量，g；

m2——蒸發實驗結束后回收冷凝水質量，g。

2 結果與討論

2.1 脫硫廢水原液懸浮固對蒸發速率的影響

低溫三效蒸發工藝中脫硫廢水無需軟化預處理，廢水中的石膏顆粒可作為蒸發濃縮過程中的晶種，溶液中鈣離子、鎂離子、硫酸根離子、氯離子等以該晶種作為附著點進行結晶生長，起到晶種法降垢的目的〔10-11〕。同時，蒸發系統采用強制循環泵進行大流量循環，加熱器中廢水流速控制在1.8～2 m/s〔12〕，廢水中SS高有助于鹽分結晶析出并且降低列管結垢風險，但會影響系統蒸發速率，如圖3所示。

圖3 SS 對蒸發速率的影響Fig.3 Effect of SS on evaporation rate

由圖3 可知，隨著SS 的增大，脫硫廢水的蒸發速率降低，當SS 超過4%時，脫硫廢水蒸發速率降低明顯加快，可能原因是SS 高時，脫硫廢水與熱源間的傳熱系數降低，不利于熱交換。溫度對蒸發速率影響顯著，SS 為4%時，80 ℃脫硫廢水蒸發速率為60 ℃的2.76 倍，SS 為20%時，80 ℃脫硫廢水蒸發速率為60 ℃的5.81 倍，溫度高有利于脫硫廢水蒸發，當SS 高時，溫度對蒸發速率影響更加明顯。脫硫廢水SS 低利于廢水蒸發，廢水中固體顆粒可為鹽分結晶提供晶種，顆粒沖刷作用降低列管結垢風險，綜合考慮蒸發效率和降低列管結垢風險，進水SS 建議為4%。

2.2 脫硫廢水含鹽濃度對蒸發速率的影響

低溫三效蒸發工藝中一/二/三效分離器中脫硫廢水含鹽濃度遞增，當含鹽濃度過高時，系統蒸發速率顯著降低，能耗增加，設備腐蝕堵塞風險增加。因此，掌握含鹽濃度對脫硫廢水蒸發速率的影響規律對保障系統高效穩定運行十分必要。

脫硫廢水中陽離子主要為鎂離子、鈣離子等，陰離子主要為氯離子、硫酸根等，為簡化實驗，配制不同濃度氯化鎂做蒸發實驗，研究含鹽濃度對蒸發速率的影響，結果如圖4 所示。

圖4 氯化鎂濃度對蒸發速率的影響Fig.4 Effect of magnesium chloride concentration on evaporation rate

由圖4 可知，脫硫廢水蒸發速率與氯化鎂質量濃度負相關，隨著氯化鎂質量濃度的升高，蒸發速率降低，以80 ℃廢水為例，氯化鎂質量濃度為25 g/L時，蒸發速率為240.5 mL/min，當氯化鎂質量濃度大于175 g/L 后，蒸發速率迅速降低，鎂質量濃度超過225 g/L 后，蒸發速率基本維持在40 mL/min。氯化鎂濃度低時，溫度對蒸發速率影響顯著，當氯化鎂濃度高時，升高溫度對蒸發速率影響很小。楊彬〔13〕研究發現，廢水含鹽濃度高時，鹽與水分子間吸附作用強，尤其是溶液接近飽和狀態時，部分鹽分析出需要結晶水，因此水分不易蒸發。穆國慶〔14〕采用Aspen Properties 模擬發現，隨著鹽度的增加，高鹽水的沸點迅速提高。王剛〔15〕研究發現，管殼式換熱器傳熱系數大小與列管兩端液膜厚度及液膜更新速率密切相關，液膜薄、更新速率大，傳熱系數大。當脫硫廢水含鹽濃度高時，脫硫廢水黏度增大，依附于蒸餾瓶壁面的液膜增厚且液膜更新速率慢，傳熱系數小，抑制了脫硫廢水吸熱蒸發。陳奇等〔16〕認為，鎂鹽屬于結構制造性鹽，鎂離子半徑較小，水合數大，表面張力隨溶液濃度的增加而急速增大，對周圍水分子吸附作用強，減小了溶液中水分子流動性，這與本次蒸發實驗規律吻合，說明廢水含鹽濃度高會影響其蒸發速率，在低溫環境時更加明顯。

2.3 脫硫廢水密度與廢水蒸發速率、能耗間的關系

系統出料密度控制對低溫三效蒸發系統的運行十分重要〔17-18〕，出料密度小不滿足壓濾機的壓濾要求，出料密度過大，則蒸發速率低、能耗大、設備堵塞腐蝕風險高。通過蒸發實驗確定合適的出料濃度，結果如圖5 所示。

圖5 脫硫廢水密度與廢水蒸發速率、能耗間的關系Fig.5 Relationship between desulfurization wastewater density，wastewater evaporation rate and energy consumption

由圖5可知，隨著脫硫廢水密度的升高，蒸發速率降低，系統能耗增加，脫硫廢水密度超過1 400 kg/m3后，蒸發速率降低速率明顯加快，系統能耗顯著增加。當密度為1 500 kg/m3時，蒸發速率為43.3 mL/min，是密度為1 400 kg/m3時的0.48 倍，系統能耗增加了62%。項目實際運行表明，當密度大于1 350 kg/m3后，可以滿足壓濾機的壓濾要求〔19〕，因此建議系統出料密度控制在1 400 kg/m3。

2.4 濃縮倍率與原水懸浮固間的關系

濃縮倍率是低溫三效蒸發系統工藝設計的重要指標〔20〕，反映系統蒸發量的大小，即回收冷凝水量的大小。濃縮倍率決定了三效系統加熱器換熱面積、熱源蒸汽用量、冷源循環冷卻水量、壓濾機過濾面積等三效蒸發工藝中重要的設計指標，直接影響工程的投資成本。

濃縮倍率的確定與脫硫廢水原水水質有關，其中，原水SS 對濃縮倍率的影響較大，配制不同SS 的廢水進行蒸發實驗，出料密度分別控制為1 400 kg/m3和1 500 kg/m3，分離器真空度為76 kPa，廢水溫度為55 ℃。考察濃縮倍率與原水SS 的關系，結果如圖6所示。

圖6 濃縮倍率與原水SS 間的關系Fig.6 Relationship between concentration ratio and SS of raw water

由圖6可知，當出料密度一定時，原水SS越高，系統濃縮倍率越小。以出料密度為1 400 kg/m3為例，原水SS 為4%時，濃縮倍率為7.2 倍，原水SS 增大至10% 時，濃縮倍率僅為4.5 倍。出料密度為1 500 kg/m3，原水SS 為4%時，濃縮倍率為9.0 倍，原水SS增大到10%時，濃縮倍率為5.6 倍。低溫三效蒸發系統設計時，需要先根據原水水質確定濃縮倍率，進而設計熱源系統、蒸發系統、冷源系統等分項系統，因此，濃縮倍率的確定對低溫三效蒸發系統整體設計十分重要。

3 結論

1）脫硫廢水蒸發速率與SS 負相關，SS 低時系統蒸發效率高、能耗低，但廢水中固體顆粒可為鹽分結晶提供晶種，顆粒物沖刷作用降低列管結垢風險，綜合考慮蒸發效率和降低列管結垢風險，進水SS 建議為4%。

2）脫硫廢水蒸發速率與含鹽量負相關，含鹽量高時，鹽與水分子間吸附作用較強，水分不易蒸發，同時，含鹽濃度高廢水黏度大，換熱界面液膜厚且更新速率慢，傳熱系數小，不利于廢水蒸發。

3）脫硫廢水蒸發速率與溶液密度負相關，當溶液密度超過1 400 kg/m3時，蒸發速率顯著下降，能耗明顯增加，綜合考慮系統高效運行和壓濾機壓濾效果，建議出料密度為1 400 kg/m3。

4）濃縮倍率是低溫三效蒸發系統工藝設計的重要指標，系統設計時需要根據原水SS 確定濃縮倍率進而確定三效系統總體設計。