燃煤電廠脫硫廢水零排放技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

呂武學(xué)，于燕飛，曲保忠，陳嘉寧，崔凌霄，馬雙忱

(1.華能威海發(fā)電有限責(zé)任公司 ，山東 威海 264205；2.華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，河北 保定 071003；3.University of Illinois at Urbana-Champaign，Champaign，IL 61820)

0 引 言

我國(guó)燃煤電廠主流的煙氣脫硫技術(shù)是采用石灰石-石膏法濕法脫硫，據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)，2017年當(dāng)年新投運(yùn)火電廠煙氣脫硫機(jī)組容量約0.4 億kW；截至2017年底，全國(guó)已投運(yùn)火電廠煙氣脫硫機(jī)組容量約9.2 億kW，占全國(guó)火電機(jī)組容量的83.6%，占全國(guó)煤電機(jī)組容量的93.9%。為了維持脫硫塔內(nèi)的氯離子濃度低于20 000 mg/L[1],需外排脫硫廢水。外排的脫硫廢水不僅包括脫硫過(guò)程產(chǎn)生的廢水，還包括鍋爐沖洗水、機(jī)組冷卻水等[2]，導(dǎo)致產(chǎn)生的廢水水質(zhì)最為惡劣。

目前由于環(huán)保政策的嚴(yán)格要求，尤其是從2015年4月14日發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(即“水十條”)，提出禁止燃煤電廠脫硫廢水外排；截至2018-06-06，修編的《發(fā)電廠廢水治理設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定了電廠廢水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)規(guī)范，新增多條廢水的設(shè)計(jì)要求，逐步推動(dòng)廢水零排放的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)廢水零排放的要求，許多專家學(xué)者通過(guò)分析大量的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及實(shí)際電廠案例運(yùn)行結(jié)果，提出了幾種脫硫廢水零排放的技術(shù)路線，但技術(shù)的優(yōu)劣仍需實(shí)踐檢驗(yàn)。

1 脫硫廢水技術(shù)路線選擇的總原則

1)可靠和經(jīng)濟(jì)性原則。便于運(yùn)行和維護(hù)，滿足脫硫廢水零排放系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

2)一廠一策原則。堅(jiān)持因地制宜、因煤制宜、因爐制宜的原則，充分考慮各廠脫硫廢水產(chǎn)生和排放實(shí)際情況。

3)協(xié)同性原則。脫硫廢水處理系統(tǒng)要與現(xiàn)有污染控制單元，如脫硫、脫硝、除塵等節(jié)能環(huán)保設(shè)備協(xié)同考慮。

4)無(wú)害化原則。脫硫廢水處理的產(chǎn)物要實(shí)現(xiàn)無(wú)害化和資源化，不能產(chǎn)生新的二次污染。

2 脫硫廢水預(yù)處理技術(shù)

預(yù)處理是脫硫廢水處理的初端，其目的是去除廢水中的大顆粒懸浮物、鈣鎂硬度離子、部分重金屬離子等，使廢水水質(zhì)達(dá)到下一處理環(huán)節(jié)的進(jìn)水要求，同時(shí)也可減少下一處理階段的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。常見的脫硫廢水的預(yù)處理技術(shù)是化學(xué)沉淀法，如電廠普遍采用的三聯(lián)箱技術(shù)、雙堿法、石灰-煙道氣法等。

三聯(lián)箱處理技術(shù)是通過(guò)加入石灰乳將廢水pH調(diào)至9左右[3]，去除易形成氫氧化物沉淀的金屬離子；再加入有機(jī)硫試劑使Cd2+、Hg2+等離子形成硫化物沉淀；最后在絮凝槽中加入助凝劑增強(qiáng)絮凝效果，經(jīng)澄清池澄清，排水進(jìn)入下一處理環(huán)節(jié)，澄清池中產(chǎn)生的污泥經(jīng)板框壓濾機(jī)壓成濾餅外運(yùn)，濾液再次返回三聯(lián)箱，其工藝如圖1所示。

圖1 三聯(lián)箱處理工藝Fig.1 Triple box treatment process

三聯(lián)箱作為脫硫廢水的預(yù)處理技術(shù)，雖去除了廢水中大量的鈣鎂易結(jié)垢離子，但未能去除其中高濃度的Cl-，因此需與其他處理技術(shù)相結(jié)合；同時(shí)其耗藥量較大，通過(guò)對(duì)各電廠的調(diào)研分析，普遍反映三聯(lián)箱處理技術(shù)在電廠不同負(fù)荷、脫硫廢水水質(zhì)水量多變的情況下達(dá)不到預(yù)期的處理效果。

劉亞鵬等[4]利用這2種聯(lián)合方式對(duì)實(shí)際電廠脫硫廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，NaOH和Na2CO3聯(lián)合的方式用藥量少，對(duì)Ca2+、Mg2+的去除率均達(dá)到99.7%以上。連宙坤等[5]采用NaOH+Na2CO3的方法對(duì)脫硫廢水進(jìn)行預(yù)處理，Ca2+的去除率達(dá)94.44%，Mg2+的去除率可達(dá)99.74%，用藥量相對(duì)較大。雙堿法中對(duì)廢水pH的控制是鈣鎂離子去除的關(guān)鍵[6]，在pH=10.5～11時(shí)，廢水中Mg2+的去除率可達(dá)99.87%[7]。張春桃等[8]利用化學(xué)沉淀-混凝-軟化工藝對(duì)脫硫廢水進(jìn)行物化法處理，其對(duì)鈣鎂離子的去除率均達(dá)97%以上，同時(shí)對(duì)重金屬鎘、鉛、鎳均有一定的去除效果。汪嵐等[9]分析了利用石灰-煙道氣法軟化脫硫廢水的可行性，大幅降低藥劑費(fèi)用。吳志勇等[10]利用芒硝-石灰-煙道氣法對(duì)廢水進(jìn)行軟化處理，廢水中鈣、鎂離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.005%。河源電廠采用兩級(jí)軟化澄清處理技術(shù)分步向脫硫廢水中加入石灰乳(或NaOH)、聚合鐵(或其他凝聚劑)、有機(jī)硫、助凝劑(聚丙烯酰胺)和純堿等藥劑，完成對(duì)脫硫廢水的全面軟化，對(duì)鈣、鎂離子的去除率均達(dá)到97%以上[11]，其工藝流程如圖2所示。該工藝可利用電廠原有的處理設(shè)施，運(yùn)行靈活性較高，但由于該技術(shù)要在較高的pH下運(yùn)行，因此堿性藥劑和純堿(軟化劑)投加量很大，污泥產(chǎn)生量高，約50 t/d(以泥餅計(jì))，而且系統(tǒng)占地面積較大。長(zhǎng)興電廠利用石灰和碳酸鈉對(duì)廢水進(jìn)行除硬，其出水水質(zhì)中Ca2+、Mg2+均未檢測(cè)出，每噸水消耗藥劑費(fèi)用為14.126元/m3。

圖2 河源電廠雙堿法脫硫廢水預(yù)處理工藝Fig.2 Pretreatment process of double alkali desulfurizationwastewater in Heyuan Power Plant

3 濃縮減量技術(shù)

脫硫廢水的濃縮減量是為了降低廢水量、回收水資源、減少后續(xù)蒸發(fā)的處理量，從而降低蒸發(fā)固化的成本[12]。目前濃縮減量技術(shù)主要分為膜法濃縮和熱法濃縮。膜法濃縮包括正滲透(FO)、反滲透(RO)、電滲析(ED)、納濾(NF)、膜蒸餾(MD)等[13]；熱法濃縮主要是依靠蒸汽實(shí)現(xiàn)廢水的蒸發(fā)，包括機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR)、多效蒸發(fā)(MED)、蒸汽動(dòng)力壓縮式(TVR)、多級(jí)閃蒸、降膜蒸發(fā)等[14]，也可依靠電廠煙氣余熱進(jìn)行廢水的蒸發(fā)濃縮減量，該技術(shù)無(wú)需引入大量蒸汽能源，節(jié)約成本，同時(shí)又能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了電廠的廢熱再利用。

3.1 膜法濃縮

3.1.1反滲透(RO)

RO技術(shù)最初常用于海水淡化，全球近80%的海水淡化處理技術(shù)均采用反滲透[15]。RO以壓力差為推動(dòng)力，在高濃度水溶液一側(cè)施加壓力，使高濃度水溶液側(cè)與低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水通過(guò)滲透膜進(jìn)入低濃度水溶液中[16]。起初對(duì)反滲透的研究主要是反滲透膜的改進(jìn)，如具有較好的半透性醋酸纖維制成的反滲透膜；隨著納米技術(shù)的發(fā)展，將納米材料應(yīng)用于膜，為反滲透膜開辟了新的道路。目前反滲透膜市場(chǎng)主要以薄膜復(fù)合材料(主要是TFC)為主[17]，具有能耗低、處理能力高等優(yōu)勢(shì)，已廣泛用于脫硫廢水處理，其操作壓力在2～100 MPa，可分離分子量小于500的小分子物質(zhì)，水的滲透通量為0.1～2.5 m3/(m2·d)。但RO系統(tǒng)易發(fā)生膜污染與結(jié)垢堵塞[18]，需定時(shí)清理膜組件，且需達(dá)到反滲透的進(jìn)水要求。經(jīng)一級(jí)RO濃縮的濃水，其鹽濃度未能達(dá)到可直接進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶的鹽濃度[19]，所以，采用RO無(wú)法將鹽水濃縮至可結(jié)晶固化水平。連坤宙等[20]利用“微濾+反滲透”工藝對(duì)預(yù)處理后的火電廠脫硫廢水進(jìn)行深度處理，該工藝系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)明顯污堵現(xiàn)象，系統(tǒng)脫鹽率大于98%。伊學(xué)農(nóng)等[21]利用反滲透特種膜處理脫硫廢水，其系統(tǒng)出水的氯離子含量為1 700 mg/L，對(duì)氯離子的去除率達(dá)88%，對(duì)鈣鎂離子的截留率達(dá)84%以上，同時(shí)具有去除部分重金屬的能力，對(duì)Cr、Pb、Ni的去除率達(dá)49%以上。王可輝等[22]利用管式微濾膜(TMF)+高壓碟片式反滲透(DTRO)處理脫硫廢水，結(jié)果表明，9 MPa壓力下可將脫硫廢水的含鹽量濃縮至11%以上，高壓反滲透的產(chǎn)水電導(dǎo)在800 μS/cm左右，同時(shí)進(jìn)行了“管式超濾膜+高鹽反滲透+高壓反滲透”的膜濃縮中試試驗(yàn)，可達(dá)到零排放的要求。周明飛等[23]利用反滲透-電解制氯對(duì)脫硫廢水進(jìn)行綜合利用，其反滲透濃水質(zhì)量濃度可達(dá)114.6 g/L，滿足電解制氯的水質(zhì)要求。張泉等[24]利用膜組合工藝，其濃縮液的Cl-濃度為原來(lái)的1.7～2.3倍，同時(shí)其膜組件均未出現(xiàn)不可逆膜污染。吳優(yōu)福等[25]對(duì)2種零排放技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，分析表明，其兩級(jí)RO耦合正滲透技術(shù)可將20 t/h脫硫廢水濃縮至3 t/h，其TDS可濃縮至150 000～200 000 mg/L，成本相對(duì)較低。

3.1.2正滲透(FO)

正滲透(FO)技術(shù)最早應(yīng)用于海水淡化、污水處理、垃圾滲濾液處理[26]。FO以選擇性滲透膜兩側(cè)的滲透壓為驅(qū)動(dòng)力，溶液中的水從高水化學(xué)勢(shì)向低水化學(xué)勢(shì)傳遞，溶質(zhì)離子被阻擋[27]。正滲透無(wú)需外界壓力驅(qū)動(dòng)，能耗低，但需要汲取液來(lái)提供推動(dòng)力[28]。對(duì)于正滲透膜材料，可應(yīng)用于反滲透的膜材料一般均可應(yīng)用于FO技術(shù)。正滲透處理效果的影響因素有FO膜、汲取液、運(yùn)行條件等[29]。張軍等[30]分析了多種因素對(duì)正滲透濃縮濃鹽水的影響，濃鹽水TDS可從60 000 mg/L濃縮至126 000 mg/L，同時(shí)證實(shí)氯化鈉適合作驅(qū)動(dòng)液。國(guó)內(nèi)第1套正滲透系統(tǒng)脫硫廢水零排放項(xiàng)目在華能長(zhǎng)興電廠已投產(chǎn)運(yùn)行，可將22 m3/h含鹽水濃縮至1.5～2.0 m3/h，將含鹽量>60 000 mg/L的濃水濃縮至含鹽量>200 000 mg/L[31]。該技術(shù)引自美國(guó)，其核心技術(shù)尚未掌握，技術(shù)服務(wù)難度大，整套裝置占地700 m2，正滲透仍需部分蒸汽量，同時(shí)存在較多運(yùn)行問(wèn)題，以及正滲透進(jìn)水水質(zhì)的保證問(wèn)題。

RO應(yīng)用范圍廣，但易發(fā)生膜污染與結(jié)垢堵塞問(wèn)題；FO屬自發(fā)過(guò)程，能耗低，無(wú)需額外壓力，設(shè)備簡(jiǎn)單，其膜表面不易形成濾餅層[32]，膜污染可逆[33]，但需選取合適的汲取液，汲取液的再生需額外能量，同時(shí)，正滲透膜存在嚴(yán)重的內(nèi)部濃差極化現(xiàn)象[34]。

3.1.3電滲析(ED)

電滲析技術(shù)以直流電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性實(shí)現(xiàn)溶液的淡化[35]。電滲析技術(shù)具有優(yōu)異的處理效果、較低的運(yùn)行能耗等優(yōu)點(diǎn)。張維潤(rùn)等[36]研究分析了電滲析濃縮海水制鹽，其能將海水濃縮6倍，濃水Cl-濃度可達(dá)116 g/L，系統(tǒng)總能耗在300 kWh內(nèi)，但其膜堆的結(jié)垢問(wèn)題有待解決。孟友國(guó)等[37]利用均相電驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)處理軟化后的脫硫廢水，其濃水TDS含量達(dá)15%，淡水TDS含量低于0.3%，可直接回用為脫硫塔的補(bǔ)水。王朝乾等[38]優(yōu)化了濃海水制鹵過(guò)程，濃縮率80%時(shí)，氯化鈉濃縮倍率可達(dá)5倍以上，NaCl含量大于210 g/L。楊博等[39]研究了脫硫廢水中Mg2+對(duì)電滲析過(guò)程的影響，廢水中Mg2+濃度大于0.179 mol/L時(shí)，陰陽(yáng)極膜上附著較多沉淀，對(duì)于Mg2+濃度較高的廢水需進(jìn)行預(yù)處理。盧劍等[40]研究了海水直流冷冷卻電廠脫硫廢水處理中利用電滲析進(jìn)一步濃縮反滲透濃水，將溶解性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7%濃縮至約21%，Cl-質(zhì)量濃度約為 93 000 mg/L。

綜上，膜濃縮主要存在以下4個(gè)問(wèn)題：① 成本。投資成本和運(yùn)行費(fèi)用高，包括能耗成本、清洗成本、膜元件更換成本、設(shè)備維修、維護(hù)成本等。② 易結(jié)垢和堵塞。系統(tǒng)可靠性差。③ 前處理要求高。膜組件對(duì)進(jìn)水要求較高，需去除廢水中懸浮物等雜質(zhì)，增加了廢水前處理成本。④ 占地面積大。需提供專一的場(chǎng)地以搭建膜組件等設(shè)備。

3.2 熱法濃縮

3.2.1蒸汽濃縮

利用蒸汽進(jìn)行廢水蒸發(fā)，常見技術(shù)包括機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)(MVR)、多效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)(MED)。MED是將多級(jí)蒸發(fā)器串聯(lián)，前一級(jí)蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽作為下級(jí)蒸發(fā)器的熱源[41]，效數(shù)越多，越節(jié)約生蒸汽，但考慮到投資成本高的問(wèn)題，需衡量采用的級(jí)數(shù)。Urbaniec等[42]研究表明，五效帶原料預(yù)熱的蒸發(fā)系統(tǒng)熱能利用率高，蒸汽消耗量小。整期濃縮技術(shù)對(duì)蒸發(fā)器的選材需特別注意，同時(shí)還需對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行定期清洗，存在熱量損失問(wèn)題[43]。

MVR技術(shù)利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量，將低品位的蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)機(jī)械做功提升為高品位熱源，重新進(jìn)入蒸發(fā)器替代新鮮蒸汽[44]。MVR系統(tǒng)較成熟，占地面積較小，運(yùn)行平穩(wěn)，自動(dòng)化程度高。但在鹽水濃縮過(guò)程中，MVR系統(tǒng)運(yùn)行仍存在鹽漿排放過(guò)程中堵塞、風(fēng)機(jī)葉輪易損壞等問(wèn)題[45]。毛彥霞等[46]利用MVR技術(shù)模擬脫硫廢水中試試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該技術(shù)能將Cl-濃度從13 035.96 mg/L濃縮至31 390.26 mg/L，其濃縮倍率約為原水的2.4倍，產(chǎn)水率達(dá)80%，其蒸餾出水TDS為4.5 mg/L，處理效果較好，但未考慮廢水pH對(duì)MVR的影響，設(shè)備存在腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題。流程上MVR技術(shù)比MED技術(shù)短，設(shè)備少[47]，占地面積小，蒸汽的消耗量較低，但在一次性投資成本上，MVR高于MED[48]。國(guó)電漢川2×1 000 MW發(fā)電機(jī)組利用膜濃縮和MVR蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)將脫硫廢水中的水回用，得到純度為97.5%的工業(yè)精制二級(jí)鹽[49]。利用蒸汽蒸發(fā)濃縮脫硫廢水，采用MVR或MED技術(shù)，投資成本均偏高。河源電廠及恒益電廠均采用蒸發(fā)濃縮的工藝，其處理1 t廢水耗電在20～30 kWh[50]，同時(shí)需大量的蒸汽能源，其蒸發(fā)器的結(jié)垢防腐蝕問(wèn)題仍有待解決，一般其進(jìn)水都需要預(yù)處理。

3.2.2煙氣余熱濃縮

煙氣余熱對(duì)廢水濃縮減量一般抽取95～120 ℃低溫?zé)煔?，在外部搭建濃縮塔，濃縮塔內(nèi)布設(shè)噴淋裝置，脫硫廢水經(jīng)水泵泵送至濃縮塔中，在塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)濃縮，濃縮后的濃鹽水進(jìn)入下一處理環(huán)節(jié)。圖3為泰州電廠脫硫廢水零排放工藝，利用引風(fēng)機(jī)后110 ℃煙氣對(duì)脫硫廢水進(jìn)行濃縮，濃縮倍率可達(dá)5～10 倍，最高濃縮后Cl-濃度接近300 000 mg/L。湖北能源集團(tuán)鄂州電廠2×1 000 MW機(jī)組的濃縮系統(tǒng)與泰州電廠相似，其抽取占總煙氣量18%、煙溫為92.8 ℃的低溫?zé)煔膺M(jìn)行廢水濃縮減量，處理能力為10 t/h，濃縮后漿液含固率10%～25%。運(yùn)行過(guò)程中濃縮塔內(nèi)由于濃縮倍率較高，有較多硫酸鈣等結(jié)晶鹽析出，導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，其內(nèi)部結(jié)垢問(wèn)題有待解決。

圖3 泰州電廠脫硫廢水零排放工藝路線Fig.3 Zero discharge process route of desulfurization wastewater inTaizhou power plant

利用低溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行廢水的濃縮減量，使電廠的低溫?zé)煔庥酂岬玫接行Ю茫瑹o(wú)需引入其他蒸汽等能源；可去除預(yù)處理單元，電廠也可自行收納產(chǎn)生的濃鹽水；附加處理設(shè)施可利用電廠現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改造，改造費(fèi)用不高，大幅減少了投資成本；由于濃縮塔可單獨(dú)隔離與拆卸，方便運(yùn)行維護(hù)。該技術(shù)將成為廢水濃縮減量的新趨勢(shì)。

4 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)

將濃縮后少量較高濃度的脫硫廢水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，較為成熟的MVR蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)和多效蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)已得到普遍應(yīng)用。目前利用電廠煙氣余熱進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶的技術(shù)，如旁路煙道蒸發(fā)、煙道噴霧蒸發(fā)等日漸成熟。

4.1 旁路煙道蒸發(fā)

旁路煙道蒸發(fā)是利用煙氣余熱進(jìn)行廢水蒸發(fā)結(jié)晶的技術(shù)。抽取部分空預(yù)器前350℃左右高溫?zé)煔鈁51]，將廢水泵送至蒸發(fā)結(jié)晶器的噴淋區(qū)，利用雙流體霧化噴頭將廢水霧化成小液滴，廢水在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)結(jié)晶，產(chǎn)生的結(jié)晶鹽隨煙氣被電除塵器捕集，其工藝流程如圖4所示。該技術(shù)對(duì)電廠原有系統(tǒng)影響較小[52]，河南焦作萬(wàn)方2×350 MW機(jī)組引入旁路煙道蒸發(fā)結(jié)晶器系統(tǒng)[53]，脫硫廢水的體積流量減少4.3%，工藝補(bǔ)充水體積流量減少14.6%[54]。

圖4 旁路煙道蒸發(fā)結(jié)晶Fig.4 Bypass flue vaporized crystallization technology

國(guó)內(nèi)旁路煙道研究大多以數(shù)值模擬為主，缺少與實(shí)際擬合度較高的動(dòng)力學(xué)模型；氣液兩相流霧化噴頭孔徑小，處理復(fù)雜的未經(jīng)預(yù)處理的廢水時(shí)，易堵塞；同時(shí)霧化器密封件材料的耐溫性有待提高；酸性脫硫廢水在蒸發(fā)過(guò)程中易腐蝕蒸發(fā)器，需選擇合理的脫硫廢水前處理工藝或?qū)φ舭l(fā)結(jié)晶器內(nèi)部涂防腐材料。

除了利用旁路蒸發(fā)結(jié)晶器蒸發(fā)，還可采用蒸發(fā)塔蒸發(fā)。蒸發(fā)塔最初引進(jìn)日本三菱技術(shù)，內(nèi)部采用旋轉(zhuǎn)霧化噴頭將廢水霧化成小顆粒。于偉靜等[55]通過(guò)理論和試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)蒸發(fā)塔進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，抽取煙氣量控制在5%以內(nèi)不會(huì)對(duì)電廠熱系統(tǒng)造成影響。賈紹廣等[56]利用蒸發(fā)塔并結(jié)合模型建立了與工業(yè)應(yīng)用實(shí)例有較高契合度的熱量衡算公式。山西臨汾熱電廠建立了蒸發(fā)塔處理脫硫廢水示范工程，抽取空預(yù)器前6%左右、335 ℃高溫?zé)煔庹舭l(fā)脫硫廢水，其工藝流程如圖5所示，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中廢水蒸發(fā)量6 t/h滿足并優(yōu)于設(shè)計(jì)值5 t/h，廢水處理費(fèi)用為53.4元/t。

圖5 蒸發(fā)塔蒸發(fā)結(jié)晶Fig.5 Evaporation crystallization in evaporation tower

雖然蒸發(fā)塔能較好實(shí)現(xiàn)廢水的蒸發(fā)結(jié)晶，但應(yīng)用過(guò)程中存在許多技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：

1)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。300 ℃左右的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)霧化噴頭(轉(zhuǎn)速13 000～16 000 r/min)后高速旋轉(zhuǎn)，在中心形成負(fù)壓區(qū)，當(dāng)噴槍噴出介質(zhì)流速低于一定值，高溫?zé)煔鈺?huì)將噴頭本體加熱，使其溫度升高。由于噴槍噴出介質(zhì)中含有較高濃度的Ca2+、Mg2+等結(jié)垢物質(zhì)，噴頭溫度升至60 ℃以上后，霧化器內(nèi)部極易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，影響后續(xù)霧化和運(yùn)行效果，需定期酸洗清理。

2)維護(hù)困難。旋轉(zhuǎn)霧化器布置在高溫?zé)煹郎戏剑F化輪表面及霧化器傳動(dòng)裝置的保護(hù)套上易生成沉淀物。機(jī)械設(shè)備易出現(xiàn)潤(rùn)滑油脂干澀、電機(jī)防爆、轉(zhuǎn)軸斷裂卡塞等機(jī)械故障，檢修維護(hù)量較大。

3)可利用率差。旋轉(zhuǎn)霧化器無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢修，必須停機(jī)起吊拆出，造成設(shè)備可利用率下降。

4)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)口。國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)霧化器可靠性差，更換頻繁，關(guān)鍵部件需進(jìn)口，且需備用，維護(hù)成本高。

5)占地面積大。蒸發(fā)塔徑是蒸發(fā)結(jié)晶器的2～3倍，鍋爐尾部空間有限，安裝困難。

4.2 煙道噴霧蒸發(fā)

煙道噴霧蒸發(fā)是在空預(yù)器與電除塵器之間的煙道內(nèi)部設(shè)置氣液兩相流霧化噴嘴，將脫硫廢水霧化成小液滴[57]，所形成的液滴與煙氣熱交換后瞬間蒸發(fā)，產(chǎn)生的結(jié)晶鹽被除塵器捕集，其工藝流程如圖6所示。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、占地面積小、無(wú)需加藥，減少了投資運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，對(duì)除塵器無(wú)明顯影響，不影響粉煤灰品質(zhì)[58]。但煙道蒸發(fā)受負(fù)荷的影響較大，處理量不足，噴嘴易堵塞，同時(shí)，空預(yù)器后煙溫偏低。柴峰等[59]研究表明，脫硫廢水煙道蒸發(fā)將煙溫控制在180 ℃左右為宜，且煙道可利用的有效長(zhǎng)度不足，蒸發(fā)不徹底，造成積灰和腐蝕[60]。廢水液滴在低溫?zé)煔庵姓舭l(fā)，會(huì)降低煙氣溫度，增加煙氣濕度，因此，需建立廢水蒸發(fā)后煙氣的酸露點(diǎn)模型和濕度變化模型，考察噴入脫硫廢水后，酸露點(diǎn)的變化以及煙氣濕度變化導(dǎo)致的煙道壁、除塵器腐蝕和煙氣含水增加引起除塵器堵塞的可能性。

圖6 煙道蒸發(fā)技術(shù)Fig.6 Flue evaporation technology

5 廢水零排放產(chǎn)物去向

脫硫廢水零排放產(chǎn)物去向是零排放技術(shù)選擇的關(guān)鍵。廢水零排放過(guò)程中每個(gè)處理環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生廢渣廢物，如在三聯(lián)箱處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的污泥最終進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)。目前廢水蒸發(fā)產(chǎn)生的結(jié)晶鹽及高濃度含鹽水主要有4種處理途徑：① 轉(zhuǎn)移入灰渣、液態(tài)排渣或粉煤灰中；② 產(chǎn)生的結(jié)晶鹽可分為雜鹽和純鹽，雜鹽的利用價(jià)值較低，純鹽可被部分行業(yè)利用，如在廢水除硬過(guò)程中產(chǎn)生的Mg(OH)2可回收利用；③ 產(chǎn)生的高鹽水可電解制氯，產(chǎn)生的次氯酸鹽可用于循環(huán)水消毒；④ 高濃度鹽水進(jìn)行水泥固化制備建筑材料(如制磚、低品級(jí)建材)，或直接拋棄。

脫硫廢水是高含鹽水，對(duì)于高含鹽廢水的利用，Yeboahy等[61]將脫硫廢水與粉煤灰混合，用高濃度NaOH溶液作為堿性激發(fā)劑提高粉煤灰的火山灰活性，制得的固化體養(yǎng)護(hù)7 d后抗壓強(qiáng)度達(dá)7 MPa以上，滿足填埋標(biāo)準(zhǔn)。Renew等[62]將脫硫廢水濃縮液、粉煤灰和少量水泥混合制得固化體，固化體的As5+、Cd2+、Hg2+、Se4+浸出率在10%～32%，在混合物體系中加入少量FeSO4可提高重金屬離子的固定效果。將高鹽水與粉煤灰、砂石骨料、水泥作為固化體的組分，使較高濃度的Cl-被固定于水泥塊中，是處理終端廢水的好渠道。固化體水泥塊不易摻入鋼筋等，避免高氯環(huán)境下氯對(duì)鋼筋的腐蝕，制成的固化體可用作路牙石、鋪路等，Cl-的浸出以及重金屬的浸出尚需深入研究。

6 脫硫廢水鹽分制備凈水劑

凈水劑是將其投入廢水中之后，與廢水中的其他雜質(zhì)發(fā)生凝聚反應(yīng)，將廢水中的小顆粒懸浮物凝聚成較大顆粒的沉淀物以便去除。常見的凈水劑有聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁、聚合氯化鐵、聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵、聚丙烯酰胺等。脫硫廢水在經(jīng)濃縮減量后含有較高濃度的氯離子，可利用廢水中的氯離子與鐵、鋁類化合物發(fā)生反應(yīng)，生成聚合氯化鐵、聚合氯化鋁，從而制備凈水劑，其工藝流程如圖7所示。

圖7 脫硫廢水鹽分制備凈水劑工藝流程Fig.7 Process flow chart of preparation of water purifier by desulfurization wastewater salt

由圖7可知，利用含有大量鐵鋁元素的赤泥作為輔助原料，采用工業(yè)原料酸浸法，使赤泥與硫酸反應(yīng)后得到聚合硫酸鐵前驅(qū)體，再利用脫硫廢水中氯離子與聚合硫酸鐵反應(yīng)，依據(jù)協(xié)同增效原理，形成含有聚合硫酸鐵、聚合氯化鐵、聚合氯化鋁等的復(fù)合型凈水劑。此方法解決了脫硫廢水高濃度氯離子難處理問(wèn)題，使得廢水能夠二次利用，制得的凈水劑可進(jìn)行自用或外銷，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益；該工藝產(chǎn)生的復(fù)合型凈水劑，結(jié)合了聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁、聚合氯化鐵等凈水劑的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)U水中的多種污染成分進(jìn)行有效處理；此工藝不改造電廠系統(tǒng)，對(duì)整體電廠系統(tǒng)無(wú)影響。但其仍存在較多待研究?jī)?nèi)容，如：赤泥與硫酸廢液反應(yīng)過(guò)程中，赤泥的種類、固液比、反應(yīng)溫度、赤泥粒徑、反應(yīng)時(shí)間；高濃度氯離子溶液與鐵鋁溶液的聚合反應(yīng)中，pH值、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、氯離子濃度等需進(jìn)行深入研究。

7 結(jié) 語(yǔ)

電廠廢水零排放是目前及未來(lái)電力環(huán)保的必然要求，現(xiàn)階段廢水處理技術(shù)參差不齊，在系統(tǒng)可靠性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面表現(xiàn)不佳，通過(guò)對(duì)多種廢水處理技術(shù)的分析比較：

1)大多數(shù)舊電廠的預(yù)處理技術(shù)仍采用三聯(lián)箱設(shè)備，或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造；對(duì)于新建電廠，針對(duì)不同電廠的廢水特點(diǎn)，預(yù)處理環(huán)節(jié)有時(shí)可省略，減少?gòu)U水處理的投資及運(yùn)行成本。

2)對(duì)于硬度較低的廢水可利用膜法進(jìn)行濃縮處理，可實(shí)現(xiàn)較高的濃縮倍率，但其較高的投資及運(yùn)行成本有待解決。

3)廢水零排放技術(shù)路線需結(jié)合電廠的生產(chǎn)特點(diǎn)選擇。由于電廠廢水水質(zhì)普遍較差，對(duì)電廠煙氣余熱的利用是未來(lái)廢水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，尤其在低溫余熱利用，但仍存在諸多問(wèn)題[63]。

4)脫硫廢水的鹽分制備凈水劑，具有對(duì)電廠運(yùn)行無(wú)影響、產(chǎn)生的凈水劑能夠二次利用等安全性與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)行深入研究。