大型燃煤電廠脫硫廢水煙氣利用技術(shù)研究

任丹丹，馮羅澍，陳 穎

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

近年來，國(guó)家對(duì)燃煤電廠產(chǎn)生的水環(huán)境影響提出了更高的要求——實(shí)現(xiàn)全廠廢水零排放，以期達(dá)到良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。燃煤電廠廢水回收基本上是經(jīng)過全廠水務(wù)管理及梯級(jí)利用后回用至脫硫用水，因此如何處理脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的高含鹽量廢水是全廠廢水零排放的關(guān)鍵。

1 脫硫廢水零排放現(xiàn)狀

1.1 脫硫廢水水質(zhì)特點(diǎn)

目前燃煤電廠主要采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝。該工藝中脫硫循環(huán)漿液由于不斷吸收來自煙氣及石灰石中的氯化物，導(dǎo)致氯離子濃度不斷增高，其濃度的增高會(huì)帶來諸多不利影響，如：抑制石灰石的溶解，使?jié){液的pH值降低，影響二氧化硫的吸收效果，使硫酸鈣（CaSO4）易于結(jié)垢，還易導(dǎo)致金屬材料的腐蝕等。此外，氯離子濃度過高也會(huì)影響脫硫副產(chǎn)物石膏的品質(zhì)。為保證脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行，一般應(yīng)控制吸收塔中氯離子含量低于20 000 mg/L。另外，與氯離子一樣，粉塵也會(huì)在循環(huán)漿液中不斷積累，脫硫系統(tǒng)的微細(xì)粉塵主要來自煙氣中攜帶的粉塵、石灰石中的惰性物質(zhì)、停止生長(zhǎng)的小石膏晶體及工藝水中的雜質(zhì)等。為保證商用石膏的純度和系統(tǒng)漿液正常的物理化學(xué)性質(zhì)，需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的微細(xì)粉塵濃度進(jìn)行控制。

因此，為了保證脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行和脫硫副產(chǎn)物石膏的品質(zhì)，必須排放一定量的脫硫廢水。脫硫廢水水量、水質(zhì)受煤質(zhì)和脫硫系統(tǒng)工藝用水的水質(zhì)影響很大，且水質(zhì)和水量隨上述影響因素的變化而出現(xiàn)較大變化，基本上是一廠一水量、水質(zhì)。

1.2 國(guó)內(nèi)脫硫廢水零排放現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)已實(shí)施脫硫廢水零排放的發(fā)電廠共有23家，處理水量0.5～47 t/h，其中，目前已建成并且正式投運(yùn)的大型燃煤電廠脫硫廢水項(xiàng)目情況如表1所示。

相對(duì)于傳統(tǒng)的蒸汽蒸發(fā)技術(shù)，煙氣利用技術(shù)由于利用了煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，節(jié)約占地，已越來越受到關(guān)注。

2 脫硫廢水煙氣利用技術(shù)

煙氣利用技術(shù)主要有旁路煙道噴霧干燥、煙道直接噴霧干燥、煙氣余熱濃縮蒸發(fā)等方法，其與機(jī)組煙氣系統(tǒng)熱平衡和各工藝段參數(shù)密切相關(guān)，以下分析這3種煙氣利用的詳細(xì)工藝特點(diǎn)。

2.1 旁路煙道噴霧干燥工藝

該工藝原理是從脫硝系統(tǒng)出口引出熱煙氣，經(jīng)旁路煙道送至噴霧干燥塔；脫硫廢水經(jīng)管路進(jìn)入干燥塔，經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的霧化器霧化為細(xì)小液滴群后與煙氣進(jìn)行充分的熱交換，利用煙氣余熱瞬間干燥脫硫廢水,蒸發(fā)產(chǎn)生的大部分固體物質(zhì)從噴霧干燥塔底部的排放口排出；經(jīng)噴霧干燥塔干燥后的尾氣返回電除塵器進(jìn)口。該工藝流程如圖1所示。

蒸發(fā)廢水需要的能量計(jì)算公式為：

式中：Mmst為需蒸發(fā)廢水的質(zhì)量；T為環(huán)境溫度；T1為蒸發(fā)后蒸汽溫度；rw為水的汽化潛熱，取2 262 kJ/kg； cw為水的比熱容， 4.187 kJ/（kg·℃）。

廢水溫度T取25℃，蒸汽溫度T1取125℃，可得干化1 t廢水所耗能量為3.11×106kJ。

由于脫硝出口煙氣原用于加熱進(jìn)入空預(yù)器的冷風(fēng)，以回收熱量，用于廢水干燥后會(huì)造成熱量損失，空預(yù)器傳熱效率按95%計(jì)，干燥1 t廢水所耗熱量折合標(biāo)煤100.8 kg，按標(biāo)煤價(jià)900元/t計(jì)，干燥1 t廢水消耗的熱量折算費(fèi)用約90.7元。

圖1 旁路煙道噴霧干燥系統(tǒng)工藝流程

因此全廠脫硫廢水量較大時(shí)，可考慮先將脫硫廢水濃縮減量后再進(jìn)入旁路煙道噴霧干燥，以降低整套系統(tǒng)的能耗。

脫硝出口煙氣約為350℃，干燥廢水后降至約125℃，煙氣焓降約200 kJ/kg，經(jīng)計(jì)算，干燥1 t廢水所需煙氣量約為15 550 kg，采用此工藝的各類型機(jī)組干燥脫硫廢水所需煙氣質(zhì)量和占總煙氣的比值見表2（單臺(tái)機(jī)組）。

表2 各類型機(jī)組干燥脫硫廢水所需煙氣質(zhì)量和占總煙氣的比值（單臺(tái)機(jī)組）

從表2可以看出，理想狀態(tài)下300 MW，600 MW和1 000 MW機(jī)組單臺(tái)脫硫廢水量分別為4 t/h，7 t/h和12 t/h。各類型機(jī)組（單臺(tái)機(jī)組）干燥脫硫廢水所需的煙氣占總煙氣量比值均接近5%。機(jī)組額定負(fù)荷時(shí)，從脫硝出口抽取約5%的煙氣會(huì)有空預(yù)器硫酸氫氨結(jié)露區(qū)跨層的風(fēng)險(xiǎn)。如采用該工藝，需要對(duì)空預(yù)器進(jìn)行改造，增加鍍搪瓷段的長(zhǎng)度。當(dāng)機(jī)組處于50%THA（機(jī)組熱耗保證工況）負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)，旁路煙氣量會(huì)相應(yīng)減少，干燥塔中流場(chǎng)被破壞而導(dǎo)致廢水接觸干燥塔表面引起結(jié)垢、腐蝕，所以機(jī)組低于50%THA負(fù)荷運(yùn)行時(shí)該系統(tǒng)需停運(yùn)。而機(jī)組實(shí)際脫硫廢水量超過理想值，干燥脫硫廢水所需的煙氣比例超過5%，則需要經(jīng)過濃縮再進(jìn)行旁路煙氣干燥。

表1 國(guó)內(nèi)已建成并且正式投運(yùn)的大型燃煤電廠脫硫廢水項(xiàng)目情況匯總

該工藝可將廢水蒸干物混入粉煤灰中。參照典型脫硫廢水水質(zhì)表，氯離子濃度按15 000 mg/L，飛灰含量按18 g/m3計(jì)，計(jì)算結(jié)果如表3所示（單臺(tái)機(jī)組）。

表3 各類型機(jī)組飛灰中氯離子含量（單臺(tái)機(jī)組）

由表3可知，最終混入飛灰中的氯離子含量均達(dá)到0.3%以上。根據(jù)GB 175－2007《通用硅酸鹽水泥》第7.1條規(guī)定，水泥中氯離子含量不大于0.06%，且水泥中粉煤灰占比約20%～40%，所以機(jī)組使用該工藝后，其粉煤灰不宜用于制作硅酸鹽水泥。但JC/T 409－2001《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》中對(duì)用于加氣混凝土、粉煤灰磚、砌塊、粉煤灰蒸養(yǎng)陶粒及摻加粉煤灰的建筑板材等硅酸鹽建筑制品用的粉煤灰無氯離子含量要求，所以使用該工藝后，機(jī)組的粉煤灰仍可用于生產(chǎn)以上建筑制品。

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)熱量利用率高，熱損失?。还に嚭?jiǎn)單，設(shè)備少，噴霧干燥塔一般布置在靠近空預(yù)器的位置，占地比較小。

2.2 煙道直接噴霧干燥工藝

煙道直噴干燥工藝是將脫硫廢水直接通過霧化噴入空預(yù)器后、電除塵器前煙道內(nèi)，廢水中水分蒸發(fā)后被煙氣攜帶至脫硫塔，廢水晶體被電除塵器捕捉脫除。該工藝具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資成本和運(yùn)行費(fèi)用低、對(duì)場(chǎng)地要求低等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)式（1）計(jì)算可得，干化1 t廢水所耗能量為3.06×106kJ。各類型機(jī)組干燥脫硫廢水所需煙氣質(zhì)量和占總煙氣的比值見表4（單臺(tái)機(jī)組）。

表4 各類型機(jī)組干燥脫硫廢水所需煙氣質(zhì)量和占總煙氣的比值（單臺(tái)機(jī)組）

由表4可知，根據(jù)理想狀態(tài)下單臺(tái)機(jī)組廢水量，空預(yù)器出口的總煙氣量略大于干燥廢水所需的煙氣量，理論上如果煙氣和廢水充分接觸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的干燥。但由于空預(yù)器后煙氣溫度僅125℃，廢水噴入煙道后蒸發(fā)速度較慢，所以必須保證廢水與煙氣有充分的接觸時(shí)間。如果煙道距離不夠長(zhǎng)且回轉(zhuǎn)式空預(yù)器出口煙氣流場(chǎng)不均勻，會(huì)出現(xiàn)局部廢水無法和煙氣充分接觸的情況，可能會(huì)有部分廢水無法在進(jìn)入電除塵器前被干化。

該工藝煙氣干燥廢水后的蒸干物將混入粉煤灰中，與上節(jié)所述旁路煙氣噴霧干燥工藝的粉煤灰情況基本相同。

如機(jī)組采用低低溫電除塵器，空預(yù)器至煙氣冷卻器之間的煙道較短，可能會(huì)導(dǎo)致未干燥的廢水進(jìn)入煙氣冷卻器，易使煙氣冷卻器發(fā)生積灰、結(jié)垢造成堵塞；如果未干燥的廢水進(jìn)入電除塵器，還會(huì)導(dǎo)致電除塵極板腐蝕。因此，設(shè)置低低溫電除塵器的機(jī)組不推薦采用煙道直接噴霧干燥技術(shù)。

2.3 煙氣余熱濃縮蒸發(fā)

該工藝是利用部分電除塵器與脫硫塔之間的煙氣，將廢水在濃縮塔內(nèi)噴淋，與煙氣接觸后蒸發(fā)，未蒸發(fā)的部分通過泵循環(huán)進(jìn)入濃縮塔加熱，脫硫廢水在煙氣的加熱下不斷濃縮，其中的溶解物逐步達(dá)到飽和并析出，析出的物質(zhì)通過板框壓濾機(jī)壓制成泥餅后外運(yùn)處理。工藝流程見圖2。

根據(jù)式（1）計(jì)算可得，干燥1 t廢水所耗能量為2.90×106kJ，由于所用煙氣熱量為電除塵器后的廢熱，所以該熱量不產(chǎn)生費(fèi)用。電除塵器出口煙氣約為90℃，濃縮廢水后降至約55℃，煙氣焓降約35 kJ/kg，經(jīng)計(jì)算，采用此工藝的各類型機(jī)組干燥脫硫廢水所需煙氣量和水份含量見表5（單臺(tái)機(jī)組）。

圖2 煙道余熱濃縮蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程

表5 各類型機(jī)組干燥脫硫廢水所需煙氣量和水份含量（單臺(tái)機(jī)組）

由表5可知，理想狀態(tài)下抽取約30%電除塵器后的煙氣量就可以蒸發(fā)全部廢水和工藝水，并且煙氣中的水分未達(dá)到飽和，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全部廢水的蒸發(fā)。實(shí)際運(yùn)行中廢水量超過理想值是否能夠完全蒸發(fā)還需經(jīng)過中試檢驗(yàn)。

煙氣蒸發(fā)廢水后熱量減少，會(huì)減少脫硫系統(tǒng)的蒸發(fā)量，這將破壞脫硫系統(tǒng)原有的水平衡。由于不同地區(qū)的煤種和脫硫系統(tǒng)工藝用水水質(zhì)不同，壓濾后的泥餅性質(zhì)需要經(jīng)過鑒定。

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是利用了難以利用的廢熱，直接運(yùn)行費(fèi)用低；工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備少，維護(hù)量小；廢水無需進(jìn)行預(yù)處理及軟化，可直接進(jìn)入該系統(tǒng)進(jìn)行濃縮。

3 結(jié)語

針對(duì)大型燃煤電廠脫硫廢水采用旁路煙道噴霧干燥、煙道直噴干燥、煙氣余熱蒸發(fā)3種技術(shù)進(jìn)行研究分析，認(rèn)為其共同優(yōu)點(diǎn)是利用煙氣熱量，熱損失小，工藝簡(jiǎn)單設(shè)備少，運(yùn)行維護(hù)量小，占地少，且3種煙氣利用技術(shù)都對(duì)處理廢水量有一定的限制。旁路煙道噴霧干燥和煙道直噴干燥方法干燥物都混入粉煤灰中綜合利用，而煙氣余熱蒸發(fā)的干燥物混入泥餅中需外運(yùn)處理。

由于煙氣利用技術(shù)受機(jī)組煙氣系統(tǒng)熱量平衡及脫硫系統(tǒng)水平衡的影響，在后續(xù)具體實(shí)施過程中需結(jié)合項(xiàng)目煙氣系統(tǒng)和實(shí)際廢水量具體核算選擇方案。煙氣蒸發(fā)后的干燥物混入粉煤灰對(duì)粉煤灰品質(zhì)造成的影響需要結(jié)合項(xiàng)目當(dāng)?shù)鼗以C合利用情況具體分析決策。

參考文獻(xiàn)：

[1]王可輝，蔣芬，徐志清，等.TMF+DTRO工藝深度處理脫硫廢水[J].水處理技術(shù)，2017，43（3）∶119－121.

[2]姚遠(yuǎn).脫硫廢水常規(guī)處理及零排放工藝介紹[J].化工管理，2017（1）∶198－199.

[3]石秀芝.燃煤電廠脫硫廢水處理技術(shù)研究與應(yīng)用分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（36）∶104.

[4]朱元山，李冠勝.火力發(fā)電廠煙氣脫硫廢水處理探析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（24）∶18.

[5]于帥.燃煤電廠脫硫廢水處理現(xiàn)狀及零排放技術(shù)簡(jiǎn)析[J].山東化工，2016，45（23）∶164－165.

[6]李玉，張喬，王群.蒸發(fā)結(jié)晶工藝在火電廠脫硫廢水零排放中的應(yīng)用[J].水處理技術(shù)，2016，42（11）∶121－122.

[7]陸義海，呂建燚.燃煤電廠廢水回用與零排放技術(shù)研究[J].節(jié)能，2016，35（9）∶45－47.

[8]劉海洋，江澄宇，谷小兵，等.燃煤電廠濕法脫硫廢水零排放處理技術(shù)進(jìn)展[J].環(huán)境工程，2016，34（4）∶33－36.

[9]成波，王紅萍.石灰石－石膏濕法煙氣脫硫廢水處理工藝研究進(jìn)展[J].工業(yè)用水與廢水，2016，47（1）∶5－8.

[10]王可輝，蔣芬，徐志清，等.燃煤電廠脫硫廢水零排放工藝路線研究[J].工業(yè)用水與廢水，2016，47（1）∶9－12.

[11]張春桃，王鑫，王海蓉，等.燃煤電廠脫硫廢水的零排放處理技術(shù)[J].化工環(huán)保，2016，36（1）∶30－35.

[12]王晨輝，王敏琪.火力發(fā)電廠脫硫廢水系統(tǒng)改造研究[J].浙江電力，2015，34（7）∶53－56.

[13]胡松如，崔亞兵，王萬林.無旁路濕法脫硫廢水的水質(zhì)分析及處理技術(shù)[J].浙江電力，2012，31（11）∶61－64.

[14]胡松如，金東春，陳彪.脫硫系統(tǒng)取消旁路煙道后的問題及應(yīng)對(duì)措施[J].浙江電力，2012，31（11）∶69－72.

[15]樂園園，李治國(guó)，湯治，等.火電廠廢水回用作脫硫工藝水的可行性研究[J].浙江電力，2011，30（12）∶63－66.