機械蒸汽壓縮技術在脫硫廢水處理中的應用

王凱波，張文斌

（1.山西漳電蒲洲熱電有限公司，山西 永濟 044500 ；2. 國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030045）

0 引言

燃煤電廠的濕法脫硫工藝產生的脫硫廢水含國家嚴格控制的第一類污染物，其成分復雜、污染物種類多，具有高硬度、高氯根、高含鹽量等特點，成為燃煤電廠最難處理的廢水。脫硫廢水經過常規(guī)中和、絮凝沉淀處理后，雖然能滿足達標排放的要求，但此類廢水排放會對電廠周圍水環(huán)境、土壤環(huán)境以及整個生態(tài)環(huán)境產生危害。要最大限度地減少因脫硫廢水排放而造成的環(huán)境污染，必須對脫硫廢水進行深度處理，以實現廢水回收再利用，達到廢水零排放，從而實現經濟效益、環(huán)境效益和社會效益的協調發(fā)展。因此，脫硫廢水的處理是燃煤電廠廢水處理的重要環(huán)節(jié)[1-6]。

近年來，機械蒸汽壓縮在廢水處理中的應用越來越廣[7-10]。我們采用機械蒸汽壓縮為關鍵技術，由軟化系統(tǒng)、機械蒸汽壓縮（MVC） 蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)、MED-TC低溫兩效強制循環(huán)蒸發(fā)結晶系統(tǒng)、離心干燥出鹽系統(tǒng)及尾氣吸收系統(tǒng)組成的聯合處理方案，對山西漳電蒲洲熱電有限公司的脫硫廢水進行深度處理的技術進行了應用研究，不僅實現了廢水的回收利用，也有效地降低了蒸發(fā)結晶過程的能耗。

1 處理工藝介紹

1.1 工藝流程與處理方法一覽

脫硫廢水處理的工藝流程圖見圖1。首先進行軟化處理，然后采用機械蒸汽壓縮蒸發(fā)、結晶和干燥等處理，具體的方法逐一介紹。

1.2 軟化處理

對脫硫廢水進行了軟化處理的目的，主要是去除鈣鎂等金屬離子，防止蒸發(fā)和結晶系統(tǒng)結垢，延長系統(tǒng)清洗周期。最終的結晶鹽為鈉鹽（主要成份65%左右為NaCl，35%左右為Na2SO4），能夠作為化工廠的原料進行回收利用，消除了固廢排放對環(huán)境的污染。處理工藝過程簡述如下。

a）脫硫廢水進入調節(jié)池，在調節(jié)池內通過曝氣攪拌、氧化處理進行水質水量調節(jié)，同時初步降低廢水中的COD及氨氮。

b）廢水經過調節(jié)池預處理后由進水提升泵打入pH調整箱，通過投加堿液（NaOH溶液） 去除脫硫廢水中的鎂離子，產生的氫氧化鎂沉淀以污泥形式排出。

圖1 脫硫廢水處理的工藝流程圖

c）廢水經過pH調整箱后通過自流進入反應箱，投加純堿（Na2CO3） 并充分攪拌，使廢水中的鈣離子與CO2-3離子充分接觸、反應，產生的碳酸鈣沉淀以污泥的形式排出。

d）廢水經過反應箱后通過自流進入絮凝箱，投加助凝劑（PAM），通過絮凝攪拌機進行慢速攪拌，形成大顆粒礬花，以利于后續(xù)沉淀。

e）廢水經過絮凝箱后通過自流進入沉淀池，在沉淀池內，顆粒物及礬花被沉淀截留，通過底部排泥方式排出，沉淀后上清液自流進入后續(xù)處理設備。

f）廢水經過沉淀澄清后通過自流進入脫氣塔，在流入脫氣塔前在管道混合器內投加次氯酸鈉和鹽酸，通過次氯酸鈉把氨氮氧化成硝酸鹽和氮氣，利用次氯酸鈉的強氧化性降低COD的含量。通過脫氣塔內水氣對流設施，吹脫去除廢水中產生的氮氣。

g） 軟化后的廢水由一級RO提升泵打入一級RO處理設備，進行一級RO濃縮處理后，產水進入二級RO進水緩存罐等待二級RO處理，一級RO濃水進入一級RO濃水池后通過水泵輸送至機械蒸汽壓縮（MVC） 濃縮系統(tǒng)進行深度處理。

h） 通過二級RO處理后，二級產水排入回用水罐回用，二級RO濃水排回軟化水池再通過一級RO系統(tǒng)進行循環(huán)處理。

i） 沉淀池截留污泥，由污泥泵打入離心脫水機進行離心脫水，形成泥餅汽車外運，離心液排回進水調節(jié)池，進入循環(huán)處理。

1.3 機械蒸汽壓縮（MVC） 蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)

機械蒸汽壓縮（MVC） 蒸發(fā)是最節(jié)省能量的蒸發(fā)工藝，其特點是不需要蒸汽作為長期供熱源，只是在開機時提供少量的蒸汽加熱，也不需要冷卻水的供應。機械蒸汽壓縮（MVC） 技術利用高能效蒸汽壓縮機將系統(tǒng)產生的二次蒸汽（溫度 100°C、壓力 10 kPa） 壓縮升溫 (升至溫度110°C、壓力20 kPa)，提高二次蒸汽的熱焓，該二次蒸汽進入蒸發(fā)系統(tǒng)作為熱源循環(huán)使用，替代絕大部分新鮮蒸汽，新鮮蒸汽僅用于補充熱損失和補充進出料溫差所需熱焓，從而大幅度降低蒸發(fā)器的新鮮蒸汽消耗，達到節(jié)能目的。工作流程見圖2。

圖2 機械蒸汽壓縮（MVC）蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)工作流程圖

a） 經軟化預處理后的脫硫廢水由原液泵泵入蒸發(fā)系統(tǒng)，原液首先進入熱交換器（即蒸餾水熱交換器），被蒸發(fā)器排出的高溫蒸餾水加熱，與此同時，排出系統(tǒng)的蒸餾水的溫度得以降低。

b）經過熱交換器預熱后的脫硫廢水原液進入排氣冷凝器再進一步預熱（該排氣冷凝器主要為冷卻蒸發(fā)器排出的不凝氣體，以達到無蒸汽損失和熱損最小化）。

c） 預熱系統(tǒng)有效回收了排出系統(tǒng)的熱量，降低了系統(tǒng)的能耗。

d） 經過預熱后的脫硫廢水原液進入臥管降膜蒸發(fā)器內，通過噴嘴噴淋到熱交換管的外面形成薄膜，熱交換管內的飽和蒸汽冷凝后釋放的潛熱傳遞給管外的薄膜使其蒸發(fā)，未被蒸發(fā)的液體流到熱井進行下一次循環(huán)，管外產生的二次蒸汽被抽入蒸汽壓縮機，進行升溫升壓，循環(huán)利用于蒸發(fā)器。被壓縮的蒸汽流入蒸發(fā)器換熱管束內，冷卻形成蒸餾水，該蒸餾水經換熱器（即蒸餾水熱交換器）利用后，進入回用水箱。熱井內的高溫濃縮液由循環(huán)泵泵出，部分再次進行循環(huán)蒸發(fā)濃縮，部分進入后續(xù)處理系統(tǒng)進行結晶。

1.4 MED-TC低溫兩效強制循環(huán)蒸發(fā)結晶系統(tǒng)

MVC臥管降膜蒸發(fā)的濃縮液進入MED-TC蒸發(fā)主體第一效，由循環(huán)泵輸送至加熱器，加熱后的濃縮液進入分離室閃蒸。分離室產生的二次蒸汽作為熱源進入第二效的加熱器，而第一效的濃液泵入第二效的分離室，由循環(huán)泵輸送至第二效加熱器加熱，加熱后的濃縮液進入分離室閃蒸，進一步濃縮至結晶出鹽，結晶成的較大顆粒沉降至分離室底部，由濃液泵抽出。二效分離室的上清液由循環(huán)泵輸送至加熱器進行循環(huán)蒸發(fā)。一效、二效加熱器的蒸餾水經過換熱后排出到回用水箱。

1.5 離心干燥出鹽系統(tǒng)

由強制循環(huán)二效濃液泵泵出的濃液進入一個稠厚器，濃液中的上清液回流至二效分離室，固體顆粒沉降到底部最后排至冷卻結晶器冷卻，再流至離心機進行固液分離。離心機濾液（即母液）一部分回流到強制循環(huán)第一效再次進行蒸發(fā)，一部分回流到原液池參與下次循環(huán)。固體被送至流化床干燥器，用飽和蒸汽進行干燥，干燥固體再由打包系統(tǒng)打包排出。

1.6 尾氣吸收系統(tǒng)

真空泵從強制循環(huán)二效分離室抽出二次蒸汽排至吸收系統(tǒng)，并控制系統(tǒng)的真空度，使強制循環(huán)第二效處于負壓蒸發(fā)。尾氣先排入吸收塔與吸收液反應，然后排出系統(tǒng)。

2 操作方法及試驗檢驗結果

2.1 操作方法

脫硫廢水深度處理，以機械蒸汽壓縮技術為關鍵技術，由軟化系統(tǒng)、機械蒸汽壓縮（MVC）蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)、MED-TC低溫兩效強制循環(huán)蒸發(fā)結晶系統(tǒng)、離心干燥出鹽系統(tǒng)及尾氣吸收系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用DCS控制，全自動運行設計。蒸汽壓縮機采用變頻控制，進行軟啟動，運行過程中根據MVC蒸發(fā)器主體內的先進的高精度溫度控制儀表進行自動調節(jié)壓縮機頻率，保證系統(tǒng)內脫硫廢水蒸發(fā)濃縮所需的最優(yōu)蒸發(fā)溫度。

2.2 試驗檢驗結果

山西永濟熱電廠的“上大壓小”熱電聯產工程，建設規(guī)模為2×350 MW超臨界空冷供熱發(fā)電機組，相應配置2臺1205 t/h超臨界參數、自然循環(huán)、一次中間再熱、固態(tài)排渣煤粉鍋爐，采用石灰石-石膏濕法脫硫,每小時產生廢水約20 t，脫硫廢水處理前后參數的比較見表1。

表1 脫硫廢水水質處理前后參數的變化

利用機械蒸汽壓縮技術對脫硫廢水進行深度處理，通過運行證明，系統(tǒng)產水（水質見表1）可以全部作為水源回用，實現廢水零排放。

2.2.1 經濟效益

表2 機械蒸汽壓縮技術與四效蒸發(fā)處理脫硫廢水的數據與節(jié)能效果比較

利用機械蒸汽壓縮技術對脫硫廢水進行深度處理，處理每t水的電耗約23.40 kW·h/t水；蒸汽消耗約80.42 kg/t水，與傳統(tǒng)的四效蒸發(fā)相比節(jié)能效果明顯，對比數據見表2。

由此可見：采用機械蒸汽壓縮（MVC） 蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)、MED-TC低溫兩效強制循環(huán)蒸發(fā)結晶系統(tǒng)比四效蒸發(fā)每年電耗及汽耗節(jié)約177萬元。

機械蒸汽壓縮（MVC） 技術利用高能效蒸汽壓縮機將系統(tǒng)產生的二次蒸汽壓縮升溫，提高二次蒸汽的焓。提高熱焓的二次蒸汽進入蒸發(fā)系統(tǒng)作為熱源循環(huán)使用，替代絕大部分新鮮蒸汽。新鮮蒸汽僅用于補充熱損失和補充進出料溫差所需熱焓，從而大幅度降低蒸發(fā)器的新鮮蒸汽消耗，節(jié)能效果顯著，特別是在鹽分濃度較低沸點上升較小的情況下尤其明顯，彌補了多效蒸發(fā)能耗過高的不足，可最大限度地節(jié)約系統(tǒng)整體運行費用。

2.2.2 環(huán)保效益

本系統(tǒng)處理水量為20t/h，機組有效利用小時按照5000 h核算，每年可減少外排水量20×5000=100000 t，既防止廢水外排造成的環(huán)境污染，又節(jié)約了水資源（每t水費按照3.5元核算，每年可節(jié)約水費35萬元）。

3 推廣應用前景

火電是我國目前最主要的電力能源，據統(tǒng)計全國600 MW以上規(guī)模燃煤電廠數量超過500座，隨著社會對環(huán)境保護的要求越來越高，燃煤電廠完成煙氣超低排放的同時，大部分電廠短期內還需實現廢水零排放，本技術可應用于燃煤發(fā)電廠脫硫廢水處理零排放項目，同樣也適用于類似的窯爐、焦化廠等類似高鹽高硬廢水處理項目，市場應用前景巨大。