高低溫煙氣旋風蒸發(fā)技術處理脫硫廢水

鄧乾紅，龔蔚成，楊景香，李小芝

（永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410005）

引言

自2013年下半年開始，火電廠的廢水處理標準逐步提高，目前大多要求零排放，脫硫廢水作為火電廠最難處理的一個廢水系統(tǒng)，引起了廣泛關注。

脫硫廢水主要來自石膏脫水和清洗系統(tǒng)，廢水呈弱酸性，通常pH值低于6.0。脫硫廢水中的雜質來源于煙氣、脫硫劑。主要成分除了粉塵和脫硫產物（CaSO4和CaSO3），還有Hg、Pb、Ni、As、Cd、Se、Cr、Cu等重金屬離子，同時還含有可溶性氯化物和氟化物、氨氮、硝酸鹽等[1]。由于其具有高氨氮、高鹽度、高毒性等特點，處理難度大。

目前，國內的脫硫廢水零排放處理按工藝系統(tǒng)階段不同，分為軟化工藝系統(tǒng)、膜濃縮工藝系統(tǒng)、蒸發(fā)處理工藝系統(tǒng)三部分。其中軟化工藝系統(tǒng)包括中和、沉降、絮凝、澄清及污泥處理系統(tǒng)[2]。首先在中和池中加入5%石灰乳溶液，控制廢水pH值達到9.0以上，使得大多數金屬離子沉淀下來，同時鈣離子與F-形成CaF2沉淀；經中和后的廢水去除了大多數金屬離子，但Cd2+、Hg2+仍然超標，在沉降池中加入有機硫（TMT15），使其與Cd2+、Hg2+形成難溶的硫化物沉淀；沉降池出水中的懸浮物含量大，主要有石膏顆粒、二氧化硅、鋁、鐵的氫氧化物等，因此加入絮凝劑（FeAlSO4）使小顆粒形成大顆粒在絮凝池中沉淀下來；最后絮凝物在澄清池里沉淀，清水從上部溢流進入出水箱，沉淀物通過污泥泵排入污泥處理系統(tǒng)。軟化工藝系統(tǒng)來的清水其雜質主要為Cl－、SO4

2－，在膜濃縮工藝中，首先經過微濾去除軟化工藝產水的懸浮物，再利用反滲透膜進行濃縮處理，得到含鹽量為10%～15%的濃液。最后在蒸發(fā)處理系統(tǒng)中利用熱量將濃液中的水分蒸發(fā)，使?jié)庖褐械柠}分結晶析出。軟化工藝系統(tǒng)、膜濃縮工藝系統(tǒng)國內外技術成熟，但現有的蒸發(fā)處理技術，存在能耗高、運行成本高，腐蝕下游設備，運行不穩(wěn)定[3]的缺點。所以開發(fā)一種能耗低、運行成本低、運行穩(wěn)定的濃液蒸發(fā)系統(tǒng)尤為重要。本文提出了一種高低溫煙氣旋風蒸發(fā)濃液處理技術，具有能耗低、運行成本低、運行穩(wěn)定的特點，有望填補我國火電廠脫硫廢水蒸發(fā)處理技術不成熟的短板。

1 工藝流程簡介

該技術的工藝路線如下：1）從煙氣系統(tǒng)空預器前的高溫煙氣段引取一股高溫煙氣，再從空預器后的高溫煙氣段引取一股低溫煙氣分別進入濃液蒸發(fā)器[4]，使其作為濃液蒸發(fā)的熱源和濃液載體。2）將脫硫廢水處理所得濃液經泵送至濃液蒸發(fā)器，為使進入蒸發(fā)器中的濃液能被煙氣快速蒸發(fā)，濃液進入蒸發(fā)器時被霧化為細小霧滴，采用兩相流霧化噴嘴，利用壓縮空氣進行霧化。3）高溫煙氣從蒸發(fā)器頂部進入蒸發(fā)器。4）濃液霧化噴嘴布置在煙氣均流設施后，霧化噴嘴分多組，以方便在線清潔維護。5）低溫煙氣從霧化噴嘴后分幾路沿切線方向進入蒸發(fā)器，為霧滴蒸發(fā)提供持續(xù)熱源，同時，由于切向進風煙氣沿筒壁速度快，使霧滴不碰壁，避免結垢。采用如此分級煙氣進入的設計，一方面，有利于霧滴在煙氣中均布；另一方面，可減少高溫煙氣的使用量，節(jié)約運行成本。6）濃液蒸發(fā)后，液體中的離子將生成鹽，以固體細粉形式進入煙氣中，然后通過煙氣均布裝置進入除塵器入口煙道。7）濃液蒸發(fā)后，產生的水蒸汽在脫硫系統(tǒng)中冷凝下來。

2 技術創(chuàng)新點

（1）該技術的創(chuàng)新點在于采用高、低溫煙氣作為濃液蒸發(fā)熱源，既可保證液體有效蒸發(fā)，又可減少使用高溫煙氣量，降低運行成本。

（2）蒸發(fā)器設計采用高溫煙氣從頂部進入，通過放大氣流截面和煙氣整流裝置后，使煙氣流速均勻，速度適當。液體噴灑在此位置，更有利于噴灑的水霧分散。而后，有一路或多路低溫煙氣進氣，低溫煙氣沿筒體圓周的切線方向進入，低溫煙氣的加入，保證水分蒸發(fā)的熱源，低溫煙氣沿切線方向進入，使蒸發(fā)器內的煙氣流向由原來的直線流變?yōu)槁菪搅鲃?，且筒壁流速較快。一方面，增長氣流路徑，有利蒸發(fā)；另一方面，使霧滴不易黏在壁上，防止結垢。

（3）濃液的噴灑采用多支噴霧噴嘴，采用雙相流霧化噴嘴，雙相流霧化噴嘴可降低霧化粒徑，采用多支噴霧噴嘴，可保證蒸發(fā)器在工作時有一支噴霧噴嘴處在自清潔狀態(tài)，保證蒸發(fā)器工作的穩(wěn)定性。

（4）采用先進的CFD流場模擬技術，確定適當的噴射位置和噴入角度及噴入量，保證濃縮液的霧化顆粒與煙氣充分接觸，使液滴完全蒸發(fā)。

（5）高濕度高鈉鹽成分煙氣摻入原煙氣中，降低了煙塵比電阻，提高了下游除塵器的除塵效率，有一舉兩得的效果。

3 技術難點與影響因素

該技術難點在于：1）合適的高溫煙氣、低溫煙氣比例，高溫煙氣采用省煤器出口、SCR反應器入口的煙氣，低溫煙氣采用空氣預熱器后的煙氣作為蒸發(fā)濃液水分熱源，如果取用的熱煙氣較多，將會影響鍋爐的效率，取用熱煙氣較少，不利于濃液蒸發(fā)；2）噴嘴布置位置的選擇，既要使霧滴均勻分散到煙氣中，又要防止霧化液滴噴射到蒸發(fā)器壁上；3）如何防止霧化噴嘴堵塞是技術難點，廢水濃液鹽分含量高、容易結晶結垢堵塞噴嘴。

3.1 煙氣引取位置的影響

該技術引取煙氣的位置有：1）省煤器出口，SCR反應器入口；2）SCR反應器出口，空預器入口；3）空預器出口，電除塵器入口。以上各點的氣體參數見表1。

表1 入口氣源對比

（1）選擇省煤器出口、SCR反應器入口的煙氣作為熱源，蒸發(fā)1m3的濃縮液（含鹽量為15%，旋風分離器出口溫度＞120℃）需要熱煙氣量約10,000Nm3，現有300MW機組的廢水量為5～15m3，經過預處理和膜濃縮后濃液的量為1～3m3（膜回收率按80%考慮），如按照2m3濃水進行計算，需要熱煙氣量為2萬Nm3，300MW機組的煙氣量約為100萬Nm3，選取的煙氣量占總煙氣量的2%。因省煤器出口的NOx含量高，為300～500mg/Nm3，會使煙囪處的NOx含量上升6～10mg/Nm3。因此該技術不選擇省煤器出口的煙氣作為熱源。

（2）選擇SCR反應器出口、空預器入口處的NOx含量低，不會影響脫硝效果。此處煙氣溫度在310℃～420℃。以一臺300MW機組為例，假設脫硫廢水濃液為1～3m3（蒸發(fā)器出口煙溫＞120℃），需要熱煙氣量1.0萬～3.0萬Nm3，300MW機組的煙氣量為100萬Nm3，抽取氣體量占總氣體量的1.0%～3.0%，對鍋爐效率有一定的影響：增加煤耗25～167kg/h。如果濃液處理量為1m3，蒸發(fā)器的直徑為2m。

（3）選擇空預器出口，電除塵器入口。此處煙氣溫度為140℃～150℃，取150℃，如果以一臺300MW機組為例，假設脫硫廢水濃液為1m3（蒸發(fā)器出口煙溫＞110℃），需要熱煙氣量為6萬Nm3，處理量為1m3時，旋風分離器的尺寸直徑為5.5m。且因蒸發(fā)器有500～800Pa的壓損，因此需配置一臺風機，使投資費用和運行費用均提高。但選取此處的煙氣作為熱源不會影響鍋爐效率。

綜上所述，通過投資成本、運行穩(wěn)定及工藝的特點綜合考慮，選擇SCR反應器出口煙氣作為高溫熱源對脫硫廢水濃液進行初步蒸發(fā)，選取空預器出口煙氣作為低溫熱源對脫硫廢水濃液進行再次蒸發(fā)。

3.2 霧化噴嘴的影響

3.2.1 旋轉式霧化噴嘴

旋轉式霧化噴嘴借助了離心力和空氣動力而霧化流體，轉盤式噴嘴主要應用于噴霧干燥設備上[5、6]，國產離心噴霧機已有定型產品，如N603、N604等。噴霧干燥設備上的轉盤霧化器又有多種結構形式，如蝶形光滑圓盤、多管圓盤（N603、N604屬于此種）、多葉圓盤、多層圓盤（也帶噴管）等。圓盤霧化器，既有液膜式霧化，也有液柱式霧化原理的霧化器，其旋轉體轉速為3000～20,000r/min，圓盤圓周速度為60～170m/s，可處理的料液為每小時幾升至上萬公斤，不同料液在不同霧化器上可獲得不同霧滴尺寸，數微米至數百微米[7]。處理能力大、防堵效果好，但需盡可能提高旋轉體的轉速以保證霧化的粒徑，使得霧化范圍大，蒸發(fā)設備的直徑要求較大。

3.2.2 二流體霧化噴嘴

二流體霧化噴嘴利用壓縮空氣與液體的摩擦，產生均勻和細密的霧化效果，平均的霧化顆粒直徑在50微米以下，主要有內混式和外混式[8]。內混式：氣體、液體在空氣帽和液體帽腔體內部混合霧化，霧化原理為空氣破裂和撞擊，霧化效果理想，但不適合有一定黏性的液體。外混式：氣體、液體在噴出后，利用高速氣流對液體進行摩擦產生霧化。霧化原理為摩擦和產生的切向應力，霧化效果一般，尤其適合帶有一定黏性的液體。處理能力小、氣耗量大、霧化粒徑均勻，防堵效果一般。

3.2.3 一流體霧化噴嘴

單流體霧化噴嘴是一種在醫(yī)藥工業(yè)中廣泛應用的霧化方式，液體由泵加壓送入噴嘴，液體在噴嘴旋轉室內高速旋轉，然后從噴嘴的小孔噴出，使液體霧化成細小的液滴。其霧化特性取決于操作壓力和噴嘴的孔徑[9]。一般來說，細孔內外的壓力差越高噴孔越小，霧化的液滴越細，顆粒的分布越均勻；反之壓力差越小、噴孔越大，霧化的液滴越大，顆粒的分布越不均勻。處理能力及霧化效果一般，容易堵塞。不同噴嘴對比見表2。

表2 不同噴嘴對比

根據脫硫廢水濃液含鹽量高的特點，以及蒸發(fā)器直徑在3m左右，通過對比三種霧化噴嘴，該工程選擇處理能力小、霧化效果好、防堵能力適中、霧化形狀為細長形的二流體噴嘴（內混式），其噴嘴霧化如圖1。

圖1 二流體內混式噴嘴霧化形狀

3.3 旋風蒸發(fā)設備的影響

3.3.1 霧化噴嘴布置位置的選擇

為保證脫硫廢水液滴充分蒸發(fā)，避免未完全蒸發(fā)的液滴腐蝕蒸發(fā)器和電除塵器極板，需使煙氣在蒸發(fā)器里停留10s以上，同時使霧化噴嘴噴出來的流體盡可能地不碰壁。因此以旋風分離器為參考模型設計蒸發(fā)器[10]，高溫熱源從蒸發(fā)器頂部進入，低溫熱源從蒸發(fā)器側部切線進入，混合煙氣從蒸發(fā)器底部出去再進入電除塵。噴嘴布置在旋風分離器的頂部中間位置。

3.3.2 蒸發(fā)設備內部件的影響

（1）擋板對蒸發(fā)設備內部流場的影響

對蒸發(fā)器器壁設置擋板（100mm）前后進行流場模擬，圖形見圖2～圖7。

圖2 無擋板高溫煙氣流線圖

圖3 無擋板低溫煙氣流線圖

圖4 無擋板霧化液滴流線圖

圖5 有擋板高溫煙氣流線圖

圖6 有擋板低溫煙氣流線圖

圖7 有擋板霧化液滴流線圖

通過對比可知，蒸發(fā)器沒有設置擋板時，低溫熱源從側部切線進入蒸發(fā)設備，進入蒸發(fā)設備后，在慣性和容器壁的作用下開始進行圓周運動，一直旋轉至蒸發(fā)設備的出口，其中越靠近容器壁的切線速度越快，在蒸發(fā)器中心切線速度基本為零，低溫熱源進入蒸發(fā)器后，其切向速度沒有因為流通面積的增大而大幅下降。高溫煙氣從頂部進入反應器，高溫熱源在蒸發(fā)器中心切線速度基本上為零，且因低溫煙氣快速旋轉，在蒸發(fā)器中心產生一個低壓區(qū)域，因此高溫熱源和低溫熱源兩者基本上不混合，高溫熱源直接從蒸發(fā)器中心區(qū)域流至蒸發(fā)器出口。因低溫熱源整體切線速度過快，噴嘴噴出來的液滴在向心力的作用下很快就被甩至容器壁上。

在蒸發(fā)器器壁設置100mm擋板時，低溫熱源從側部切線進入蒸發(fā)設備，進入蒸發(fā)設備后，在擋板的減速作用下，使切向速度下降，蒸發(fā)器中心不會產生明顯的低壓區(qū)域，高溫煙氣進入蒸發(fā)器后被低溫煙氣帶動旋轉，因低溫煙氣切線速度下降，噴嘴產生的液滴所受離心力降低，會跟著煙氣旋轉1～2圈后才會碰壁。

（2）整流板對蒸發(fā)設備內部流場的影響

為避免高溫煙氣直接從蒸發(fā)器中心區(qū)域流出蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器上部椎體處設置一篩板，篩板中心開孔率為10%左右，四周開孔率為30%左右，流程模擬圖如圖8。由模擬圖8可知，高溫煙氣從頂部進入，通過放大氣流截面和煙氣整流裝置，使煙氣流速均勻，速度適當，液體噴灑在此位置，更有利于噴灑的水霧分散。

圖8 設置整流板的高溫煙氣流線圖

4 膜+高溫煙氣旋風分離技術與膜+MVR蒸發(fā)制鹽技術的對比（見表3）

從表3可看出，采用膜+MVR結晶蒸發(fā)技術產單鹽，設備初次成本高，還需要人工成本，同時設備轉動部件多，設備維修費高，6噸濃液MVR+結晶蒸發(fā)技術處理的成本比高溫煙氣旋風分離處理技術的成本高很多。同時MVR+結晶蒸發(fā)技術設備容易結垢，對脫硫廢水預處理要求高，要求鈣鎂離子濃度≤50mg/L，同時得到的副產物NaCl純度不穩(wěn)定，工藝流程復雜。高溫煙氣旋風分離處理技術工藝流程簡單，轉動設備少，無副產物，無需專人看守。

5 結論

高溫煙氣旋風分離處理技術充分利用了電廠鍋爐廉價的高、低溫煙氣作為熱源來蒸發(fā)脫硫廢水濃液，利用壓縮空氣將脫硫廢水濃液霧化成100μm左右的細小液滴，采用旋風蒸發(fā)設備，延長了煙氣在蒸發(fā)器中的停留時間，有利于脫硫廢水濃液霧化液滴充分蒸發(fā)，進而不腐蝕煙道和電除塵器極板。

表3 膜+高溫煙氣旋風分離技術與膜+MVR蒸發(fā)技術的對比（處理能力原水30m3，濃縮液6m3）

脫硫廢水在蒸發(fā)器里蒸發(fā)成水蒸汽進入煙氣，水蒸汽在FGD脫硫塔里冷卻下來，可減少FGD的用水量，整個FGD工藝再無排水，可實現電廠脫硫廢水真正意義上的零排放。同時水蒸汽進入煙氣，可降低煙氣的溫度和灰塵的比電阻，進而提高電除塵的除塵效率。此外，水蒸汽進入煙氣，提高煙氣的濕度，當煙氣進入FGD脫硫塔后，在噴淋層的作用下溫度下降，煙氣的水分冷凝下來，水相變的過程中可促進PM2.5的凝并，有利于提高吸收塔對粉塵的脫除率。高溫煙氣旋風分離處理技術為脫硫廢水超低排放提供一條安全、可行、工藝簡單、能耗和投資成本低的新線路。

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