時(shí)國(guó)華，王 佳，楊林棣，張金瑞

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我國(guó)火電廠含鹽廢水蒸發(fā)/結(jié)晶技術(shù)進(jìn)展

時(shí)國(guó)華1，王 佳1，楊林棣1，張金瑞2

（1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450007）

火電廠含鹽廢水排放對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，而單一常規(guī)的物理、化學(xué)、生物等水處理方法難以達(dá)到廢水水質(zhì)排放要求。本文根據(jù)火電廠水處理中存在的問(wèn)題，結(jié)合國(guó)家對(duì)火電廠廢水零排放方面的最新政策，分析了燃煤電廠中含鹽廢水水質(zhì)特點(diǎn)，著重介紹了燃煤電廠處理含鹽廢水的幾種常用蒸發(fā)法以及蒸發(fā)結(jié)晶零排放技術(shù)，列舉了蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)在燃煤電廠廢水處理的應(yīng)用，指出了噴霧結(jié)晶技術(shù)處理含鹽廢水的優(yōu)勢(shì)，為火電廠含鹽廢水處理及零排放提供參考。

火電廠；含鹽廢水；零排放；蒸發(fā)技術(shù)；蒸發(fā)結(jié)晶；噴霧結(jié)晶；廢水處理

我國(guó)淡水資源極其有限且分布不均，水環(huán)境污染嚴(yán)重?；痣娖髽I(yè)用水需求大且成本高，水正在成為影響火電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的主要因素。隨著《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推行環(huán)境污染第三方治理的意見(jiàn)》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《中國(guó)制造2025》等一系列相關(guān)政策相繼出臺(tái)和實(shí)施，提高火電企業(yè)用水效率，實(shí)現(xiàn)水資源的梯級(jí)利用和廢水零排放，已經(jīng)成為火電企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[1]。

電廠高含鹽廢水（總含鹽量>1%）主要來(lái)自脫硫廢水（燃煤電廠）和化學(xué)酸堿廢水，這些廢水含有以Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等為主的大量無(wú)機(jī)鹽[2-3]，高含鹽廢水雖在全廠用水中占比不大，卻是制約電廠實(shí)現(xiàn)廢水零排放的主要因素[4]，也是目前研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)我國(guó)火電廠高含鹽廢水多是經(jīng)初步處理后直接排放，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和水資源浪費(fèi)，尋找技術(shù)穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保的廢水處理方法迫在眉睫。

1 電廠含鹽廢水蒸發(fā)處理技術(shù)

廢水處理方法多種多樣，圖1匯總了一些適用于處理高含鹽廢水的方法，主要包括蒸發(fā)法、膜法和冷凍法。

圖1 高含鹽廢水處理方法

蒸發(fā)法指將含鹽水經(jīng)加熱、沸騰蒸發(fā)成水蒸氣，使鹽水不斷濃縮，含鹽水體積減小，溶質(zhì)濃度增大，進(jìn)而進(jìn)行含鹽水處理或結(jié)晶鹽回收的方法。蒸發(fā)法是最早用于脫鹽處理的方法，也是目前火電廠處理含鹽廢水較為經(jīng)濟(jì)有效的辦法，其產(chǎn)生的冷凝水可以直接作為電廠鍋爐用水，也可以進(jìn)一步處理后直接飲用，而結(jié)晶鹽則可處理成工業(yè)鹽加以利用，實(shí)現(xiàn)零排放目的[5-6]。

1.1 多級(jí)閃蒸

多級(jí)閃蒸（MSF）脫鹽技術(shù)由英國(guó)學(xué)者Silver R S在1957年提出[7]，其工藝流程如圖2所示。鹽水首先通過(guò)閃蒸室頂部的冷凝管束，在冷凝管束中被各級(jí)閃蒸室內(nèi)生成的逐漸升溫的蒸汽預(yù)熱，最后經(jīng)由鹽水加熱器加熱的蒸汽（汽輪機(jī)低壓抽汽[8]）加熱到最高溫度（90~115 ℃）后進(jìn)入第一級(jí)閃蒸室。由于閃蒸室中的壓力低于鹽水在該溫度下所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，鹽水迅速沸騰，直到溫度降到沸點(diǎn)。其中，一部分鹽水汽化，生成的蒸汽通過(guò)除霧器去除溶解的鹽類物質(zhì)后，在頂部的進(jìn)水冷凝管束表面冷凝，然后生成淡水被收集。未汽化的鹽水則流入下一級(jí)壓力較低的閃蒸室繼續(xù)上述過(guò)程。MSF系統(tǒng)必須有一個(gè)真空裝置來(lái)去除不可冷凝氣體，并維持所需的負(fù)壓[9]。

圖2 多級(jí)閃蒸流程

MSF法常用于海水淡化、火電廠鍋爐供水、食品、化工、廢水治理等領(lǐng)域，在海水淡化領(lǐng)域已商業(yè)化應(yīng)用30余年，淡水生產(chǎn)能力可達(dá)5 000~75 000 m3/d[10-12]。MSF法很少單獨(dú)用于處理鹽水，常與膜法、多效蒸發(fā)技術(shù)等結(jié)合使用，以提高系統(tǒng)處理效果。Mabrouk A N等[13]設(shè)計(jì)的多級(jí)閃蒸和機(jī)械蒸汽壓縮相結(jié)合（MSF-MVR）脫鹽系統(tǒng)，通過(guò)視覺(jué)設(shè)計(jì)仿真（VDS）對(duì)系統(tǒng)不同工況的模擬，得出該系統(tǒng)的性能系數(shù)是傳統(tǒng)MSF系統(tǒng)的2.4倍。

1.2 多效蒸發(fā)

多效蒸發(fā)（MED）系統(tǒng)由多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)而成，其基本原理如圖3所示。前一效蒸發(fā)器蒸發(fā)所生成的二次蒸汽流進(jìn)下一效蒸發(fā)器作為鹽水的加熱熱源并被冷凝為蒸餾水，即后一效蒸發(fā)器充分利用了前一效蒸發(fā)器流出的二次蒸汽余熱，各效蒸發(fā)器的操作壓力、相應(yīng)加熱蒸汽溫度與溶液沸點(diǎn)依次降低[14]。

圖3 多效蒸發(fā)處理裝置基本原理[14]

低溫多效蒸發(fā)（LT-MED）操作溫度低，50~ 70 ℃的低品位蒸汽均可作為理想的熱源，可充分利用電廠的低溫廢熱，實(shí)現(xiàn)二次蒸汽的再利用，大大降低抽取背壓蒸汽對(duì)電廠發(fā)電的影響，減緩設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢，達(dá)到節(jié)能的目的[15-16]。

MED法最早應(yīng)用于海水淡化，近年來(lái)不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于果汁濃縮、造紙業(yè)和廢堿液回收等，淡水生產(chǎn)能力可達(dá)40 000 m3/d[17-20]。Dahdah T H等[21]基于上層建筑的概念提出低溫多效蒸餾-熱蒸汽壓縮（MED-TVC）作為傳統(tǒng)MED的一種改進(jìn)，并利用MED裝置內(nèi)發(fā)生的閃蒸過(guò)程，確定了系統(tǒng)的最佳方案及最優(yōu)運(yùn)行條件；經(jīng)過(guò)案例驗(yàn)證，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)省了成本，適用于海水淡化工廠和具有海水淡化系統(tǒng)的電廠，并擴(kuò)展至混合熱力脫鹽裝置，在熱電聯(lián)產(chǎn)中展示了顯著的優(yōu)越性。

1.3 機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)

作為20世紀(jì)90年代末開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型高效節(jié)能蒸發(fā)技術(shù)，機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)（MVR）又可稱為熱泵技術(shù)，其基本原理是將蒸發(fā)器中原本需要用冷卻水冷凝的二次蒸汽，經(jīng)壓縮風(fēng)機(jī)提高其壓力和飽和溫度，增加其熱焓，然后再送入蒸發(fā)器加熱室作為熱源加熱料液，其基本原理如圖4所示。大多數(shù)MVR裝置生產(chǎn)能力約500 m3/d，同傳統(tǒng)MED相比，二次蒸汽的潛熱得到了充分利用，節(jié)能50%[22-23]。

圖4 機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)處理裝置基本原理

我國(guó)MVR技術(shù)的相關(guān)研究雖起步較晚，但已成為國(guó)家重點(diǎn)推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)之一，在濃縮制鹽、化工污水處理、食品工業(yè)、制藥（維生素等）、廢水處理（含鹽廢水、含重金屬?gòu)U水等）等領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用運(yùn)行良好[24-25]。毛彥霞[26]進(jìn)行了內(nèi)置式MVR中試裝置處理不同含鹽量的單污染物模擬廢水、模擬RO濃水和模擬脫硫廢水的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其處理1 t原水、RO濃水原水、脫硫廢水原水的平均能耗分別為23.3、23.0、23.5 kW·h，最高水回收率達(dá)91.2%，證明該裝置基本可行。為了盡早實(shí)現(xiàn)MVR技術(shù)在高鹽有機(jī)廢水零排放領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，我國(guó)科研人員還需在MVR設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和操作條件優(yōu)化等方面深入開(kāi)展研究工作，以降低設(shè)備成本[27]。

1.4 噴霧蒸發(fā)

噴霧蒸發(fā)（SED）是近期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的非常規(guī)強(qiáng)化蒸發(fā)脫鹽技術(shù)，屬于增濕-除濕技術(shù)的一種，其原理是依據(jù)雙流體霧化原理使?jié)恹}水在熱空氣中霧化并迅速蒸發(fā)，在相變過(guò)程中實(shí)現(xiàn)固液分離[28-29]。SED可充分利用廢熱廢氣，水回收率高達(dá)90%以上，可直接形成鹽晶，實(shí)現(xiàn)零排放。閃蒸是噴霧蒸發(fā)的常見(jiàn)蒸發(fā)形式[30]。趙子競(jìng)[31]通過(guò)進(jìn)行液滴蒸發(fā)零維模型的MATLAB模擬、Fluent離散相三維模型仿真及相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出當(dāng)空氣初始溫度為90 ℃、噴霧溫度為20 ℃、氣液體積比為45 000時(shí)，直徑為0.1 mm的霧滴在1.29 s內(nèi)完全蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了零排放，此時(shí)空氣相對(duì)濕度為78 %，而當(dāng)氣液體積比降至40 000、液滴直徑降至0.0 367 mm時(shí)達(dá)到氣液平衡，空氣處于飽和狀態(tài)。此外，某大學(xué)設(shè)計(jì)的噴霧蒸發(fā)技術(shù)設(shè)備可以把146 790 mg/L的高質(zhì)量濃度鹽水濃縮為351 880 mg/L，技術(shù)性能穩(wěn)定[32]。

SED法在食品、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在廢水處理中應(yīng)用較少[33-35]。在國(guó)內(nèi)，蒸發(fā)塘利用機(jī)械SED技術(shù)[36]，大大增加了蒸發(fā)速度，減小了蒸發(fā)塘面積。燃煤電廠針對(duì)濕法脫硫廢水的特點(diǎn)，通常結(jié)合爐后煙風(fēng)系統(tǒng)配置，基于噴霧干燥原理，利用鍋爐尾部煙氣余熱使煙道內(nèi)脫硫廢水迅速完成噴霧蒸發(fā)，溶解物迅速結(jié)晶并被除塵器捕集[37]，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的近零排放。SED法與傳統(tǒng)的RO、MSF、MED等方法聯(lián)合運(yùn)用，可以大大增加高鹽廢水的濃縮率，提高整個(gè)脫鹽系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

1.5 蒸發(fā)法技術(shù)比較

MED、MSF、MVR、SED幾種主要蒸發(fā)法在節(jié)能性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性及規(guī)模和預(yù)處理要求方面的比較見(jiàn)表1。相比MSF、MED和MVR等常規(guī)的含鹽廢水處理方法，SED具有裝置操作靈活、預(yù)處理簡(jiǎn)單、不易結(jié)垢及環(huán)保性良好等優(yōu)點(diǎn)，適于處理較高鹽度含鹽廢水，且脫鹽效率高，鹽分甚至可以完全結(jié)晶，經(jīng)濟(jì)性好、節(jié)能效果顯著，能克服常規(guī)處理方法的缺點(diǎn)，具有較大的研究?jī)r(jià)值。但是，含鹽廢水的復(fù)雜性使得單一技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)含鹽廢水的高效節(jié)能處理，因此，技術(shù)集成優(yōu)化是火電廠含鹽廢水處理技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)[38-39]。

表1 主要蒸發(fā)技術(shù)比較

Tab.1 Comparison of major evaporation technologies

2 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)及應(yīng)用案例

2.1 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)

蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)路線一般為“預(yù)處理單元”+“減量濃縮單元”+“蒸發(fā)結(jié)晶單元”，廢水必須經(jīng)相應(yīng)預(yù)處理再送入蒸發(fā)結(jié)晶單元，若直接采用蒸發(fā)的方法處理，勢(shì)必會(huì)消耗大量蒸汽和電力。蒸發(fā)結(jié)晶單元是整個(gè)脫硫廢水零排放系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括前面所述各種蒸發(fā)法及噴霧干燥/結(jié)晶等，其本質(zhì)均為通過(guò)末端廢水的物理性蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)鹽與水的分離。

圖5[40]給出了8個(gè)利用蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)實(shí)現(xiàn)零排放的較常用工藝，即：預(yù)處理+MVC濃縮+MVC結(jié)晶、預(yù)處理+多級(jí)預(yù)熱+多效蒸發(fā)（MED）+結(jié)晶、預(yù)處理+高壓反滲透+MVC蒸發(fā)+MVC結(jié)晶、預(yù)處理+膜濃縮+正滲透+機(jī)械蒸發(fā)（MVC）結(jié)晶、預(yù)處理+MVC蒸發(fā)+三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶、預(yù)處理+MED結(jié)晶、Na2CO3軟化+多效立管降膜蒸發(fā)+結(jié)晶、臥管噴淋薄膜蒸發(fā)+結(jié)晶。

圖5 常用蒸發(fā)結(jié)晶零排放技術(shù)

蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)是一種有效的脫鹽技術(shù)，但其投資及運(yùn)行成本較高，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展中試工作，確定合適的蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)應(yīng)為今后火電廠廢水處理的重中之重。

2.2 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)應(yīng)用案例

目前國(guó)內(nèi)已有十幾家火電廠運(yùn)用不同的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了含鹽廢水零排放，典型案例及應(yīng)用效果見(jiàn)表2。由表2可知，這幾家電廠采用的末端蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)為多效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶或機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶，雖然從不同程度上實(shí)現(xiàn)了零排放，但仍存在經(jīng)濟(jì)投資大、結(jié)晶鹽是雜鹽等問(wèn)題。因此，尋找能夠商業(yè)化應(yīng)用的火電廠含鹽廢水零排放普適技術(shù)成為火電廠當(dāng)前急需解決的首要問(wèn)題。

表2 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果

Tab.2 The application cases of evaporation crystallization technology

3 結(jié) 語(yǔ)

蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)通過(guò)預(yù)處理改善廢水水質(zhì)，減少取排水水量，提高循環(huán)水濃縮效果，減少高鹽廢水量，最終實(shí)現(xiàn)電廠含鹽廢水零排放。但國(guó)內(nèi)真正實(shí)現(xiàn)零排放的電廠很少，而且都集中在燃煤電廠，燃?xì)怆姀S還沒(méi)有相關(guān)零排放項(xiàng)目實(shí)施，技術(shù)、投資、運(yùn)行成本均是制約零排放實(shí)施的重要因素。

噴霧蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)作為處理含鹽廢水較節(jié)能經(jīng)濟(jì)有效的新方法，具有較大的發(fā)展前景。燃?xì)怆姀S的壓縮空氣具有較大的壓力能，若能加以利用，通過(guò)噴霧蒸發(fā)輔助霧化濃鹽水，則對(duì)電廠含鹽廢水處理將會(huì)是一個(gè)新的飛躍。

根據(jù)火電廠含鹽廢水處理現(xiàn)狀，結(jié)合火電廠現(xiàn)有熱源，借鑒其他領(lǐng)域的成熟技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有火電廠含鹽廢水處理技術(shù)進(jìn)行改造是現(xiàn)階段處理電廠含鹽廢水的一種思路，如海水淡化、濃鹽水煙氣脫硫、洗煤等均是對(duì)含鹽廢水綜合利用的有益探索。

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Technical progress of evaporation/crystallization for saline wastewater in Chinese thermal power plants

SHI Guohua1, WANG Jia1, YANG Lindi1, ZHANG Jinrui2

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Henan Electric Power Survey & Design Institute, Zhengzhou 450007, China)

The discharge of saline waste water from thermal power plants has caused serious environmental pollution. It is really hard to meet the wastewater quality discharge standards by using of one single and conventional water treatment methods, such as a physical, chemical or biological method. In order to prevent the serious problems of water treatment existing in the thermal power plants, a series of government policy on the zero wastewater discharge are introduced and implemented. The characteristics of saline wastewater quality in thermal power plants are also briefly analyzed. Several common evaporation methods and zero liquid discharge crystallization processes for saline waste water treatment in coal fired power plants are mainly introduced. Some applications of evaporation crystallization technology are enumerated in coal fired power plant, then the advantages of spray crystallization technology in treating saline wastewater are also pointed out, and it makes such an important reference for the zero saline waste water discharge in thermal power plants.

thermal power plant, saline wastewater, zero liquid discharge, evaporation technology, evaporation crystallization, spraying crystallization, wastewater treatment

Natural Science Foundation of Hebei Province (E2016502027); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2017MS124); Scientific Research Project of Education Department of Hebei Province (Z2015119)

時(shí)國(guó)華(1980—)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電領(lǐng)域中新能源應(yīng)用及能效技術(shù)，g.h.shi@ncepu.edu.cn。

X703

A

10.19666/j.rlfd.201808143

時(shí)國(guó)華, 王佳, 楊林棣, 等. 我國(guó)火電廠含鹽廢水蒸發(fā)/結(jié)晶技術(shù)進(jìn)展[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(3): 1-6. SHI Guohua, WANG Jia, YANG Lindi, et al. Technical progress of evaporation/crystallization for saline wastewater in Chinese thermal power plants[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 1-6.

2018-08-09

河北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(E2016502027)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2017MS124)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Z2015119)

王佳(1992—)，女，碩士研究生，jiawangha@outlook.com。

（責(zé)任編輯 李園）