機械蒸汽壓縮晶種法立式降膜蒸發(fā)減量一體化水處理技術(shù)在火電廠脫硫廢水零排放工程中的應(yīng)用

郎鑫焱

（山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司）

0 引言

漳山發(fā)電2×300MW+2×600MW機組，近年相繼完成了超低排放改造等多項技改，用地極為緊張。

為響應(yīng)環(huán)保政策要求，決定對脫硫廢水進行零排放改造。全廠脫硫廢水總排放量最大時60m3/h，長期在30～50m3/h。經(jīng)校核和優(yōu)化，最終確定脫硫廢水的處理量按最高50m3/h設(shè)計，其中30m3/h廢水進零排放處理系統(tǒng)，其余廢水經(jīng)去除SS后直接回用。

1 改造方案比較與確定

1.1 改造依據(jù)及目標(biāo)

脫硫廢水受煤質(zhì)、石灰石品質(zhì)及運行環(huán)境影響，水質(zhì)分析是選擇廢水處理工藝最核心的要素，它決定了設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)垢、可靠性、運行和建造成本。

結(jié)合場地情況，把脫硫廢水總量、減量目標(biāo)、設(shè)備布置、系統(tǒng)阻力和其對風(fēng)煙系統(tǒng)影響、處理能力、系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、維護操作、投資、檢修維護費用等作為首選目標(biāo)。

1.2 改造水質(zhì)分析

脫硫廢水水質(zhì)存在的特性：TDS約2×104mg/L；氯離子5000～20000mg/L；硫酸根離子＜9000～30000mg/L；硝酸根離子＜1000mg/L；鎂離子4000～20000mg/L；鈉離子約2000～6000mg/L；鈣離子600～4000mg/L；少量鉀離子。

1.3 改造路線確定

技術(shù)路線要避免或延緩脫硫廢水處理過程中的系統(tǒng)和設(shè)備結(jié)垢問題，需進行各項技術(shù)研究與比較，選擇適合自身特點的工藝路線。各工藝路線比較如下表所示。

表中，膜法濃縮和常規(guī)多效蒸發(fā)濃縮，對廢水預(yù)處理工藝要求較高，需對廢水做全軟化處理，軟化藥劑消耗量很大。且軟化過程中還會產(chǎn)生一定量污泥，增加了處理費用。

表 水處理工藝路線比較

低溫?zé)煔鉂饪s運行成本較低，但本項目處理水量較大，超出了單塔處理能力。且項目場地緊張，難以提供足夠的空間。

低溫閃蒸本質(zhì)上也是一種多效蒸發(fā)器，能耗較高，蒸發(fā)器真空度非常容易被破壞，設(shè)備使用壽命短。

綜合考慮處理能力、投資、運維成本等因素，降膜濃縮減量+旁路噴霧干燥工藝，適合實際情況。

因脫硫廢水量大，濃縮減量是關(guān)鍵。同時兼顧系統(tǒng)運行可靠性，減少結(jié)垢，降低運行和維護成本。

在關(guān)鍵技術(shù)篩選基礎(chǔ)上，進一步完成改造目標(biāo)：

1）廢水量大，煙道直噴蒸發(fā)和單一尾部干燥無法滿足處理量要求。

2）場地小，設(shè)計需因地制宜，分部單元分開布置。

3）考慮投資與運行成本，優(yōu)選綜合成本低的方案。

4）考慮設(shè)備運行可靠性及穩(wěn)定性，優(yōu)選可避免或延緩系統(tǒng)結(jié)垢，耐腐性能優(yōu)越的設(shè)備。

5）本項目碳酸根離子極少，無需對廢水進行軟化。

綜上因素的考慮，最終采用HDC（Y）一體化廢水預(yù)處理+機械蒸汽壓縮晶種法立式降膜蒸發(fā)減量+旁路煙道噴霧干燥方案。

預(yù)處理主要把廢水濃度、澄清濃縮池離心分離效果作為主要設(shè)計重點，并實現(xiàn)一種混合藥微量添加，高效降低出水懸浮物，高標(biāo)準(zhǔn)滿足濃縮系統(tǒng)進水要求。

濃縮系統(tǒng)主要把握減量蒸發(fā)器熱應(yīng)力、濃縮倍率、蒸發(fā)器布水、晶種法蒸發(fā)工藝等設(shè)計原理，把材料耐腐性能、蒸發(fā)器延緩結(jié)垢、漿液循環(huán)、介質(zhì)脫氣及消泡、壓縮機保護等作為設(shè)計重點，確保高鹽水不腐蝕、不結(jié)垢、不損壞設(shè)備。

干燥系統(tǒng)主要把握噴霧效果及控制結(jié)晶堵塞、噴頭耐腐性能、流場布置、干燥塔溫度和濕度對布袋除塵器的影響。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計參數(shù)

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)（見圖1）

圖1 預(yù)處理示意圖

一體化處理裝置憑借其內(nèi)部沉降結(jié)構(gòu)切線旋流設(shè)計，改變傳統(tǒng)絮凝沉降中絮體顆粒隨機成長模式，借助于旋流澄清增加澄清器中漿體內(nèi)部的壓縮比，促進大顆粒密實性絮凝體的形成。在提升絮團沉降速度的同時，保證微細(xì)顆粒的沉降效果，降低溢流清水的懸浮物含量，達到排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)水質(zhì)投加專門配制的一種藥劑，實現(xiàn)吸附絮凝、去除重金屬的目的。

高效澄清器原理，如圖2所示。

圖2 高效澄清器原理圖

2.2 晶種法立式降膜蒸發(fā)減量系統(tǒng)

晶種法是基于晶核優(yōu)先沉淀的原理。廢水中水分從換熱管內(nèi)的鹽水膜表面蒸發(fā)后，殘余的濃鹽水處于過飽和，硫酸鈣、二氧化硅以及其他易結(jié)垢化合物開始析出。析出的化合物會優(yōu)先附著在已有晶體上，使晶體顆粒生長，不會形成新的晶核附著在換熱器管表面（形成垢層）。晶種工作示意如圖3所示。

圖3 晶種工作示意圖

因晶種的再生需要一定溫度與時間。在多效蒸發(fā)器中晶種生長周期略短，晶種尚未長大即被排出，晶種粒徑過小，因而較難再生與回收，會導(dǎo)致晶種投加量很大，經(jīng)濟性差。所以晶種法更適合于MVR蒸發(fā)濃縮工藝。

本項目選擇基于晶種法的MVRSBC蒸發(fā)濃縮工藝，將廢水濃縮至10m3/h以下?？蓪U水TDS從3%～8%濃縮到15%～21%甚至更高；對懸浮物要求較低，因此預(yù)處理不需做全軟化。

MVR工藝原理：將蒸發(fā)器排出的低品位二次蒸汽通過壓縮機再次壓縮到較高溫度和壓力，重新得到熱品位較高的蒸汽并取代新鮮蒸汽作為熱源。壓縮后的蒸汽送入蒸發(fā)器的加熱室冷凝釋放熱量，而料液吸收熱量后沸騰汽化再產(chǎn)生二次蒸汽經(jīng)分離后進入壓縮機，循環(huán)往復(fù)，蒸汽得到充分利用。

機械蒸汽壓縮根據(jù)不同蒸發(fā)工藝，分為直接蒸發(fā)（MVR）和晶種法降膜蒸發(fā)（MVRSBC）。晶種法降膜蒸發(fā)（MVRSBC）相對于直接蒸發(fā)（MVR），能有效控制結(jié)垢，需啟停時補汽，避免了使用蒸汽進行蒸發(fā)。本項目采用晶種法降膜蒸發(fā)（MVRSBC）工藝。

壓縮機葉輪采用2507材質(zhì)，高壓變頻控制，設(shè)置有導(dǎo)葉高溫蒸餾水沖洗、溫度與震動保護、過載等綜合保護，確保壓縮機運行中不發(fā)生水沖擊及各類事故。

工藝主要特點：

1）只要在蒸發(fā)啟動時提供一定的能量使系統(tǒng)產(chǎn)生二次蒸汽，然后便不再用外加蒸汽而使蒸發(fā)連續(xù)進行。

2）采用晶種法蒸發(fā)器（SBC），在濃縮器啟動時，通過投加硫酸鈣晶種并維持晶種在蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)。硫酸鈣和二氧化硅可以在晶種上生長，而避免在蒸發(fā)器的換熱管上生長結(jié)垢，降低了容易結(jié)垢物質(zhì)在換熱表面結(jié)垢的傾向。

3）垂直管降膜蒸發(fā)器是在垂直管束管道內(nèi)部的一層膜上蒸發(fā)鹽水的。鹽水被分散在管道內(nèi)部的薄膜上，從管道外部蒸汽吸收熱量，實際熱傳導(dǎo)過程是熱量由蒸汽經(jīng)過管道壁再經(jīng)過薄膜到達鹽水。

工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程圖

工藝主要設(shè)備如圖5、圖6所示。

圖5 布水器

圖6 降膜蒸發(fā)器及降膜列管

把控的重點：

1）通過添加CaO或NaOH，控制廢水中鈣、鎂離子、硫酸根離子的含量；添加阻垢劑，保證鈣含量在設(shè)計范圍內(nèi)。以平衡各離子，減少結(jié)垢。

2）系統(tǒng)每運行一定時間，需對降膜管進行高壓水沖洗或運行中在脫氣器前管路上加入酸、堿進行沖洗。

3）降膜蒸發(fā)器主要作用是膜的形成，以保證鈣鎂離子不會沉積在降膜管壁上。要保證膜的良好建立，須保證降膜管進水含鹽量穩(wěn)定，要求布水器與降膜管的水分配足夠均勻、水壓和水量波動要小，蒸汽壓縮機、循環(huán)泵均需要變頻控制。高度自動化，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)水質(zhì)自動調(diào)節(jié)蒸發(fā)。

4）根據(jù)廢水量、含鹽量、氯離子含量等指標(biāo)，選擇蒸發(fā)器及管路的材質(zhì)。鈣鎂鹽含量愈高，濃縮倍率愈高，要求材質(zhì)的光潔度愈好，這樣會減緩結(jié)垢的發(fā)生和設(shè)備的腐蝕。

2.3 旁路煙道噴霧干燥系統(tǒng)

將少量SCR系統(tǒng)出口的高溫?zé)煔庖敫稍锼?，高溫?zé)煔鈱⒏稍锼?nèi)的廢水直接干化后，再經(jīng)旁路煙道出口進入除塵器，煙氣中的結(jié)晶鹽和粉塵被除塵器捕集。

工藝結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。當(dāng)煙氣抽取量不高于3%時，對主煙道的影響很小。

受煙氣抽取量限制，最后進入混鹽工藝段的廢水量為8m3/h。固體鹽進入除塵器灰斗污染物排放為1.89噸/年。主要設(shè)備如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)霧化及雙流體霧化器

3 設(shè)備投運情況

2021年1月，全廠脫硫廢水零排放改造完工，并投入運行。系統(tǒng)運行情況如下：

1）運行穩(wěn)定可靠，處理能力達到設(shè)計值。

2）預(yù)處理SS為50～70ppm以下；水質(zhì)指標(biāo)滿足減量系統(tǒng)使用要求，澄清效果如圖8所示。

圖8 混凝澄清效果

3）減量系統(tǒng)處理能力30m3/h，濃相廢水為2～8m3/h（可調(diào)），出口TDS≥20萬ppm（可調(diào)）； 凝結(jié)水回水濁度小于1NTU，TDS小于100mg/L，完全滿足設(shè)計要求。

4）旁路干燥系統(tǒng)在機組負(fù)荷70%以上時運行穩(wěn)定，能夠滿足設(shè)計值。機組深度調(diào)峰期，干燥系統(tǒng)受進風(fēng)量和煙氣流速影響，其出力降低。

5）經(jīng)廢水水質(zhì)化驗，并考慮經(jīng)旁路干燥后約95%的氯以固態(tài)形式進入灰中，因此進入粉煤灰中氯離子不高于140kg/h。

結(jié)合一、二期粉煤灰產(chǎn)生量，氯離子最高約為0.052%，滿足硅酸鹽建筑制品用粉煤灰使用氯離子含量≤0.06%的標(biāo)準(zhǔn)。

6）運行費用估算。噸水處理總費用￥37/m3，其中預(yù)處理 ￥8/m3，蒸發(fā)濃縮￥20/m3，霧化干燥￥9/m3。

4 結(jié)束語

1）本次改造較為成功。

2）對于處理量＞15～20m3/h的項目，機械蒸汽壓縮晶種法立式降膜蒸發(fā)減量裝置具有處理水量大，無污泥產(chǎn)生，運行成本極低；占地小，使用壽命長，綜合環(huán)保效益高等優(yōu)勢。

3）旁路干燥受機組負(fù)荷影響，需結(jié)合煙氣系統(tǒng)和廢水量、環(huán)保要求具體核算選擇方案。