時國華，王 佳，楊林棣，張金瑞

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我國火電廠含鹽廢水蒸發(fā)/結晶技術進展

時國華1，王 佳1，楊林棣1，張金瑞2

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003； 2.河南省電力勘測設計院，河南 鄭州 450007）

火電廠含鹽廢水排放對環(huán)境污染嚴重，而單一常規(guī)的物理、化學、生物等水處理方法難以達到廢水水質排放要求。本文根據火電廠水處理中存在的問題，結合國家對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特點，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)結晶零排放技術，列舉了蒸發(fā)結晶技術在燃煤電廠廢水處理的應用，指出了噴霧結晶技術處理含鹽廢水的優(yōu)勢，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；蒸發(fā)結晶；噴霧結晶；廢水處理

我國淡水資源極其有限且分布不均，水環(huán)境污染嚴重。火電企業(yè)用水需求大且成本高，水正在成為影響火電企業(yè)經濟效益的主要因素。隨著《中華人民共和國環(huán)境保護法》《國務院辦公廳關于推行環(huán)境污染第三方治理的意見》《水污染防治行動計劃》、《中國制造2025》等一系列相關政策相繼出臺和實施，提高火電企業(yè)用水效率，實現水資源的梯級利用和廢水零排放，已經成為火電企業(yè)實現可持續(xù)發(fā)展的必由之路[1]。

電廠高含鹽廢水（總含鹽量>1%）主要來自脫硫廢水（燃煤電廠）和化學酸堿廢水，這些廢水含有以Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等為主的大量無機鹽[2-3]，高含鹽廢水雖在全廠用水中占比不大，卻是制約電廠實現廢水零排放的主要因素[4]，也是目前研究的熱點。近年來我國火電廠高含鹽廢水多是經初步處理后直接排放，造成了嚴重的環(huán)境污染和水資源浪費，尋找技術穩(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

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，溶質濃度增大，進而進行含鹽水處理或結晶鹽回收的方法。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濟有效的辦法，其產生的冷凝水可以直接作為電廠鍋爐用水，也可以進一步處理后直接飲用，而結晶鹽則可處理成工業(yè)鹽加以利用，實現零排放目的[5-6]。

1.1 多級閃蒸

多級閃蒸（MSF）脫鹽技術由英國學者Silver R S在1957年提出[7]，其工藝流程如圖2所示。鹽水首先通過閃蒸室頂部的冷凝管束，在冷凝管束中被各級閃蒸室內生成的逐漸升溫的蒸汽預熱，最后經由鹽水加熱器加熱的蒸汽（汽輪機低壓抽汽[8]）加熱到最高溫度（90~115 ℃）后進入第一級閃蒸室。由于閃蒸室中的壓力低于鹽水在該溫度下所對應的飽和蒸汽壓力，鹽水迅速沸騰，直到溫度降到沸點。其中，一部分鹽水汽化，生成的蒸汽通過除霧器去除溶解的鹽類物質后，在頂部的進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壓力較低的閃蒸室繼續(xù)上述過程。MSF系統(tǒng)必須有一個真空裝置來去除不可冷凝氣體，并維持所需的負壓[9]。

圖2 多級閃蒸流程

MSF法常用于海水淡化、火電廠鍋爐供水、食品、化工、廢水治理等領域，在海水淡化領域已商業(yè)化應用30余年，淡水生產能力可達5 000~75 000 m3/d[10-12]。MSF法很少單獨用于處理鹽水，常與膜法、多效蒸發(fā)技術等結合使用，以提高系統(tǒng)處理效果。Mabrouk A N等[13]設計的多級閃蒸和機械蒸汽壓縮相結合（MSF-MVR）脫鹽系統(tǒng)，通過視覺設計仿真（VDS）對系統(tǒng)不同工況的模擬，得出該系統(tǒng)的性能系數是傳統(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)由多個蒸發(fā)器串聯而成，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、相應加熱蒸汽溫度與溶液沸點依次降低[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，實現二次蒸汽的再利用，大大降低抽取背壓蒸汽對電廠發(fā)電的影響，減緩設備的腐蝕和結垢，達到節(jié)能的目的[15-16]。

MED法最早應用于海水淡化，近年來不斷發(fā)展，已廣泛應用于果汁濃縮、造紙業(yè)和廢堿液回收等，淡水生產能力可達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，并利用MED裝置內發(fā)生的閃蒸過程，確定了系統(tǒng)的最佳方案及最優(yōu)運行條件；經過案例驗證，該系統(tǒng)結構節(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，并擴展至混合熱力脫鹽裝置，在熱電聯產中展示了顯著的優(yōu)越性。

1.3 機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)

作為20世紀90年代末開發(fā)出來的新型高效節(jié)能蒸發(fā)技術，機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)（MVR）又可稱為熱泵技術，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，經壓縮風機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MVR裝置生產能力約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 機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)處理裝置基本原理

我國MVR技術的相關研究雖起步較晚，但已成為國家重點推廣的節(jié)能環(huán)保技術之一，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、含重金屬廢水等）等領域商業(yè)化應用運行良好[24-25]。毛彥霞[26]進行了內置式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研究，發(fā)現其處理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91.2%，證明該裝置基本可行。為了盡早實現MVR技術在高鹽有機廢水零排放領域的推廣與應用，我國科研人員還需在MVR設備國產化和操作條件優(yōu)化等方面深入開展研究工作，以降低設備成本[27]。

1.4 噴霧蒸發(fā)

噴霧蒸發(fā)（SED）是近期發(fā)展起來的一項新的非常規(guī)強化蒸發(fā)脫鹽技術，屬于增濕-除濕技術的一種，其原理是依據雙流體霧化原理使?jié)恹}水在熱空氣中霧化并迅速蒸發(fā)，在相變過程中實現固液分離[28-29]。SED可充分利用廢熱廢氣，水回收率高達90%以上，可直接形成鹽晶，實現零排放。閃蒸是噴霧蒸發(fā)的常見蒸發(fā)形式[30]。趙子競[31]通過進行液滴蒸發(fā)零維模型的MATLAB模擬、Fluent離散相三維模型仿真及相關實驗驗證，得出當空氣初始溫度為90 ℃、噴霧溫度為20 ℃、氣液體積比為45 000時，直徑為0.1 mm的霧滴在1.29 s內完全蒸發(fā)，實現了零排放，此時空氣相對濕度為78 %，而當氣液體積比降至40 000、液滴直徑降至0.0 367 mm時達到氣液平衡，空氣處于飽和狀態(tài)。此外，某大學設計的噴霧蒸發(fā)技術設備可以把146 790 mg/L的高質量濃度鹽水濃縮為351 880 mg/L，技術性能穩(wěn)定[32]。

SED法在食品、化工等領域應用廣泛，但在廢水處理中應用較少[33-35]。在國內，蒸發(fā)塘利用機械SED技術[36]，大大增加了蒸發(fā)速度，減小了蒸發(fā)塘面積。燃煤電廠針對濕法脫硫廢水的特點，通常結合爐后煙風系統(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脫硫廢水迅速完成噴霧蒸發(fā)，溶解物迅速結晶并被除塵器捕集[37]，實現脫硫廢水的近零排放。SED法與傳統(tǒng)的RO、MSF、MED等方法聯合運用，可以大大增加高鹽廢水的濃縮率，提高整個脫鹽系統(tǒng)的綜合經濟效益。

1.5 蒸發(fā)法技術比較

MED、MSF、MVR、SED幾種主要蒸發(fā)法在節(jié)能性、環(huán)保性、經濟性及規(guī)模和預處理要求方面的比較見表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、預處理簡單、不易結垢及環(huán)保性良好等優(yōu)點，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晶，經濟性好、節(jié)能效果顯著，能克服常規(guī)處理方法的缺點，具有較大的研究價值。但是，含鹽廢水的復雜性使得單一技術難以實現對含鹽廢水的高效節(jié)能處理，因此，技術集成優(yōu)化是火電廠含鹽廢水處理技術發(fā)展的重要趨勢[38-39]。

表1 主要蒸發(fā)技術比較

Tab.1 Comparison of major evaporation technologies

2 蒸發(fā)結晶技術及應用案例

2.1 蒸發(fā)結晶技術

蒸發(fā)結晶技術路線一般為“預處理單元”+“減量濃縮單元”+“蒸發(fā)結晶單元”，廢水必須經相應預處理再送入蒸發(fā)結晶單元，若直接采用蒸發(fā)的方法處理，勢必會消耗大量蒸汽和電力。蒸發(fā)結晶單元是整個脫硫廢水零排放系統(tǒng)的關鍵，主要包括前面所述各種蒸發(fā)法及噴霧干燥/結晶等，其本質均為通過末端廢水的物理性蒸發(fā)實現鹽與水的分離。

圖5[40]給出了8個利用蒸發(fā)結晶技術實現零排放的較常用工藝，即：預處理+MVC濃縮+MVC結晶、預處理+多級預熱+多效蒸發(fā)（MED）+結晶、預處理+高壓反滲透+MVC蒸發(fā)+MVC結晶、預處理+膜濃縮+正滲透+機械蒸發(fā)（MVC）結晶、預處理+MVC蒸發(fā)+三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)結晶、預處理+MED結晶、Na2CO3軟化+多效立管降膜蒸發(fā)+結晶、臥管噴淋薄膜蒸發(fā)+結晶。

圖5 常用蒸發(fā)結晶零排放技術

蒸發(fā)結晶技術是一種有效的脫鹽技術，但其投資及運行成本較高，綜合考慮經濟性和環(huán)保要求，在現場開展中試工作，確定合適的蒸發(fā)結晶廢水零排放技術應為今后火電廠廢水處理的重中之重。

2.2 蒸發(fā)結晶技術應用案例

目前國內已有十幾家火電廠運用不同的蒸發(fā)結晶技術實現了含鹽廢水零排放，典型案例及應用效果見表2。由表2可知，這幾家電廠采用的末端蒸發(fā)結晶技術為多效強制循環(huán)蒸發(fā)結晶或機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結晶，雖然從不同程度上實現了零排放，但仍存在經濟投資大、結晶鹽是雜鹽等問題。因此，尋找能夠商業(yè)化應用的火電廠含鹽廢水零排放普適技術成為火電廠當前急需解決的首要問題。

表2 蒸發(fā)結晶技術實際應用效果

Tab.2 The application cases of evaporation crystallization technology

3 結 語

蒸發(fā)結晶技術通過預處理改善廢水水質，減少取排水水量，提高循環(huán)水濃縮效果，減少高鹽廢水量，最終實現電廠含鹽廢水零排放。但國內真正實現零排放的電廠很少，而且都集中在燃煤電廠，燃氣電廠還沒有相關零排放項目實施，技術、投資、運行成本均是制約零排放實施的重要因素。

噴霧蒸發(fā)結晶技術作為處理含鹽廢水較節(jié)能經濟有效的新方法，具有較大的發(fā)展前景。燃氣電廠的壓縮空氣具有較大的壓力能，若能加以利用，通過噴霧蒸發(fā)輔助霧化濃鹽水，則對電廠含鹽廢水處理將會是一個新的飛躍。

根據火電廠含鹽廢水處理現狀，結合火電廠現有熱源，借鑒其他領域的成熟技術，對現有火電廠含鹽廢水處理技術進行改造是現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)

時國華(1980—)，男，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為發(fā)電領域中新能源應用及能效技術，g.h.shi@ncepu.edu.cn。

X703

A

10.19666/j.rlfd.201808143

時國華, 王佳, 楊林棣, 等. 我國火電廠含鹽廢水蒸發(fā)/結晶技術進展[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

河北省自然科學基金面上項目(E2016502027)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2017MS124)；河北省高等學?？茖W技術研究項目(Z2015119)

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

（責任編輯 李園）