燃煤電廠脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

安雪峰，劉廣建 ，陳海平

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

隨著我國環(huán)保政策的不斷完善和水資源的嚴(yán)重缺乏，脫硫廢水的零排放技術(shù)(ZLD)成為了近年來的研究熱點(diǎn)。ZLD指電廠不向地面水域排放廢水，大部分水分回收利用，少量廢水進(jìn)入固體廢物或固化在灰渣中[1]。根據(jù)國內(nèi)外已有的脫硫廢水零排放工藝，可將ZLD分解為3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：預(yù)處理、濃縮減量、轉(zhuǎn)移或固化[1-3]。從廢水零排放系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和能耗上來看，濃縮減量環(huán)節(jié)是關(guān)鍵[4-5]。

目前國內(nèi)已投入工業(yè)化應(yīng)用的濃縮減量技術(shù)主要為熱法濃縮。按照加熱方式不同，可分為多效蒸發(fā)結(jié)晶和機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)(MVR)等。廣東河源電廠2×600 MW超臨界燃煤機(jī)組，脫硫廢水采用兩級(jí)預(yù)處理+四效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)處理。每噸蒸汽消耗廢水0.28～0.35 t，電耗廢水30 kWh/t[4,6-7]。廣東三水恒益電廠2×600 MW超臨界機(jī)組，脫硫廢水處理采用兩級(jí)臥式機(jī)械蒸汽壓縮蒸發(fā)技術(shù)+兩級(jí)臥式多效蒸發(fā)技術(shù)工藝，蒸汽消耗廢水0.3 t/t、電耗廢水30 kWh/t[4,6-7]。如何降低傳統(tǒng)熱法濃縮環(huán)節(jié)的能耗，是脫硫廢水零排放技術(shù)發(fā)展需要解決的重要問題之一。

段威等[2]總結(jié)了4種不同的脫硫廢水零排放工路線并進(jìn)行了初步的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)性分析，研究結(jié)果表明熱法濃縮干燥工藝噸水運(yùn)營成本低，更適用于燃煤電廠脫硫廢水零排放工程。毛彥霞[8]采用MVR對(duì)脫硫廢水進(jìn)行中試試驗(yàn)，結(jié)果表明MVR處理廢水效果較好，產(chǎn)水能力較高，其出水水質(zhì)可以達(dá)到一級(jí)除鹽水的標(biāo)準(zhǔn)，脫鹽率可以達(dá)到99%以上，出水率可達(dá)80%。DAHMARDEH等[9]針對(duì)高鹽度廢水處理，設(shè)計(jì)了一種基于多效蒸發(fā)-MVR耦合蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，并利用Aspen Plus流程模擬軟件進(jìn)行了系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

盡管目前針對(duì)燃煤電廠脫硫廢水零排放工藝路線的討論較多，但鮮見在同一基準(zhǔn)上定量對(duì)比不同脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)的能耗和經(jīng)濟(jì)性研究。筆者首先構(gòu)建了基于熱法濃縮技術(shù)的脫硫廢水零排放全流程；針對(duì)濃縮減量環(huán)節(jié)，提出了3種濃縮工藝：多效蒸發(fā)(MEE)、單級(jí)MVR(MVR-S)和耦合MVR的多效蒸發(fā)(MEE-MVR)；利用流程模擬軟件Aspen Plus建立了系統(tǒng)的質(zhì)量和能量平衡，討論了不同工藝的能耗；最后對(duì)3種廢水零排放流程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，以期為低能耗燃煤電廠廢水零排放技術(shù)提供借鑒。

1 脫硫廢水處理系統(tǒng)流程

脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)主要分為預(yù)處理單元、濃縮減量單元和結(jié)晶分鹽單元。脫硫廢水零排放系統(tǒng)流程如圖1所示。針對(duì)不同的濃縮減量技術(shù)，假設(shè)預(yù)處理單元和結(jié)晶分鹽單元均相同。

圖1 脫硫廢水零排放系統(tǒng)流程示意Fig.1 Schematic diagram of the zero-discharge system for desulfurization wastewater

脫硫廢水軟化預(yù)處理環(huán)節(jié)采用Ca(OH)2+ Na2CO3雙堿法，處理后的水質(zhì)指標(biāo)見表1(COD為化學(xué)需氧量；TDS為溶解性總固體)。由表1可知，經(jīng)軟化處理，廢水中鈣離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.000 5%，鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.000 1%，懸浮物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.000 1%，從而滿足下游蒸發(fā)濃縮結(jié)晶過程的水質(zhì)要求[10]。

表1 脫硫廢水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Water quality of desulfurizedwastewater from different power plants

圖2 脫硫廢水分鹽結(jié)晶工藝流程Fig.2 Process flow of desalination crystallization of desulfurization wastewater

1.1 多效蒸發(fā)系統(tǒng)

多效蒸發(fā)系統(tǒng)采用三效蒸發(fā)器對(duì)脫硫廢水進(jìn)行濃縮，蒸發(fā)器和物料流程采用順流流程，根據(jù)蒸發(fā)器熱源不同，設(shè)計(jì)了2種多效蒸發(fā)流程，如圖3所示。

圖3 多效蒸發(fā)工藝流程Fig.3 Flow chart of multi-effect evaporation process

多效蒸發(fā)系統(tǒng)的熱源可采用電廠低壓缸抽汽或低溫?zé)煔鈁18-19]。圖3(a)為傳統(tǒng)的以生蒸汽為熱源的三效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-S)流程示意。經(jīng)過預(yù)處理的脫硫廢水分別經(jīng)過一效至三效蒸發(fā)后逐級(jí)濃縮；生蒸汽(壓強(qiáng)0.5 MPa、溫度151.9 ℃)由一效加入，每效包括加熱器與分離器，物料與生蒸汽或上級(jí)過來的二次蒸汽在加熱器中換熱，然后進(jìn)入分離器閃蒸，形成的二次蒸汽進(jìn)入下一效。最后一效的二次蒸汽通過冷凝器冷凝成液態(tài)水后匯流至二次冷凝水罐。蒸發(fā)器各效壓力根據(jù)文獻(xiàn)[13,18-20]推薦值選取，分別取54、40、30 kPa。

圖3(b)為低溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)的三效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-G)流程示意，約50%的冷凝液經(jīng)除塵器出口低溫?zé)煔?132 ℃)加熱后，產(chǎn)出90～97 ℃的飽和蒸汽，送入一效蒸發(fā)器。換熱后煙氣溫度降低值，根據(jù)系統(tǒng)生蒸汽耗量和換熱器傳熱溫差計(jì)算。

1.2 MVR系統(tǒng)

對(duì)于MVR蒸發(fā)濃縮工藝，若含鹽溶液沸點(diǎn)升高值過大，換熱器的有效傳熱溫差降低，因壓縮機(jī)需提高出口蒸汽溫度以滿足蒸發(fā)器熱量需求，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗過高[21-22]。文獻(xiàn)[23]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液沸點(diǎn)升高值在15 ℃以上時(shí)，單級(jí)MVR系統(tǒng)無法正常工作，需要采用二級(jí)MVR或分級(jí)壓縮系統(tǒng)。含鹽溶液在不同蒸發(fā)溫度下沸點(diǎn)升高值變化規(guī)律如圖4所示，可知脫硫廢水蒸發(fā)濃縮階段沸點(diǎn)升高值小于10 ℃[12]，因此，筆者提出的脫硫廢水MVR濃縮工藝流程采用單級(jí)MVR系統(tǒng)(MVR-S)，如圖5所示。

圖4 脫硫廢水含鹽溶液在不同蒸發(fā)溫度下含鹽質(zhì)量濃度變化規(guī)律Fig.4 Variation of salt concentration in wastewater at different evaporation temperatures

預(yù)處理后的脫硫廢水經(jīng)凝結(jié)水預(yù)熱器和濃縮液預(yù)熱器中預(yù)熱后，與循環(huán)液一起進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)壓力取29 kPa。在蒸發(fā)器內(nèi)被壓縮蒸汽加熱，蒸發(fā)器產(chǎn)出的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至45 kPa，作為蒸發(fā)器熱源。壓縮機(jī)出口蒸汽一般為過熱蒸汽，不利于蒸發(fā)器中的換熱，因此進(jìn)入蒸發(fā)器前，引入少量冷凝水，用于消除蒸汽過熱度。與多效蒸發(fā)系統(tǒng)相比，MVR系統(tǒng)不需要二次蒸汽冷卻水系統(tǒng)。

1.3 耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)

對(duì)于單級(jí)MVR系統(tǒng)，壓縮機(jī)處理的蒸汽量為濃縮階段產(chǎn)出的全部二次蒸汽，且廢水沸點(diǎn)升高值較大，系統(tǒng)能耗較大。如果在較低質(zhì)量濃度下對(duì)進(jìn)料廢水進(jìn)行預(yù)濃縮[9,24]，再經(jīng)MVR進(jìn)一步蒸發(fā)水分至設(shè)定質(zhì)量濃度，可有效降低壓縮機(jī)功耗?？紤]到系統(tǒng)熱集成，采用2個(gè)閃蒸罐和進(jìn)料預(yù)熱器來降低系統(tǒng)能耗，設(shè)計(jì)了耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-MVR)，MEE-MVR流程如圖6所示。

圖6 耦合MVR的多效蒸發(fā)濃縮工藝(MEE-MVR)流程Fig.6 Multi-effect evaporation concentration process integrated with MVR

預(yù)處理后的脫硫廢水在預(yù)熱器中被閃蒸罐-2出口冷凝水加熱至74℃，然后送入低壓蒸發(fā)器(60 kPa)，低壓加熱器的熱源來自閃蒸罐-1回收的部分蒸汽和高壓蒸發(fā)器產(chǎn)出的二次蒸汽。低壓蒸發(fā)器蒸發(fā)后得到的濃縮液送入高壓蒸發(fā)器(76 kPa)和結(jié)晶單元。低壓蒸發(fā)器產(chǎn)出的二次蒸汽與來自閃蒸罐-2出口蒸汽混合后，經(jīng)壓縮機(jī)加壓升溫后(壓縮機(jī)出口壓力155 kPa)，作為高壓蒸發(fā)器蒸發(fā)熱源。與單級(jí)MVR系統(tǒng)相比(圖5)，壓縮機(jī)處理的蒸汽流量顯著減小，系統(tǒng)能耗降低。

2 流程模擬及系統(tǒng)評(píng)價(jià)

2.1 系統(tǒng)模擬

以600 MW燃煤機(jī)組為例，脫硫廢水處理量取10 t/h。利用Aspen Plus對(duì)預(yù)處理后脫硫廢水熱法蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進(jìn)行了流程模擬，獲得了熱法濃縮和分鹽結(jié)晶環(huán)節(jié)的物料和能量平衡。

預(yù)處理后的脫硫廢水屬于低硬度、高含鹽量的水體系，采用ELECNRTL物性模型模擬廢水的無機(jī)電解質(zhì)體系[25]。系統(tǒng)流程中各單元功能模塊的選取參考文獻(xiàn)[25-26]。

2.2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文提出的脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括以下幾種：

1)單位能耗α(kJ/kg，每消耗1 kg凝水可獲得1 kJ標(biāo)煤)，蒸發(fā)量為1 kg時(shí)系統(tǒng)能耗：

α=N/W，

(1)

式中，N為系統(tǒng)能耗，包括熱耗和電耗；W為蒸發(fā)量。

2)系統(tǒng)能效系數(shù)β，原料液蒸發(fā)結(jié)晶過程吸收的熱量和系統(tǒng)能耗之比：

β=Q/N，

(2)

式中，Q為蒸發(fā)器熱負(fù)荷。

3)節(jié)能率e，以傳統(tǒng)的以生蒸汽為熱源的三效蒸發(fā)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，其他系統(tǒng)相對(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)的節(jié)能性。

e=(αre-αob)/αre，

(3)

式中，αre為基準(zhǔn)系統(tǒng)的單位能耗；αob為其他系統(tǒng)的單位能耗。

不同熱法零排放系統(tǒng)消耗的能源種類不同，其中包括電力、蒸汽、煙氣熱能等。為客觀、科學(xué)對(duì)比系統(tǒng)性能，需采用合理的能源換算方法。目前國內(nèi)外的能源統(tǒng)計(jì)與折算方法分為3類[27-28]：

1)熱值當(dāng)量法。以能源所包含的熱量為指標(biāo)，直接計(jì)算其能源“數(shù)量”大小，不考慮其品位高低。其中，α和β能耗折算系數(shù)為1 kWh電等價(jià)熱量0.123 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

2)等價(jià)值法或發(fā)電煤耗法。將消耗的二次能源折算成一次能源。如將電力按照全國發(fā)電平均煤耗折合成標(biāo)煤[28]。其中，α和β能耗折算系數(shù)為1 kWh電等價(jià)熱量0.404 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

3)等效電法。根據(jù)各種形式的能源轉(zhuǎn)換為電力時(shí)可能的最大轉(zhuǎn)換能力，將各種形式的能源轉(zhuǎn)換為等效電力。其中，對(duì)于三效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-S)，蒸汽折標(biāo)準(zhǔn)電系數(shù)0.298 kWh/kWh[27]。

2.3 結(jié)果及討論

不同濃縮工藝的模擬計(jì)算結(jié)果見表2，不同系統(tǒng)單位能耗如圖7所示(對(duì)于低溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)的三效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-G)，在計(jì)算α、β和e時(shí)，忽略煙氣加熱器熱耗；單位能耗中g(shù)/t表示生產(chǎn)1 t凝水消耗1 g標(biāo)煤)。各方案中進(jìn)料流量、組分、水分回收率均相等。

圖7 不同系統(tǒng)單位能耗Fig.7 Energy consumption per unit of different systems

表2 不同系統(tǒng)性能對(duì)比Table 2 Performance comparison of different systems

1)對(duì)于傳統(tǒng)的三效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-S)，生蒸汽耗量為4 551.7 kg/h，相當(dāng)于單位蒸發(fā)量消耗的蒸汽量為0.48，與文獻(xiàn)[29]中給出的經(jīng)驗(yàn)值一致。另外，末效產(chǎn)生的二次蒸汽需要冷凝器冷凝，假設(shè)冷凝水溫升為10 ℃，則冷凝水耗量為47 904 kg/h。

2)低溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)的三效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-G)的熱源為除塵器后的低溫?zé)煔?；給定后脫硫廢水流量(10 m3/h)以及蒸發(fā)結(jié)晶過程需要的熱量，計(jì)算可知

煙氣加熱器負(fù)荷為3 200 kW，產(chǎn)出生蒸汽(飽和溫度92 ℃)1.26 kg/s。以600 MW機(jī)組為例，BMCR工況下，煙氣標(biāo)態(tài)體積流量為218萬m3/h，換熱后煙氣溫度降低5.5 ℃。文獻(xiàn)[30]研究了某600 MW電廠煙氣“消白”工程中煙氣冷卻降溫對(duì)系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明煙氣冷卻降溫對(duì)濕法脫硫、濕式電除塵器脫除SO3能力的影響幾乎可以忽略。但MEE-G對(duì)電廠性能影響仍需進(jìn)一步研究。

3)與MEE-S相比，單級(jí)MVR系統(tǒng)(MVR-S)消耗生蒸汽，同時(shí)也取消了冷凝器，其單位能耗大幅度下降；當(dāng)采用不同能耗折算方法時(shí)，系統(tǒng)節(jié)能率67.7%～94.9%；當(dāng)采用熱值當(dāng)量法計(jì)算時(shí)，節(jié)能率最高，但該折算方法未考慮電力和蒸汽的能量品位差異。

4)與MVR-S相比，由于在較低質(zhì)量濃度下蒸發(fā)了部分進(jìn)料水分(總蒸發(fā)量的40%左右)，使得耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-MVR)壓縮機(jī)處理的蒸汽流量大幅下降；此外利用閃蒸罐回收部分蒸汽能，相對(duì)于MVR-S，MEE-MVR系統(tǒng)的壓縮機(jī)功耗下降了30%左右；β提高了24.5%。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

為定量比較4種脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，利用Aspen Plus軟件得到各系統(tǒng)的物料和能量平衡數(shù)據(jù)，然后計(jì)算了各系統(tǒng)的廢水的處理成本LCOW。

設(shè)備投資成本包括：直接成本和間接成本[31]。其中直接成本Cd指主要設(shè)備購置費(fèi)，包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、結(jié)晶器等。各設(shè)備的投資成本數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[5,10,32]，采用規(guī)模因子法[32]進(jìn)行計(jì)算。間接成本Cid包括預(yù)備費(fèi)、工程費(fèi)、監(jiān)理費(fèi)用、建設(shè)承包合同費(fèi)等。假設(shè)間接成本為直接成本的0.55[5,32]，即：Cid=0.8Cd?？偼顿Y成本CTIC包括直接成本、間接成本和其他費(fèi)用。其中，其他費(fèi)用包括啟動(dòng)費(fèi)、流動(dòng)資金、專利及研發(fā)費(fèi)和建設(shè)期利息。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)總投資成本CTIC=2(Cd+Cid)。

噸廢水處理成本CW包括投資成本Ccap和運(yùn)行成本。年運(yùn)行成本包括4部分：用電成本Cel、用蒸汽成本Cth、預(yù)處理成本(加藥成本)Cch和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用CO&M。其中Cel、Cth根據(jù)電和蒸汽單價(jià)及系統(tǒng)消耗量計(jì)算；Cch根據(jù)預(yù)處理加藥量和藥品單價(jià)計(jì)算；假設(shè)CO&M=3%Ccap[5]。經(jīng)濟(jì)性分析關(guān)鍵參數(shù)[33]見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算參數(shù)Table 3 Economic calculation parameters

不同系統(tǒng)的噸廢水處理成本(CW)及其組成比較如圖8所示。由圖8可知：

圖8 不同系統(tǒng)噸廢水處理成本及其組成對(duì)比Fig.8 Comparison of waste water treatment costs per ton of different systems and their components

1)傳統(tǒng)三效蒸發(fā)結(jié)晶工藝(MEE-S)的CW最高(52.0元/t)，能耗成本(蒸汽，電力)占62%左右；投資和運(yùn)行維護(hù)成本占比最低，僅為2.1%。

2)采用低溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)的三效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-G)，如果忽略低溫?zé)煔獬杀?，該系統(tǒng)的CW降至22.5元/t。相比于MEE-S系統(tǒng)，盡管投資成本增加了13.8%，但能耗成本顯著下降。

3)相對(duì)于MEE-S，單級(jí)MVR系統(tǒng)(MVR-S)投資成本增加了113%，原因在于昂貴的蒸汽再壓縮系統(tǒng)。但由于MVR-S系統(tǒng)的單位能耗相對(duì)于MEE-S系統(tǒng)降低了83.7%，使得MVR-S系統(tǒng)的CW(32.5元/t)低于MEE-S。

4)MEE-MVR系統(tǒng)的CW(30.2元/t)約為MEE-S系統(tǒng)的58.2%。原因在于盡管增加了低壓蒸發(fā)器和閃蒸器等設(shè)備，但由于壓縮機(jī)功耗較低，系統(tǒng)總投資下降了10%。

4 結(jié) 論

1)對(duì)于采用汽機(jī)抽汽作為熱源的三效蒸發(fā)濃縮工藝(MEE-S)來說，系統(tǒng)能耗為每噸水消耗0.48 t(以蒸汽計(jì))；噸廢水成本52元，其中熱耗成本占57%。

2)采用低溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)的三效蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)(MEE-G)，煙氣降溫5.5 ℃。相對(duì)于MEE-S系統(tǒng)，投資成本增加了13.8%，但能耗成本大幅下降。

3)與MEE-S相比，單級(jí)MVR系統(tǒng)(MVR-S)能耗大幅度下降，但投資成本增加113%。

4)對(duì)于耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)(MEE-MVR)，盡管投資成本略高于MVR-S系統(tǒng)，但噸廢水成本低于MVR-S，約為MEE-S系統(tǒng)的58.2%。