本文分析了石灰石-石膏法脫硫廢水的來源、成分及其特點(diǎn)，論述了脫硫廢水的幾種處理方式。針對(duì)中小型電廠脫硫廢水水量小、含鹽量高的特性，設(shè)計(jì)了一套以煙道蒸發(fā)處理技術(shù)為核心的零排放處理工藝。
該工藝首先對(duì)廢水進(jìn)行絮凝沉淀和過濾，去除重金屬后，采用煙道噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，濃縮后物質(zhì)經(jīng)過除塵裝置捕集后進(jìn)入灰?guī)爝M(jìn)而實(shí)現(xiàn)廢水零排放。該工藝不僅不會(huì)對(duì)煙道和除塵器產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)，可降低煙塵比電阻，對(duì)除塵器效率有一定程度的提高，在節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:脫硫廢水;零排放;煙道噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)
中國(guó)是以火力發(fā)電為主的國(guó)家，煤炭用于火力發(fā)電行業(yè)的比例在2013年占到53%，預(yù)計(jì)2020年會(huì)達(dá)到60%以上。火力發(fā)電廠燃煤會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫，嚴(yán)重危害自然環(huán)境和人類健康[1]。石灰石-石膏法脫硫工藝脫硫效率高、適用煤種范圍廣、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率高、工作穩(wěn)定可靠、脫硫劑來源豐富且廉價(jià)，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的一種脫硫技術(shù)[2]。
脫硫系統(tǒng)在運(yùn)行中由于工藝水循環(huán)會(huì)產(chǎn)生一定量的高濃廢水，該廢水水量較小、水量水質(zhì)波動(dòng)大、可溶性離子(Cl-、SO42-)濃度高、重金屬離子種類較多等特點(diǎn)，排放前必須進(jìn)行處理[3]。目前，我國(guó)脫硫廢水常用化學(xué)沉淀法、流化床法和微濾膜法進(jìn)行處理[4]，使出水水質(zhì)符合GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，上述處理方法雖然能夠去除廢水中COD、SS和重金屬，但對(duì)廢水中的鹽分無法去除，無法實(shí)現(xiàn)廢水“零排放”。
目前新型的廢水零排放工藝包括以“預(yù)處理”、“膜系統(tǒng)”濃縮、“反滲透”過濾、“立式降膜MVR蒸發(fā)器”蒸發(fā)、結(jié)晶等為核心的處理工藝段組合[5]，該工藝可以實(shí)現(xiàn)廢水回收再利用，無任何廢液排出工廠，但廢水處理的單位投資成本為200-350萬元/噸水，單位運(yùn)行成本30-120元/噸水[6]，上述廢水零排放高額的投資和運(yùn)行成本對(duì)于中小型電廠是難以負(fù)荷的，應(yīng)尋求低成本的廢水零排放解決方案。
而煙道處理技術(shù)[7-8]可采用霧化噴嘴將電廠脫硫廢水進(jìn)行霧化，噴入電廠空預(yù)器與電除塵器之間的煙道內(nèi)，利用煙道內(nèi)高溫?zé)煔鈱㈧F化后的廢水液滴蒸干，形成細(xì)小固體顆粒結(jié)晶隨煙氣灰塵進(jìn)入電除塵器被電極捕捉，進(jìn)入除塵器灰斗隨灰外排，達(dá)到脫硫廢水零排放的目的。該工藝投資成本低、運(yùn)行效果好，在節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。
1脫硫廢水水量和水質(zhì)
煤中的多種元素，如F、C1、Cd等，在燃燒過程中產(chǎn)生多種化合物，隨煙氣進(jìn)入脫硫裝置吸收塔，溶解于吸收漿液中，在石膏脫水階段產(chǎn)生一定量的脫硫廢水。以齊魯制藥(內(nèi)蒙古)有限公司3×75t/h循環(huán)流化床鍋爐石灰石-石膏法脫硫工程為例，脫硫廢水平均排水量為1.3m3˙h-1，瞬時(shí)最大廢水排放量為4m3˙h-1，水質(zhì)水量波動(dòng)大。該脫硫廢水具有以下特點(diǎn)[4]：
(1)水質(zhì)不穩(wěn)定，負(fù)荷變化大。
(2)懸浮物(SS)含量高，變化大。
(3)化學(xué)需氧量(COD)超標(biāo)。在脫硫廢水中，形成化學(xué)耗氧量的主要因素不是有機(jī)物，而是還原態(tài)的無機(jī)物連二硫酸鹽[9]，可生化性差。
(4)含鹽量和硬度高。可溶性鹽含量在15000~40000mg/L的范圍內(nèi)，陽(yáng)離子鈣，鎂等離子含量極高，鐵、鋁含量較高，陰離子主要有C1-、SO42-、SO32-、F-等。
(5)腐蝕性強(qiáng)。pH為4.5~6.5，顯弱酸性，氯離子含量很高，腐蝕性非常強(qiáng)。
(6)含多種重金屬。含汞、鉻、鎘、鉛、砷等重金屬物質(zhì)。
脫硫廢水設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見表1。
2新興脫硫廢水零排放工藝
針對(duì)脫硫廢水的水質(zhì)特點(diǎn)，目前大機(jī)組電廠廢水零排放項(xiàng)目普遍采用以下幾種處理工藝[10]：?預(yù)處理+MVR立式降膜蒸發(fā)器+強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶器;?軟化預(yù)處理+膜減量(反滲透RO)+MVR立式降膜蒸發(fā)器+強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶器;?軟化預(yù)處理+膜減量(反滲透RO)+正滲透(FO)+MVR立式降膜蒸發(fā)器+強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶器;
美國(guó)、歐洲、澳大利亞等發(fā)達(dá)地區(qū)部分火電廠廢水零排放項(xiàng)目，普遍采用工藝?的處理方式，生成的結(jié)晶鹽做填埋處理。華能長(zhǎng)興電廠2×660MW機(jī)22t/h脫硫廢水和反滲透濃水零排放項(xiàng)目采用工藝?的處理方式成功投運(yùn)。廣東河源電廠、三水恒益電廠的脫硫廢水零排放系統(tǒng)也已經(jīng)成功投運(yùn)，但系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本過大，并且結(jié)晶鹽氯化鈉含量低，很難實(shí)現(xiàn)結(jié)晶鹽資源化。
對(duì)中小型電廠來說，脫硫廢水的產(chǎn)量相對(duì)較小，利用廢水濃縮方法固然能實(shí)現(xiàn)廢水的回收利用，但其能耗較高，投入高產(chǎn)出小，缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。而煙道處理工藝不但具有設(shè)備少，占地小，投入小產(chǎn)出高的特點(diǎn)，而且廢水中的鹽類通過煙氣熱量蒸發(fā)成為固體，再由電除塵器收集，對(duì)原有煙道系統(tǒng)影響很小，因此是可以重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)處理方法。
在設(shè)計(jì)廢水煙道噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)需要注意幾個(gè)關(guān)鍵問題：一、進(jìn)行熱量平衡計(jì)算，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)排放的廢水能否在單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)完畢;二、噴槍的選擇和布置，噴嘴霧化粒徑的優(yōu)化，噴嘴霧化效果能否保證液滴的完全蒸發(fā);三、分析噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)對(duì)除塵器的影響;四、分析噴霧蒸發(fā)對(duì)煙道和除塵器腐蝕。五、蒸發(fā)器的積灰控制。
3煙道噴霧蒸發(fā)處理零排放技術(shù)
高壓泵和霧化噴嘴是系統(tǒng)中的重要設(shè)備，霧化后對(duì)霧滴粒徑的控制是工藝成敗的關(guān)鍵。為防止噴嘴堵塞和結(jié)垢，煙道噴霧蒸發(fā)前端設(shè)置廢水處理系統(tǒng)。具體工藝流程如圖1所示。
3.1預(yù)處理工藝段
脫硫廢水預(yù)處理工藝段包括廢水水質(zhì)水量調(diào)節(jié)、加藥絮凝沉淀、污泥處理3個(gè)分系統(tǒng)[4]。廢水通過管路流入中和調(diào)節(jié)池，同時(shí)按比例加入制備合格的石灰乳(1m3廢水加入固體粉末3.5g)，將pH調(diào)整到9.2±0.3，此pH范圍適合大多數(shù)重金屬離子的沉淀。另外，可按比例加入重金屬沉淀劑有機(jī)硫化物(TMT15)，使不能以氫氧化物形式沉淀出來的重金屬得以沉淀，如Hg2+。加藥量按1m3廢水加入15%的有機(jī)硫溶液20-50mL投加。
脫硫廢水為經(jīng)過石膏旋流器和真空皮帶機(jī)抽濾后的廢水，進(jìn)入廢水系統(tǒng)的懸浮物都是顆粒比較小，沉降性差的，很難利用自然重力沉降進(jìn)行分離，為了改善固體物的沉降能力，向廢水中加入聚合FeClSO4(1m3廢水加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%聚鐵溶液0.2-0.5kg)，同時(shí)向脫硫廢水中加入助凝劑聚丙烯酰胺(1m3廢水加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%聚丙烯酰胺溶液10g)。在去除懸浮物和膠體等雜質(zhì)的同時(shí)，混凝生成的活性絮體共同沉淀可以吸附水中析出的細(xì)小金屬氫氧化物，增加金屬氫氧化物除去的速度和效率。
加藥混合反應(yīng)后的廢水在重力作用下流入沉淀池，進(jìn)行固液分離。沉淀池出水進(jìn)入清水箱進(jìn)行后續(xù)濃縮除鹽。為了促進(jìn)反應(yīng)和后續(xù)反應(yīng)箱中絮凝粒子的形成，在中和調(diào)節(jié)池中加入沉淀池中回流的少量恒定量的接觸泥漿。剩余污泥間歇性地利用螺桿泵輸送至板框壓濾機(jī)(或是真空皮帶機(jī))進(jìn)行脫水處理，泥餅外運(yùn)。
所有加藥裝置均包括藥箱和可調(diào)節(jié)計(jì)量泵，可以保證方便準(zhǔn)確地投配所需要的化學(xué)藥劑量。
3.2煙道噴霧蒸發(fā)工藝段
在進(jìn)行此工藝段設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定以下及幾個(gè)重要參數(shù)：
1.煙道內(nèi)噴霧位置的選擇：
噴霧液滴進(jìn)入除塵器能否完全蒸發(fā)受到各種因素影響，有研究表明，煙氣速度和液滴初速度的改變對(duì)液滴蒸發(fā)速度的影響都較小[11-12]。主要受煙道結(jié)構(gòu)、煙氣入口溫度和噴霧粒徑的影響。
在實(shí)際工程中需要對(duì)煙道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行CFD模擬，模擬實(shí)驗(yàn)和研究表明，在直短煙道內(nèi)，流場(chǎng)較平穩(wěn)，液滴在進(jìn)入除塵器后仍有大量的廢水液滴未蒸發(fā)完，而彎曲長(zhǎng)煙道由于煙道較長(zhǎng)，液滴在煙道中的停留時(shí)間較長(zhǎng)，液滴在進(jìn)入除塵器之前已被完全蒸發(fā)，因此噴嘴布置位置要選擇在彎曲長(zhǎng)煙道上。
2.霧化顆粒粒徑的影響
噴嘴霧化的顆粒直徑對(duì)液滴的蒸發(fā)有著非常重要的影響。霧化粒徑越大，殘留未完全蒸發(fā)的液滴越多，與煙道壁面碰撞的液滴也越多，這是因?yàn)橐旱沃睆皆叫。旱蔚谋缺砻娣e越大，蒸發(fā)所用時(shí)間越少，蒸發(fā)的速率也就越快，部分液滴在到達(dá)煙道壁面前已經(jīng)蒸發(fā)。
研究表明，當(dāng)噴霧液滴最大粒徑為105.6um時(shí)，除塵器進(jìn)氣煙箱入口未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量約為0.2%，除塵器進(jìn)氣煙箱出口未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.01%，因此不會(huì)對(duì)除塵器的運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響。但是隨著霧化液滴粒徑越來越小，霧化廢水液滴所需的能耗越來越大，霧化成本也將不斷增加。同時(shí)，考慮到電廠除塵器的運(yùn)行安全和系統(tǒng)的運(yùn)行成本，液滴最大直徑可定為100um。
3.煙氣蒸發(fā)溫度的選擇
有研究人員發(fā)現(xiàn)對(duì)于廢水蒸發(fā)，將煙氣溫度控制在453K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)液滴群蒸發(fā)質(zhì)量最大，可供選擇的溫度區(qū)間段413K-473K。
研究人員研究了入口煙氣溫度分別為110、115、120、125、130和135℃時(shí)的煙箱殘留液體量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣入口溫度為127.4℃時(shí)，除塵器進(jìn)氣煙箱入口未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.2%，除塵器進(jìn)氣煙箱出口未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0。
煙氣初始溫度越低，未完全蒸發(fā)液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大。該電廠煙氣最低溫度為140℃，可以保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但考慮到安全性，需要在該系統(tǒng)中設(shè)置低溫保護(hù)措施，確保溫度低于135℃時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。
綜上所述，工程廢水排放量在1.3m3˙h-1時(shí)，每臺(tái)爐除塵器前入口煙道設(shè)置10個(gè)40L/h的雙流體噴嘴，壓縮空氣壓力04-05MPa，通過調(diào)整壓縮空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)入口閥門的開度調(diào)節(jié)氣體流量，將噴嘴霧化粒徑控制在100um以下(定為小于50um)。
布置時(shí)考慮小于50um液滴蒸發(fā)完全時(shí)液滴縱向最大運(yùn)動(dòng)距離小于0.3m，最大橫向運(yùn)動(dòng)距離小于5m。經(jīng)過物料衡算，噴霧后煙氣降溫小于5℃，煙氣濕度有一定程度的增加，但煙氣仍處于不飽和狀態(tài)，煙氣溫度高于酸露點(diǎn)溫度，不會(huì)對(duì)煙道和電除塵器產(chǎn)生腐蝕。另外，煙氣濕度的增加和煙氣溫度的適當(dāng)降低，降低了除塵器中灰的比電阻，提高了除塵效率。
4煙道噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
目前，脫硫廢水煙道處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有成功應(yīng)用的例子。國(guó)內(nèi)焦作萬方電廠2×350MW機(jī)20t/h高鹽廢水零排放項(xiàng)目采用“軟化預(yù)處理+電絮凝+雙膜減量(超濾膜+反滲透RO膜)+煙道蒸發(fā)系統(tǒng)”的處理方式，煙道蒸發(fā)器利用高溫余熱將濃水蒸發(fā)為水蒸汽，蒸汽隨除塵后的煙氣進(jìn)入脫硫塔，在噴淋冷卻的作用下凝結(jié)出來;蒸發(fā)結(jié)晶物則隨灰塵一起進(jìn)入電除塵器隨灰外排，節(jié)省了投資和運(yùn)行成本。
根據(jù)PrabhatKS,AlexanderY等人的報(bào)道[13]，某國(guó)外項(xiàng)目脫硫廢水煙道處理將霧化噴嘴、管道及一定量的壓縮空氣布置在除塵器前端，處理脫硫廢水量達(dá)2.2t/h，減少了FGD運(yùn)行的水耗及電耗。
隨著國(guó)民對(duì)水資源保護(hù)意識(shí)的逐漸提高和國(guó)家對(duì)污水排放要求的日益嚴(yán)格，相信煙道噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)在電廠廢水零排放技術(shù)中具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
來源:清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)中心
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