火電廠脫硫廢水“零排放”工程改造方案淺析

杜志新

（國投北部灣發(fā)電有限公司，廣西 北海 536017）

引言

2006年國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《火力發(fā)電廠廢水治理設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5046-2006）。2007年11月頒布了《國家環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃》，明確要求在鋼鐵、電力、化工、煤炭等重點(diǎn)行業(yè)推廣廢水循環(huán)利用，努力實(shí)現(xiàn)廢水少排放或“零排放”。2015年4月，國務(wù)院頒布印發(fā)《水污染防治行動計(jì)劃》，以加大水污染防治力度，保障國家水安全。

燃煤電廠現(xiàn)有的脫硫廢水處理系統(tǒng)，可在一定程度上去除廢水中的重金屬、SS、硬度離子等雜質(zhì)，水質(zhì)有所改善；但廢水中高濃度氯離子無法去除，且硬度離子去除不徹底，處理后的脫硫廢水存在很強(qiáng)的腐蝕性，廢水無法回用至電廠脫硫系統(tǒng)或其他系統(tǒng)，若直接排放將嚴(yán)重污染環(huán)境。隨著國家相關(guān)政策法規(guī)對環(huán)保要求的趨嚴(yán)，電廠脫硫廢水“零排放”已勢在必行，現(xiàn)有的脫硫廢水處理系統(tǒng)已無法滿足國家相關(guān)政策法規(guī)及“零排放”的環(huán)保、環(huán)評要求。因此，脫硫廢水處理系統(tǒng)必須進(jìn)行改擴(kuò)建。

現(xiàn)行的傳統(tǒng)火力發(fā)電企業(yè)的脫硫廢水處理一般采用中和沉降絮凝箱方法，該工藝為傳統(tǒng)的三聯(lián)箱處理工藝，其工藝流程為：混凝沉淀法處理，經(jīng)中和、絮凝、反應(yīng)、沉淀、分離等方法對脫硫廢水進(jìn)行預(yù)處理，污泥進(jìn)行壓濾外運(yùn)，處理后的脫硫廢水一般達(dá)標(biāo)排放或干灰加濕、灰場噴淋等簡單回用。

1 國內(nèi)外脫硫廢水“零排放”處理方法概況

1.1 蒸發(fā)結(jié)晶法

廢水蒸干系統(tǒng)是將脫硫廢水通過高溫蒸發(fā)，蒸發(fā)過程可采取不同的工藝，如多效蒸餾、多級閃蒸、蒸汽壓縮等。經(jīng)蒸發(fā)后，得到含有結(jié)晶固形物的濃縮液，通過干燥霧化或離心分離，將晶體分離出來。由于蒸發(fā)結(jié)晶出的固體物為雜鹽混合物，沒有銷路，故分離出來的晶體雜鹽再設(shè)法填埋。

該方法目前在國內(nèi)外均有運(yùn)用，整個處理過程需消耗大量的蒸汽和電能。該方法的投資和運(yùn)行成本高、能耗偏高，增加的設(shè)備設(shè)施的維護(hù)量較大，并需要有較大的建設(shè)空間。此外，結(jié)晶分離出來的鹽類固化物需進(jìn)一步處置，存在固體廢棄物的處理問題，并存在設(shè)備內(nèi)結(jié)垢的弊端，導(dǎo)致未能廣泛推廣。

1.2 煙道蒸發(fā)法

該方法將經(jīng)過常規(guī)處理的脫硫廢水用泵送至除塵器的前煙道，經(jīng)壓縮空氣將脫硫廢水在除塵器前煙道內(nèi)霧化。由于除塵器前煙道中的煙氣溫度較高，噴入煙道的霧化脫硫廢水會迅速在高溫?zé)煹乐姓舭l(fā)，廢水中的雜質(zhì)以固體物的形式和粉煤灰一起隨煙氣進(jìn)除塵器，經(jīng)除塵器捕捉，隨粉煤灰一起外排。

該方法通過利用鍋爐煙氣余熱蒸發(fā)的方法將脫硫廢水中的水和雜質(zhì)分離，做到了脫硫廢水“零排放”。該方法在日本、美國、捷克等已有成功運(yùn)行案例，廢水處理量可達(dá)20m3/h。

煙道蒸發(fā)法的投資較少，運(yùn)行成本較低，但需要對鍋爐、汽機(jī)、脫硫設(shè)備、除塵設(shè)備、煤質(zhì)等進(jìn)行系統(tǒng)性的研究及核算，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)、煙氣量、煙氣溫度等進(jìn)行詳盡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，否則可能會對相關(guān)設(shè)備造成不利影響，進(jìn)而影響“零排放”的經(jīng)濟(jì)性。

2 四種改擴(kuò)建方案論證

2.1 方案一：多效蒸發(fā)結(jié)晶法

原三聯(lián)箱+預(yù)處理+蒸發(fā)+結(jié)晶。改造原有的三聯(lián)箱處理系統(tǒng)，新建預(yù)處理系統(tǒng)，處理廢水達(dá)到可蒸發(fā)結(jié)晶條件，新建廢水蒸發(fā)系統(tǒng)、結(jié)晶系統(tǒng)。

某電廠脫硫廢水處理采用多效蒸發(fā)結(jié)晶法建造處理能力為20m3/h脫硫廢水“零排放”系統(tǒng)，采用四級多效蒸發(fā)技術(shù)，熱源采用電廠蒸氣。脫硫廢水水質(zhì)見表1，工藝流程如圖1。

表1 某電廠典型脫硫廢水水質(zhì)

圖1 某電廠脫硫廢水蒸發(fā)結(jié)晶處理工藝

該項(xiàng)目總投資約為9750萬元，總占地3萬平方米，蒸發(fā)結(jié)晶處理工藝不僅占地面積大、投資成本高，其運(yùn)行成本也較高，每噸水的處理成本高達(dá)286.6元。

2.2 方案二：原三聯(lián)箱+樹脂軟化+反滲透+正滲透+蒸發(fā)結(jié)晶膜處理

改造原有三聯(lián)箱處理系統(tǒng)，新建樹脂軟化系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、正滲透系統(tǒng)、蒸發(fā)結(jié)晶膜系統(tǒng)。

某水處理工程公司采用該工藝新建脫硫廢水“零排放”處理工程。主體工藝為“三聯(lián)箱”+樹脂軟化+反滲透+正滲透+蒸發(fā)結(jié)晶膜處理。項(xiàng)目建設(shè)總投資8500萬元，總占地面積約1000m2。脫硫廢水處理系統(tǒng)的運(yùn)行成本為噸水處理成本高達(dá)123.5元。

2.3 方案三：外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶，原三聯(lián)箱+軟化+雙膜法+外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶

改造原有三聯(lián)箱處理系統(tǒng)，新建軟化處理系統(tǒng)、雙膜法處理系統(tǒng)、外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。

外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)：脫硫廢水經(jīng)兩級軟化系統(tǒng)和雙膜法減量系統(tǒng)回收70%的淡水，剩余30%的濃水通雙流體霧化裝置在外置式高效蒸發(fā)結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行霧化結(jié)晶，結(jié)晶器引用空氣預(yù)熱器前端的高溫?zé)煔鈱γ摿驈U水進(jìn)行快速蒸發(fā)結(jié)晶，結(jié)晶器出口并入空氣預(yù)熱器后端的主煙道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的“零排放”。

脫硫廢水外置式煙氣蒸發(fā)“零排放”技術(shù)，采用三大系統(tǒng)、九大模塊，包括脫鹽前系統(tǒng)（除重模塊、除固模塊和除硬模塊）、脫鹽系統(tǒng)（淡化減量模塊、蒸發(fā)結(jié)晶模塊、氣固分離模塊）、電控系統(tǒng)（電氣模塊、監(jiān)測模塊、控制模塊）。外置式煙道引入煙道高溫?zé)煔?，無需其它熱源，屬余熱利用；做到脫硫廢水完全回收利用，應(yīng)用于脫硫系統(tǒng)，節(jié)省相同數(shù)量的脫硫工藝用水，減少電廠水耗量，可實(shí)現(xiàn)電廠脫硫廢水“零排放”。其處理工藝如圖2。

廢水處理系統(tǒng)簡單，工程投資省、運(yùn)行能耗低、處理費(fèi)用小。投資額度約3000余萬元，占地500m2每噸水的處理費(fèi)用59.7元；經(jīng)濟(jì)性比較合理。

2.4 方案四：外置式雙煙氣蒸發(fā)結(jié)晶

圖2 外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)

外置式蒸發(fā)脫硫廢水“零排放”技術(shù)為：1）一級蒸發(fā)（濃縮塔系統(tǒng)）：由除塵器后的煙道上引一路煙氣（煙氣溫度維持在80℃～150℃），煙氣經(jīng)煙道接入濃縮塔系統(tǒng)，廢水旋流器產(chǎn)生的脫硫廢水（取消三聯(lián)箱）經(jīng)濃縮泵送入濃縮塔內(nèi)形成自循環(huán)，與熱煙氣在濃縮塔內(nèi)充分換熱進(jìn)行一級蒸發(fā)，濃縮塔出口煙氣溫度維持在50℃～70℃，出口煙氣通過煙道接入后續(xù)脫硫處理系統(tǒng)。濃縮后的濃水經(jīng)水處理系統(tǒng)進(jìn)入二級蒸發(fā)。2）二級蒸發(fā)（四段法蒸發(fā)爐）：由鍋爐空預(yù)器前引300℃～400℃煙氣或熱一次風(fēng)作為二級蒸發(fā)的熱源。熱煙氣經(jīng)煙道接入四段法蒸發(fā)爐中，濃水經(jīng)水處理系統(tǒng)處理后形成的噴射液由泵送至在蒸發(fā)爐內(nèi)進(jìn)行二級蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的完全蒸干，蒸發(fā)爐出口煙氣溫度控制在110℃～150℃，蒸干鹽被收集系統(tǒng)收集。

兩級蒸發(fā)脫硫廢水“零排放”技術(shù)特點(diǎn)：兩級蒸發(fā)技術(shù)，取消原有脫硫系統(tǒng)中廢水處理系統(tǒng)（三聯(lián)箱工藝），污泥量大幅降低，由污泥產(chǎn)生的危廢量同步減少；廢水濃縮無膜濃縮系統(tǒng)，無鈣鎂離子結(jié)垢問題；濃縮塔取代傳統(tǒng)預(yù)處理（水質(zhì)軟化+膜濃縮），廢水濃縮無需水質(zhì)軟化，無加藥費(fèi)，投資和運(yùn)行費(fèi)用大幅降低；濃縮塔利用除塵器后凈煙氣的余熱進(jìn)行濃縮，蒸發(fā)出的凈水隨煙氣進(jìn)入脫硫吸收塔，降低脫硫塔補(bǔ)水量，節(jié)水、節(jié)能效果明顯。

該廢水處理系統(tǒng)更加簡單，工程投資省、運(yùn)行能耗低、處理費(fèi)用少。投資額為1800余萬元，占地面積小，噸水處理費(fèi)用29.7元，性價(jià)比較高，但業(yè)績較少。

3 方案經(jīng)濟(jì)性比較

4種工藝方案的經(jīng)濟(jì)性分析比對見表2。

綜合比較，外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶工藝可充分利用現(xiàn)有設(shè)施滿足新增水量擴(kuò)建要求，可實(shí)現(xiàn)對脫硫廢水100%完全回收利用，節(jié)省相同數(shù)量的脫硫工藝用水，減少電廠耗水量；同時(shí)外置式煙氣余熱蒸發(fā)結(jié)晶工藝建設(shè)投資成本較少、有運(yùn)行業(yè)績、運(yùn)行成本較低、占地面積較小、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較低，此外該處理工藝運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行控制自動化程度高，對工藝難點(diǎn)的處理有應(yīng)對措施，對電廠其它系統(tǒng)無影響，實(shí)用性強(qiáng)。兩級煙氣外置式蒸發(fā)脫硫廢水“零排放”技術(shù)，尚處于開發(fā)研制階段，暫無使用業(yè)績，因此，兩級軟化系統(tǒng)+雙膜法+外置式煙氣余熱蒸發(fā)結(jié)晶處理工藝，目前為優(yōu)先選擇方案。

表2 脫硫廢水處理方案經(jīng)濟(jì)性分析比對表

4 重點(diǎn)方案工藝路線

外置式煙氣余熱蒸發(fā)結(jié)晶工藝的技術(shù)路線可實(shí)現(xiàn)真正意義上的“零排放”，脫硫廢水經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)處理后進(jìn)入雙膜減量處理系統(tǒng)；經(jīng)雙膜法處理產(chǎn)生70%淡水直接回用至脫硫系統(tǒng)或工業(yè)水系統(tǒng)，雙膜法產(chǎn)生30%濃水通過雙流體霧化噴槍使廢水在外置煙道內(nèi)霧化，外置煙道引入煙道內(nèi)高溫?zé)煔猓藷煔饩哂芯薮蟮臒崛萘浚F化的水滴與高溫?zé)煔庋杆龠M(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、蒸發(fā)，蒸發(fā)形成結(jié)晶物與水蒸汽進(jìn)入靜電除塵器實(shí)現(xiàn)氣固分離，結(jié)晶物附著在灰分上，水蒸汽進(jìn)入脫硫島系統(tǒng)冷凝，間接回收。外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)見圖3。

圖3 外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)

4.1 工藝流程第一部分

工藝流程第一部分包括脫鹽前系統(tǒng)，包括除重模塊、除固模塊和除硬模塊。

（1）脫鹽前系統(tǒng)主要工藝為兩級混凝沉淀，去除水中鈣、鎂等硬度離子、重金屬離子及固體懸浮物等污染因子。包括除重模塊、除固模塊和除硬模塊。

（2）除重模塊：中和廢水中H+，調(diào)節(jié)廢水pH至堿性，廢水中和后的弱堿性氛圍，有利于進(jìn)一步針對重金屬離子進(jìn)行絡(luò)合與結(jié)晶沉淀；將大部分重金屬離子以氫氧化物的形式完全沉淀出來；將部分酸根、鹵族離子中和為相應(yīng)的無機(jī)鹽；去除廢水中鎂離子、硫酸根離子。

（3）除固模塊：該系統(tǒng)通過兩級混凝沉淀工藝，并選用PAC和PAM兩種高效絮凝劑配合使用，可最大程度地使已結(jié)晶析出的無機(jī)鹽、重金屬絡(luò)合物及SS等細(xì)小礬花積聚成為較大顆粒，以便于在廢水進(jìn)入沉淀池后更快地沉降，廢水在沉淀池實(shí)現(xiàn)固液分離，澄清液進(jìn)入后續(xù)減量處理系統(tǒng)，沉淀污泥通過排泥泵排入污泥收集池，最后進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)進(jìn)行干化處理。

（4）除硬模塊：其主要反應(yīng)機(jī)理為：

4.2 工藝流程第二部分

工藝流程第二部分為脫鹽系統(tǒng)，包括淡化減量模塊、蒸發(fā)結(jié)晶模塊、氣固分離模塊。

（1）淡化減量模塊：采用先進(jìn)技術(shù)雙膜法（見圖4），主要組成為超濾與海水淡化膜設(shè)備。廢水經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)入淡化超濾與海水淡化膜濃縮后，淡水回用至脫硫系統(tǒng)，濃水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶模塊。超濾與反滲透聯(lián)合使用的技術(shù)俗稱雙膜法，雙膜法屬于膜分離技術(shù)的一種，用于污水深度處理回用工程。

圖4 雙膜法

工藝特點(diǎn)：1）超濾采用先進(jìn)的耐污染的柱式超濾膜，對RO膜進(jìn)行保護(hù)；2）技術(shù)成熟，系統(tǒng)自動化程度高，操作方便，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定；3）適應(yīng)于較大范圍的進(jìn)水水質(zhì)，既適用于苦咸水、海水的處理，又適應(yīng)于高含鹽廢水處理；4）系統(tǒng)適合更小的基建空間需要，占傳統(tǒng)處理空間的25%～50%，可分組安裝；5）系統(tǒng)抗污染能力強(qiáng)，可減少運(yùn)行藥劑，運(yùn)行成本低。

脫硫廢水經(jīng)軟化處理及海水淡化膜處理后，產(chǎn)生濃水與淡水，淡水出水水質(zhì)達(dá)到工業(yè)用水水質(zhì)，可以回用至工業(yè)水系統(tǒng)；廢濃水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶模塊。

（2）蒸發(fā)結(jié)晶模塊（見圖5）：應(yīng)用“迅速噴霧蒸發(fā)”（RSE）技術(shù)，含鹽廢水通過管道霧化設(shè)備進(jìn)入煙道，形成細(xì)小的水滴；在蒸發(fā)室的熱空氣中，水滴迅速蒸發(fā)，水和鹽分等雜質(zhì)分離；霧化裝置將濃水霧化為適合的液滴，便于霧化的水滴與高溫?zé)煔庠谠O(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)迅速進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、蒸發(fā)，防止液滴在除塵器內(nèi)產(chǎn)生未汽化的水，對除塵器極線、極板產(chǎn)生黏結(jié)。鍋爐煙氣的排煙溫度控制在煙氣酸露點(diǎn)以上。

圖5 蒸發(fā)結(jié)晶模塊

根據(jù)能量守恒估算完全蒸發(fā)廢水水滴所需要的煙氣量，計(jì)算得到所需的煙道蒸發(fā)器臺數(shù)。然后通過流體力學(xué)（CFD）計(jì)算技術(shù)確定噴嘴的布置位置、角度等技術(shù)參數(shù)。通過使用CFD軟件Fluent對廢水霧化噴入煙道后，煙氣與廢水霧滴之間的運(yùn)動、傳熱、傳質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬。

該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)：1）系統(tǒng)最佳的煙氣混合效果；2）確定液滴霧化粒徑，霧化裝置的配置及最佳的霧化效果；3）霧化裝置的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)，保證液滴霧化粒徑；4）蒸發(fā)時(shí)間控制，確定霧化液滴完全蒸發(fā)距離；5）蒸發(fā)溫度控制，噴水量精確控制。

不同煙氣含濕量條件下溫度與飛灰電阻率的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 不同煙氣含濕量條件下溫度與飛灰電阻率的關(guān)系曲線

（3）氣固分離模塊：濃水經(jīng)過蒸發(fā)結(jié)晶模塊后產(chǎn)生的結(jié)晶物與水蒸汽隨煙氣進(jìn)入氣固分離模塊，該模塊中的結(jié)晶物在靜電除塵器氣流中荷電，在電場的作用下與氣流分離，隨粉煤灰進(jìn)入灰斗排出，同時(shí)水蒸汽有效降低煙氣比電阻，提高除塵效率。高品質(zhì)的水蒸汽進(jìn)入脫硫吸收塔中，被吸收塔內(nèi)大量的噴淋漿液吸收利用，可取代吸收塔相同的蒸發(fā)水量，節(jié)約用水，達(dá)到脫硫廢水完全回收利用的目的。

4.3 廢水處理目標(biāo)

脫硫廢水經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)處理后進(jìn)入雙膜法處理系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，回收率≥70%，處理后產(chǎn)水出水達(dá)到工業(yè)用水水質(zhì)要求，具體水質(zhì)見表3。

表3 回用水水質(zhì)一覽表

雙膜法系統(tǒng)處理后的濃水，利用外置蒸發(fā)結(jié)晶處理技術(shù)，在無需其它熱源的情況下，在煙道熱源進(jìn)行霧化處理，實(shí)現(xiàn)電廠脫硫廢水真正意義上的“零排放”。

5 高效節(jié)能廢水結(jié)晶器的選型及設(shè)計(jì)

燃煤機(jī)組產(chǎn)生的脫硫廢水量，經(jīng)雙膜法減量處理濃縮后可減少70%，單臺爐SCR出口2個煙道，每個煙道加裝一套高效節(jié)能廢水結(jié)晶器。其具體安裝方式見圖7。

圖7 高效節(jié)能蒸發(fā)結(jié)晶器安裝示意圖

6 相關(guān)影響分析

6.1 對機(jī)組的影響

高效節(jié)能蒸發(fā)結(jié)晶器引入SCR出口300℃以上的高溫?zé)煔猓瑢?shí)現(xiàn)濃水完全蒸發(fā)后，控制煙氣溫度降至120℃左右。核算引入SCR煙氣量為燃煤系統(tǒng)煙氣的1%～2%，對系統(tǒng)影響可以忽略不計(jì)。

6.2 對粉煤灰的影響

鍋爐產(chǎn)生的粉煤灰經(jīng)脫鹽預(yù)處理系統(tǒng)后，水中的污染物絕大部分以氯化鈉形式存在，核算量約為0.0099t/h，占粉煤灰的0.035%，低于《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）氯離子限量的要求：即水泥中的氯離子含量不大于0.06%。因此，對粉煤灰?guī)缀醪划a(chǎn)生任何影響。

6.3 對靜電除塵器的影響

由于噴入的脫硫廢水提高了煙氣含濕量，粉煤灰電阻率成倍降低，同時(shí)廢水蒸發(fā)過程吸收熱量，使得除塵器前的煙氣溫度降低，進(jìn)而降低除塵器中煙氣的流速，延長煙氣在除塵器中的停留時(shí)間和降低煙氣對粉煤灰的拖曳力，因此，粉煤灰的脫除率明顯提高，除塵器效率顯著提升。

6.4 低負(fù)荷或雨季的影響

該方案采用PLC系統(tǒng)智能控制。在煙道內(nèi)，設(shè)置有工業(yè)級煙道溫度感應(yīng)器及流程偵測設(shè)備。霧化裝置的配置、噴水量通過計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)煙溫、煙氣量控制霧化水量，確保外置煙道出口廢水完全蒸發(fā)結(jié)晶，確保后續(xù)系統(tǒng)安全運(yùn)行；鍋爐在低負(fù)荷條件下，脫硫負(fù)荷減少，煙氣量同步減少，系統(tǒng)內(nèi)Cl-離子及其它物質(zhì)濃縮量會同時(shí)減少，脫硫廢水的產(chǎn)生量明顯減少，設(shè)計(jì)廢水緩沖罐，容納在此期間不能處理的廢水，在負(fù)荷高及煙溫較高時(shí)，提高霧化處理量。根據(jù)煙氣量、煙氣溫度、進(jìn)水水質(zhì)等參數(shù)，精確計(jì)算出可以接收的噴霧水量范圍，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

7 結(jié)語

兩級軟化系統(tǒng)+雙膜法+外置式煙氣蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)是目前的主流技術(shù)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但脫硫廢水“零排放”的終極解決方案為兩級蒸發(fā)爐技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是投資和運(yùn)行成本低、工藝簡單、設(shè)備體積小、占地面積小、不留任何固廢。