燃煤電廠脫硫廢水煙氣余熱蒸發(fā)零排放工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張凈瑞，劉其彬，李飛，苑志華，楊躍傘，鄭煜銘

(1.盛發(fā)環(huán)?？萍?廈門)有限公司，福建廈門361022; 2.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市污染物轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361021)

燃煤電廠脫硫廢水煙氣余熱蒸發(fā)零排放工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張凈瑞1，劉其彬1，李飛1，苑志華2，楊躍傘2，鄭煜銘2

(1.盛發(fā)環(huán)?？萍?廈門)有限公司，福建廈門361022; 2.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市污染物轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361021)

結(jié)合河南焦作某電廠2×350MW機(jī)組脫硫廢水煙氣余熱蒸發(fā)零排放工程的設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)闡述了高效多維極相電絮凝反應(yīng)器耦合雙堿法脫硫廢水預(yù)處理模塊、雙膜法高鹽水濃縮減量模塊，以及濃縮液煙氣余熱蒸發(fā)模塊的工藝流程，分析了該工藝運(yùn)行狀況，并核算了該工藝運(yùn)行成本。結(jié)果表明，基于煙氣余熱蒸發(fā)的脫硫廢水零排放技術(shù)不僅投資與運(yùn)營成本低，而且可減少脫硫工藝用水，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

燃煤電廠;脫硫廢水;煙氣余熱蒸發(fā);零排放

0 引言

我國電廠以燃煤發(fā)電為主，由此引發(fā)的大氣污染問題受到廣泛關(guān)注，如燃煤電廠排放的SO2占全國總排放量的45%以上［1］。為滿足國家對SO2排放標(biāo)準(zhǔn)要求，大多燃煤電廠都配置了脫硫系統(tǒng);其中，石灰石－石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、原料便宜和副產(chǎn)物可回用等優(yōu)勢，日漸成為燃煤電廠脫硫工藝的首選［2－3］。近年來，我國火電廠新建的脫硫工藝中，石灰石－石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)占了近90%［4］;但該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量脫硫廢水;該廢水成分復(fù)雜，且具有強(qiáng)腐蝕性，其有效處理成為制約燃煤電廠廢水零排放的關(guān)鍵［5］。

目前，脫硫廢水處理方法主要有:排至除灰系統(tǒng)、用于水力除渣、三聯(lián)箱化學(xué)沉淀法、流化床工藝、蒸發(fā)結(jié)晶工藝、膜濃縮工藝和煙道氣蒸發(fā)工藝等［6－8］。除灰及除渣系統(tǒng)能利用的脫硫廢水量較小，且只適用于設(shè)置水力除灰系統(tǒng)的電廠，使用范圍較窄;三聯(lián)箱化學(xué)沉淀法裝置龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、藥劑消耗量大，且處理后氯離子濃度依舊較高，達(dá)不到排放及回用要求，致使火電廠三聯(lián)箱系統(tǒng)閑置率較高;蒸發(fā)結(jié)晶與膜濃縮等深度處理工藝，因運(yùn)行與維護(hù)成本高，限制其推廣應(yīng)用，目前國內(nèi)只有河源電廠與恒益電廠采用上述深度處理工藝(投資金額分別高達(dá)9800萬元和4600萬元);煙道氣蒸發(fā)零排放工藝，直接利用煙氣余熱實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放，工藝簡單，成本較低，具有廣闊應(yīng)用前景，但國內(nèi)鮮有工程化應(yīng)用報(bào)道。

河南焦作某電廠2×350MW機(jī)組采用石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝脫硫，鑒于脫硫廢水水質(zhì)的特殊性，該電廠設(shè)置了單獨(dú)的脫硫廢水處理系統(tǒng)，即傳統(tǒng)三聯(lián)箱(中和箱、沉淀箱和絮凝箱)系統(tǒng)，但是經(jīng)處理廢水仍不能滿足《火電廠石灰石－石膏濕法脫硫廢水控制指標(biāo)》(DL/T 997－2006)要求;且處理后廢水氯離子濃度高，對金屬設(shè)備腐蝕性較強(qiáng)，無法回用于其他系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放，盛發(fā)環(huán)保在原有三聯(lián)箱系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套新型脫硫廢水回收利用工藝。脫硫廢水經(jīng)該系統(tǒng)處理后可完全回用于脫硫系統(tǒng)，節(jié)省了相同數(shù)量脫硫工藝用水，減少了電廠能耗，實(shí)現(xiàn)電廠脫硫廢水零排放。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行可為燃煤電廠脫硫廢水處理系統(tǒng)的優(yōu)化改造提供理論和技術(shù)支持。

1 脫硫廢水特點(diǎn)

煤在爐膛內(nèi)燃燒時(shí)，所含化學(xué)元素在高溫下生成多種無機(jī)化合物，它們隨煙氣進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，并溶解在吸收漿液中。不斷循環(huán)的漿液會(huì)逐漸富集Cl－，加速設(shè)備和原材料的腐蝕并影響系統(tǒng)的脫硫效率。為了維持脫硫系統(tǒng)內(nèi)物料平衡，控制漿液氯離子濃度在一定的范圍內(nèi)，需定期排出一定量的脫硫廢水，其水質(zhì)隨煤種、吸收塔內(nèi)漿液濃縮倍率而變化，表1給出了該機(jī)組某時(shí)間段脫硫廢水水質(zhì)，其水質(zhì)特點(diǎn)如下:

(1)廢水pH值為5.5～6.5，呈弱酸性;

(2)廢水懸浮物含量大、濁度高，主要為石膏顆粒、SiO2等;

(3)廢水含多種重金屬，如Cr、As、Cd、Pb、Hg和Cu等;

(4)廢水中Cl－、Ca2+、Mg2+等含量較高，不僅會(huì)降低系統(tǒng)脫硫效率、損害石膏品質(zhì)，還會(huì)引起后續(xù)石膏脫水困難、設(shè)備腐蝕等問題，增加廢水處理回用的難度［9］。

脫硫廢水這些特點(diǎn)，使其成為燃煤電廠中最復(fù)雜的一類水，并且對脫硫系統(tǒng)管道、各種金屬材料及相關(guān)動(dòng)力設(shè)備有很強(qiáng)的腐蝕性;如何有效處理脫硫廢水是制約燃煤電廠廢水零排放核心問題之一。

該電廠脫硫廢水水量為6～10t/h，其水質(zhì)復(fù)雜、污染性強(qiáng)，處理難度大，電廠設(shè)置了專門的三聯(lián)箱處理系統(tǒng)。從表1可看出，雖然三聯(lián)箱有一定的處理效果，但處理后廢水含鹽量極高(高氯離子濃度)，對金屬設(shè)備腐蝕性極強(qiáng)，導(dǎo)致經(jīng)處理脫硫廢水不能回用于其它系統(tǒng)。若將處理后脫硫廢水排放到市政污水處理廠，由于其不含有機(jī)物卻含有較高的鹽分，會(huì)造成微生物的大量死亡，使出水水質(zhì)惡化，影響污水處理廠的正常運(yùn)行。

表1 脫硫廢水原水與三聯(lián)箱出水水質(zhì)

隨著《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的發(fā)布，國家對廢水排放要求越來越嚴(yán)格，對廢水循環(huán)利用、實(shí)現(xiàn)廢水零排放的呼聲越來越高。在這種新形勢下，該電廠設(shè)計(jì)了脫硫廢水零排放系統(tǒng)。

2 基于煙氣余熱蒸發(fā)的脫硫廢水零排放系統(tǒng)及其運(yùn)行特征

該系統(tǒng)主要包括高效多維極相電絮凝耦合雙堿法預(yù)處理模塊、雙膜法高鹽水濃縮減量模塊、濃縮液煙氣余熱蒸發(fā)模塊。預(yù)處理模塊去除大部分懸浮固體顆粒和重金屬等，并充分軟化廢水，防止后續(xù)煙氣余熱蒸發(fā)結(jié)晶模塊噴頭的堵塞與結(jié)垢現(xiàn)象產(chǎn)生;雙膜法高鹽水濃縮減量模塊產(chǎn)生的淡水可直接回用于脫硫工藝，只需將濃水噴入煙道，大幅度地降低進(jìn)入煙道的水量負(fù)荷，有效減少了廢水對煙道溫度、濕度、粉煤灰質(zhì)量以及除塵效率的影響。該工藝可節(jié)省脫硫工藝用水，減少水耗;利用煙氣余熱，節(jié)省能耗，并最終實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放。

2.1 高效多維極相電絮凝反應(yīng)器耦合雙堿法預(yù)處理模塊

改造電廠原有中和箱、沉降箱和絮凝箱，增強(qiáng)水中鈣、鎂等硬度離子、硫酸根離子和固體懸浮物去除效果，圖1為預(yù)處理模塊流程。

脫硫廢水首先進(jìn)入高效多維極相電絮凝反應(yīng)器，在高頻脈沖電壓作用下，實(shí)現(xiàn)廢水中污染物的氧化還原，并通過凝聚、浮除，將污染物從水體中分離，可有效去除廢水中的CN－和Zn2+、Cd2+、Cr6+、Ni2+、Cu2+等重金屬離子。

圖1 預(yù)處理模塊流程

經(jīng)電絮凝反應(yīng)器處理后，廢水進(jìn)入pH調(diào)節(jié)箱，針對其pH值較低和含量較高的特點(diǎn)，向調(diào)節(jié)箱添加石灰乳和液堿，將pH值控制在9.5～11之間，以去除重金屬離子、和等。此時(shí)，Mg2+形成微溶氫氧化物、形成微溶硫酸鈣從廢水中沉淀出來，并通過溢流管進(jìn)入污泥箱。為減少沉淀時(shí)間，在污泥箱中加入5%新型無機(jī)多孔絮凝劑SF－CZ－01，絮凝后溶液中包含的絡(luò)合物、沉淀物以及懸浮物的細(xì)小礬花積聚成的大顆粒物被輸送至固液分離器，實(shí)現(xiàn)固液分離。此時(shí)，固液分離器出水澄清，并形成緊實(shí)泥餅。新型無機(jī)多孔絮凝劑SF－CZ－01的加入，一方面加快污泥沉降、保持污泥形態(tài)穩(wěn)定;另一方面可去除一定量懸浮物、降低水中固體微粒雜質(zhì)，可減少后續(xù)雙膜系統(tǒng)的膜污染。

經(jīng)pH調(diào)解箱后，廢水中Mg2+、的濃度分別降至0.8～1g/L、1～2g/L(見表2中固液分離出水水質(zhì));石灰乳加入使固液分離出水中鈣離子濃度上升，達(dá)0.5～1.2g/L;固液分離器滲濾液出水經(jīng)收集，調(diào)節(jié)pH后進(jìn)入沉降箱;沉降箱中加入Na2CO3形成碳酸鈣沉淀以去除鈣離子;沉降箱的泥水混合物經(jīng)溢流管進(jìn)入絮凝箱，添加PAC進(jìn)行絮凝，并溢流至澄清池;澄清池底部污泥，一部分通過循環(huán)泵返回中和箱，以提供沉淀所需晶核，獲得更好地沉降;一部分通過污泥輸送泵進(jìn)入板框式壓濾機(jī)脫水，生成的泥餅外運(yùn);澄清池上清液經(jīng)出水箱收集進(jìn)入雙膜系統(tǒng)。

經(jīng)預(yù)處理后，水質(zhì)有了很大改善，澄清池上清液水質(zhì)如表2所示。懸浮物(SS)由原水的3%～5%下降為0.01%～0.05%;+由原水的8～12g/L下降至0.3～0.5g/L;由原水的30～50g/L下降至1～2g/L;Ca2+由原水的0.2～0.6g/L下降至為0.1～0.2g/L。

表2 脫硫廢水各模塊出水水質(zhì)

2.2 雙膜法高鹽水濃縮減量模塊

為了減小進(jìn)入煙道水量負(fù)荷，以減弱對煙道溫度、濕度、粉煤灰質(zhì)量以及除塵效率的影響，經(jīng)高效多維極相電絮凝反應(yīng)器耦合雙堿法預(yù)處理后的廢水進(jìn)一步經(jīng)過雙膜法處理，達(dá)到濃縮減量的目的。雙膜法高鹽水濃縮減量模塊流程見圖2。

微濾膜能截留0.1μm以上的顆粒，只有溶解無機(jī)鹽和小分子物質(zhì)能通過膜，懸浮物、微生物、蛋白質(zhì)、膠體等大分子物質(zhì)則被阻擋。微濾膜憑借對顆粒、膠體物質(zhì)、細(xì)菌的較強(qiáng)去除能力得到了廣泛的應(yīng)用［10］。預(yù)處理模塊出水在出水箱收集，用鹽酸調(diào)整pH至7～9，輸送至微濾系統(tǒng)。在微濾過程中，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水壓力、過濾時(shí)間、反沖時(shí)間以優(yōu)化參數(shù)。

反滲透膜具有工藝簡單、體積小、操作程序單一、分離系數(shù)大、節(jié)能高效、不產(chǎn)生酸堿廢水無二次污染等優(yōu)點(diǎn)［11］，為此，采用反滲透膜對微濾產(chǎn)水進(jìn)行濃縮減量處理。經(jīng)預(yù)處理及微濾處理后產(chǎn)水可滿足反滲透膜對進(jìn)水水質(zhì)的要求。

圖2 雙膜法高鹽水濃縮減量模塊流程

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，其出水水質(zhì)見表2和表3。反滲透產(chǎn)水(淡水)可滿足回用要求，回收率達(dá)60%以上。預(yù)處理及濃縮減量模塊去除了大部分懸浮固體顆粒、重金屬等，并對水質(zhì)進(jìn)行軟化，可有效預(yù)防煙氣余熱蒸發(fā)系統(tǒng)中噴頭的堵塞及結(jié)垢。

表3 雙膜法處理效果

2.3 煙道余熱蒸發(fā)模塊

反滲透膜所產(chǎn)淡水回用于脫硫工藝，節(jié)約了電廠水耗;只將濃水排入煙氣余熱蒸發(fā)模塊，采用噴嘴將其霧化，噴入電除塵器和空氣加熱器之間的煙道間隙，利用煙道內(nèi)高溫?zé)煔鈱㈧F化后濃水蒸發(fā)為水蒸汽，隨除塵后煙氣進(jìn)入脫硫塔，在脫硫塔噴淋冷卻作用下，水分凝結(jié)進(jìn)入脫硫塔漿液循環(huán)系統(tǒng);蒸發(fā)結(jié)晶物隨灰塵一起進(jìn)入電除塵器隨灰外排。該模塊既可以充分利用電廠外排煙氣熱能，又可達(dá)到脫硫廢水零排放目的，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

霧化裝置將濃水霧化為粒徑小于100μm的細(xì)小液滴，較小液滴具有較大比表面積，蒸發(fā)速度快，大部分液滴在到達(dá)煙道壁前已被蒸發(fā)，避免濕壁現(xiàn)象發(fā)生，有效減少對煙道內(nèi)壁腐蝕。濃縮減量模塊有效降低了進(jìn)入煙道的水量負(fù)荷，進(jìn)一步減少了脫硫廢水對煙道可能產(chǎn)生的影響。

圖3為煙道霧化蒸發(fā)濃水前后煙道溫度變化，結(jié)果表明:噴霧后，煙道溫度降在5℃以內(nèi)，保證其溫度在酸露點(diǎn)以上(酸露點(diǎn)在90～100℃左右);另外，噴霧后煙氣濕度平均僅增加0.33%。煙氣溫度降低和濕度升高，能降低電除塵器中灰的比電阻，利于后續(xù)除塵效率提高［12］。

圖3 煙道進(jìn)出口溫度變化(第15天開始煙道霧化蒸發(fā))

蒸發(fā)結(jié)晶物隨粉煤灰一起在電除塵排出，不會(huì)對煙道及電除塵器造成腐蝕。該2×350MW機(jī)組鍋爐產(chǎn)生約1431000m3/h的煙氣，約65t/h的粉煤灰，經(jīng)預(yù)處理后，水中的污染物絕大部分以氯化鈉(食鹽主要成分)形式存在，根據(jù)物料平衡計(jì)算氯化鈉量約為0.06t/h，氯離子量為36.4kg/h，只占粉煤灰質(zhì)量的0.056%，蒸發(fā)結(jié)晶物對粉煤灰品質(zhì)的影響可忽略不計(jì);表4為煙道霧化蒸發(fā)濃水前后粉煤灰成分對比。

表4 噴灑濃水前后粉煤灰成分變化

另外，該工藝采用PLC實(shí)現(xiàn)智能控制。煙道內(nèi)噴頭前后設(shè)置煙道溫度感應(yīng)器，根據(jù)煙道溫度調(diào)節(jié)噴霧水量負(fù)荷，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行;如果低于溫度范圍下限，設(shè)備將自動(dòng)停止工作，直至煙溫恢復(fù)正常。經(jīng)預(yù)處理及微濾后，廢水中顆粒物、重金屬離子及Mg2+、被充分去除，水體軟化，降低了噴頭結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn);反滲透系統(tǒng)有效降低了噴入煙道水量負(fù)荷，對煙道影響程度小;在噴頭前端，設(shè)計(jì)有噴頭保護(hù)裝置，可以防止煙氣中粉塵對噴頭的磨損，延長噴頭使用時(shí)間。

預(yù)處理模塊、濃縮減量模塊、煙道余熱蒸發(fā)模塊的協(xié)同作用，使得脫硫廢水達(dá)到較理想的零排放。

3 運(yùn)行成本分析

該系統(tǒng)運(yùn)行成本分析見表5。其中，出水水量20m3/h，按24h/d、360d/a計(jì)，水量為172800m3/a;占地面積為318m2。蒸汽單價(jià)按150元/t，上網(wǎng)電價(jià)按0.4963元/(kW·h)計(jì)。

表5 運(yùn)行成本

該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，操作方便;工程投資省、運(yùn)行能耗低、處理費(fèi)用小等特點(diǎn);并可充分利用鍋爐煙氣余熱，無需額外熱源，達(dá)到節(jié)能減排，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

(1)基于煙氣余熱蒸發(fā)的脫硫廢水零排放技術(shù)可行;應(yīng)用該技術(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮機(jī)組負(fù)荷及鍋爐爐后煙風(fēng)系統(tǒng)配置情況，設(shè)計(jì)合適的工藝參數(shù)。

(2)高效多維極相電絮凝耦合雙堿法預(yù)處理模塊可去除大部分固體懸浮顆粒、重金屬離子和硬度離子等，有效地軟化水質(zhì)，防止煙氣余熱蒸發(fā)系統(tǒng)噴頭的結(jié)垢堵塞，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放。

(3)雙膜法高鹽水濃縮減量模塊穩(wěn)定運(yùn)行，有效減少進(jìn)入煙氣余熱蒸發(fā)系統(tǒng)水量，可回收60%的廢水，減少對煙道溫度、濕度、粉煤灰質(zhì)量以及除塵效率的影響。

(4)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燃煤電廠真正意義上脫硫廢水零排放，保護(hù)了水資源，降低了電廠水耗與能耗，為建設(shè)更加環(huán)保的燃煤電廠提供重要技術(shù)支持，有廣泛應(yīng)用前景。

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Design and application of flue gas duct waste heat evaporation based zero discharge technology for treatment of desulfurization wastewater from thermal power plants

By taking the design of wastewater zero discharge system for treatment of desulfurization wastewater produced from a 2×350MW generator set in Henan Jiaozuo as an example，it expounds the operation condication and analyzes the costs of the system，which includes the pretreatment module consisting of efficient multidimensional phase electrocoagulation reactor and double－alkaline process，the concentration module of double－membrane process，and the evaporating module by using waste heat from flue gas duct.The results demonstrate the application value of the zero discharge system with the advantage of inexpensive，less water consumption of desulfurization process and lower energy consumption.

thermal power plants;desulfurization wastewater;flue gas duct waste heat evaporation;zero discharge

X703.1

B

1674－8069(2016)03－016－05

2016-03-12

張凈瑞(1988-)，女，工學(xué)碩士，從事污水處理工程的設(shè)計(jì)及調(diào)試。E－mail:jrzhang@iue.ac.cn