謝志文,馮永新,趙 寧,林廷坤,陳 拓

(1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院,廣東 廣州 510000；2.廣東電科院能源技術有限責任公司,廣東 廣州 510000)

目前,大多數(shù)的燃煤電廠均采用石灰石-石膏濕法脫硫技術,該技術雖然具有脫硫效率高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,但該技術產生了大量的脫硫廢水[1]。脫硫廢水一般呈現(xiàn)弱酸性,其中含有大量懸浮物、重金屬離子及可溶性鹽分等,其中Cl-的濃度可達10000-20000mg/L,已成為廢水處理的難題[2]。

國務院在2015 年4 月發(fā)布了《水污染防治行動計劃》,該行動計劃中對于工業(yè)廢水的處理部分提出了更為嚴格的要求。環(huán)保部在2017 年1 月發(fā)布了《火電廠污染防治技術政策》,該政策中明確規(guī)定了火電廠對于水污染的防治應遵循分類處理、一水多用的原則,并且鼓勵火電廠實現(xiàn)廢水的循環(huán)使用不外排。因此,探索更為有效的零排放技術勢在必行。

1 脫硫廢水水質特征

應用石灰石-石膏濕法脫硫技術時,為了確保脫硫塔內漿液循環(huán)系統(tǒng)的物料平衡,同時也為了確保脫硫效率及產出石膏的品質,必須定期的從脫硫裝置中排出一部分廢水,即脫硫廢水。脫硫廢水的水質特點如下[3]：(1)呈弱酸性,pH 值在4～6 之間；(2)懸浮物含量高,其中包含石膏顆粒物、SiO2、硫酸鹽等；(3)重金屬離子含量高,其中包含汞離子、鉛離子、鉻離子、砷、硒等；(4)易結垢性離子含量高,其中包含鈣離子、鎂離子、硅等；(5)腐蝕性離子含量高,其中含有硫酸根離子、氯離子等,氯離子含量在5000～20,000mg/L[4]；(6)水質波動較大,脫硫廢水水質與電廠使用的煤種、脫硫工藝技術及運行方式等多種因素相關。因此,為了實現(xiàn)脫硫廢水零排放的要求,需根據(jù)不同種類污染物的特征進行以下的分段處理：預處理、濃縮減量和蒸發(fā)固化。

2 脫硫廢水預處理

為避免在處理過程中出現(xiàn)設備結垢的現(xiàn)象,需對脫硫廢水中的Ca2+、Mg2+、SiO2等易結垢性離子進行處理。預處理的方法有石灰-碳酸鈉法、氫氧化鈉-碳酸鈉法。相比較石灰-碳酸鈉法,氫氧化鈉-碳酸鈉法需要藥劑量較少,且對Ca2+、Mg2+去除率較高,但對于SO42+去除率較低[5]。此外,經濕法脫硫系統(tǒng)后的煙氣可起到代替碳酸鈉的作用,用于去除脫硫廢水中的Ca2+[6],雖然該方法成本較低,但該技術不成熟,未見工程實例。

3 濃縮減量

為了進一步除去水中的溶解性固體,在預處理后對廢水進行濃縮減量,主要的濃縮減量技術有膜濃縮、熱法濃縮等技術。濃縮減量可有效回收水資源,同時降低了需要繼續(xù)處理的廢水量,降低了后續(xù)蒸發(fā)固化成本。

3.1 膜濃縮

現(xiàn)階段,火電廠常用的脫硫廢水濃縮減量技術主要是膜濃縮處理工藝。常見的膜濃縮技術有：反滲透(RO)、正滲透(FO)、電滲析(ED)和膜蒸餾(MD)等。

反滲透(RO)是滲透的逆過程,反滲透以壓力差為驅動力,推動溶液中的溶質在半透膜的過濾作用下與溶劑分離,可去除水溶液中大于98%的溶解鹽離子和大于99%的膠體、微生物等。反滲透過程具有凈化效率高、運行穩(wěn)定、能耗較低等優(yōu)點[7]。目前該技術已廣泛應用在工業(yè)廢水處理、生活污水處理、海水淡化等領域。

正滲透技術以滲透壓差為驅動力,推動溶液中的水通過選擇性滲透膜自發(fā)的從高水化學勢溶液流向低水化學勢溶液。在脫硫廢水處理過程中,水通過選擇性滲透膜從脫硫廢水部分流向吸取液部分。正滲透技術具有低能耗、高回收率、低污染、不易結垢等優(yōu)點[8],但是,汲取液的選擇與回收利用也成為該技術的難點。

3.2 熱法濃縮技術

目前廢水濃縮蒸發(fā)減量技術主要有多效強制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)(MED)、立管降(升)膜機械蒸汽壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)(立管MVC、MVR)、臥式噴淋機械蒸汽壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)(臥式MVC)等。蒸發(fā)系統(tǒng)通過加熱廢水,水分在高溫下大量汽化,使其濃縮減量、結晶析出,蒸發(fā)后經冷凝的水回收利用。在脫硫廢水處理方面,熱法濃縮具有以下2 點顯著優(yōu)勢[9]：(1)熱法濃縮對于進水水質要求低。一方面,這意味著熱法濃縮可以較好的適應脫硫廢水水質變化大,成分復雜的特點,有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；另一方面,較好的水質適應性使得濃縮模塊的前置預處理模塊加藥量減少。(2)可以實現(xiàn)淡水的高效回收利用。一方面,熱法濃縮工藝可以最高回收90%的淡水；另外,熱法濃縮的淡水水質明顯高于膜法,回收的淡水可以直接送至化水車間超濾水箱加以利用。

3.3 低溫煙氣旁路蒸發(fā)濃縮技術

除了上述常用濃縮技術外,還有采用在除塵器與脫硫塔之間引入旁路煙氣對脫硫廢水進行蒸發(fā)濃縮,煙氣與廢水在濃縮塔內直接接觸換熱,濃漿液通過壓濾機進行固液分離[10]。國電成都金堂電廠2×600MW 燃煤機組采用該技術進行中試,其擁有兩套脫硫系統(tǒng),廢水最大排量為12m3/h,煙氣余熱蒸發(fā)裝置按單臺機組半負荷排放量設計,設計處理廢水量為1.5t/h,煙氣用量約為4.5 萬Nm3/h,濃縮塔直徑為2.5m,高度約16m。江蘇泰州電廠2 號機(1000MW)也采用了該濃縮技術方案。該濃縮技術利用低溫煙氣余熱濃縮脫硫廢水,不需要消耗其他熱源,但需在脫硫塔附近專門構建一座濃縮塔,投資費用較高,且大量水分蒸發(fā)進入煙氣,有可能影響后續(xù)濕法脫硫系統(tǒng)水平衡。目前該濃縮方案應用案列較少。

4 末端高鹽廢水固化處理

脫硫廢水末端固化常用的方法有蒸發(fā)結晶、煙道(主煙道、旁路煙道)蒸發(fā)技術等,脫硫廢水中的液態(tài)水經高溫蒸發(fā)汽化成水蒸氣,隨煙氣回到濕法脫硫系統(tǒng)中作為脫硫補水,廢水中的鹽分雜質高溫固化成結晶鹽,經灰斗排出后進行分類利用,從而達到脫硫廢水零排放的目的。

4.1 蒸發(fā)結晶

蒸發(fā)結晶工藝利用膜法或者熱法對廢水進行處理產生凈水和濃水,濃水利用結晶器進一步處理產生蒸餾水和鹽,目前成熟應用的蒸發(fā)結晶技術主要有多效蒸發(fā)(MED)、蒸汽機械再壓縮(MVR)、熱力蒸汽壓縮(TVR)、低溫常壓蒸發(fā)(NED)。MED 和MVR 在國內電力行業(yè)均有應用實例,NED 在國內電力行業(yè)無應用實例,但在石化行業(yè)有應用實例。國內廢水零排放運行較好的火力發(fā)電廠如廣東河源電廠采用了MED 技術,三水電廠采用了MVR 技術。

此工藝路線有實際應用案例,蒸發(fā)結晶系統(tǒng)在化工食品藥品行業(yè)應用廣泛,工藝路線較成熟。但是能耗較高,而且為了保證蒸發(fā)結晶系統(tǒng)不結垢,需對廢水進行深度去除硬度處理,藥品消耗較多,因此該工藝須結合其它的濃縮工藝設置處理方案。

4.2 煙道蒸發(fā)法

煙道蒸發(fā)法可分為主煙道蒸發(fā)法和旁路煙氣蒸發(fā)法,旁路煙氣蒸發(fā)又根據(jù)不同的工藝路線分為旁路煙道蒸發(fā)法和旋轉霧化塔蒸發(fā)法等。

4.2.1 主煙道蒸發(fā)法

主煙道蒸發(fā)的基本原理是將脫硫廢水與壓縮空氣經雙流體噴嘴霧化后,噴入空氣預熱器和除塵器之間的主煙道,利用空氣預熱器后的熱煙氣將脫硫廢水完全蒸發(fā),廢水中的鹽類及雜質轉化成固體結晶物隨煙氣在除塵器中被補集,蒸發(fā)后的水蒸氣隨煙氣進入脫硫系統(tǒng)冷凝后作為脫硫補水,從而實現(xiàn)脫硫廢水的零排放[11]。

主煙道蒸發(fā)法在電廠原有系統(tǒng)上無需加設大型設備,相比于蒸發(fā)結晶技術,投資成本較低,且占地面積較??；同時,該技術利用空氣預熱后的低溫熱煙氣作為脫硫廢水的蒸汽源,不會影響機組煤耗。但該技術在實際應用中也存在著很大問題,因脫硫廢水呈弱酸性且其中含有大量氯離子,蒸發(fā)效果不佳時會引起下游煙道積灰、堵塞和腐蝕等問題,甚至還會影響后續(xù)除塵器等設備的運行穩(wěn)定性；同時,噴嘴也易發(fā)生結垢現(xiàn)象；該技術對于預處理要求較高,增設相應設備也會增加工藝流程的復雜性；另外,大部分機組在空氣預熱器和電除塵之間增設了低低溫省煤器(MGGH),導致安裝空間受限。

目前,內蒙古華能上都發(fā)電廠4 號機組(600MW)采用此技術實施脫硫廢水零排放工程,據(jù)實際應用報道,未對后續(xù)除塵器及脫硫系統(tǒng)帶來不利影響。

4.2.2 旁路煙道蒸發(fā)法

旁路煙道蒸發(fā)法的基本原理是將脫硫廢水與壓縮空氣經雙流體噴嘴霧化后,噴入到與空氣預熱器并聯(lián)的旁路煙道中,利用抽取自空氣預熱器之前的熱煙氣將脫硫廢水完全蒸發(fā),廢水中的鹽類及雜質轉化成固體結晶物隨煙氣經過旁路煙道后在除塵器中被捕集,蒸發(fā)后的水蒸氣隨煙氣進入脫硫系統(tǒng)冷凝后作為脫硫補水,從而實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。旁路煙道蒸發(fā)法取用空氣預熱器前的高溫熱煙氣作為脫硫廢水的蒸汽源,可以確保廢水快速高效蒸干[12],但該技術取用了空氣預熱器前的高溫熱煙氣,會影響鍋爐熱效率,增加煤耗；同時,該技術依然存在著噴嘴結垢的風險,也會造成旁路煙道的積灰,因此需要對噴嘴進行定期的清洗和更換；且需要對脫硫廢水進行預處理和濃縮,增設相應設備也會增加工藝流程的復雜性。

目前,山西省大唐陽城電廠已完成旁路煙道蒸發(fā)工藝的中試試驗,電廠裝機容量為一臺350MW,處理水量為2t/h,采用技術路線為“雙堿軟化+雙膜法濃縮+高溫旁路煙道蒸發(fā)”,系統(tǒng)脫鹽率可達97%,淡水回收率可達60%。

4.2.3 旋轉噴霧蒸發(fā)

旋轉噴霧蒸發(fā)的基本原理是將脫硫廢水經旋轉霧化器霧化后,噴入到旁路干燥塔中,利用抽取自空氣預熱器之前的熱煙氣將脫硫廢水完全蒸發(fā),廢水中的鹽類及雜質轉化成固體結晶物后,一部分隨煙氣經干燥塔出口煙道后在除塵器中被捕集,另一部分落入干燥塔底的灰斗中,蒸發(fā)后的水蒸氣隨煙氣進入脫硫系統(tǒng)冷凝后作為脫硫補水,從而實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。旋轉噴霧蒸發(fā)的關鍵就是旋轉霧化器,旋轉霧化器可將廢水溶液霧化成平均直徑為10μm-120μm 的小霧滴,高溫熱煙氣經過氣體分布器后與小液滴充分混合,使水分被迅速蒸發(fā)。通過調節(jié)煙氣流量、脫硫廢水流速、霧化器轉速等,使脫硫廢水霧滴在到達干燥塔壁面之前已被完全蒸干,防止粘壁現(xiàn)象的發(fā)生。旋轉噴霧蒸發(fā)工藝流程較為簡單,投資及運行費用相對較低；該技術對廢水適應性較強且無需對廢水進行預處理；另外,旋轉噴霧干燥塔獨立于主系統(tǒng)外,對主系統(tǒng)影響較小且方便維修。但該技術在工程上依然存在著一系列的問題,如何降低煤耗、電耗以及對干燥塔內部的流場優(yōu)化和廢水蒸發(fā)特性方面依然需要進一步探究。

目前,山西臨汾熱電有限公司1 號鍋爐采用旋轉噴霧蒸發(fā)技術,機組滿負荷的工況下,抽取3-5%的高溫煙氣量,處理脫硫廢水的能力為5t/h。機組運行半年后,噴霧干燥塔內部僅有少量干燥及松散的積灰,未發(fā)生腐蝕與結垢的現(xiàn)象,運行狀態(tài)良好。

5 結論與展望

脫硫廢水零排放技術的核心在于末端廢水零排放技術,根據(jù)脫硫廢水水量及水質的不同,選擇適宜的軟化預處理和濃縮減量技術,可減輕末端高鹽廢水處理負荷。軟化預處理技術中,石灰石-碳酸鈉法和氫氧化鈉-碳酸鈉法已較為成熟,但煙氣代替碳酸鈉法因其極低的運行成本而極具發(fā)展前景；在膜濃縮法中,反滲透技術是目前較為成熟的技術,但膜蒸餾法具有接近100%的脫鹽率,極具發(fā)展前景；在末端高鹽廢水處理中,蒸發(fā)結晶法雖有可回收水資源和結晶鹽的優(yōu)勢,但該技術所需占地面積較大且投資運行費用較高；煙道蒸發(fā)法中,旋轉噴霧蒸發(fā)因其效率高、水質適應性高、無需預處理且對主系統(tǒng)幾乎無影響的優(yōu)勢,極具發(fā)展前景。

目前,我國脫硫廢水零排放工程依然處于探索階段,很多技術因其獨有的優(yōu)勢需要對其進行更深一步的研究。因此,如何將各技術的優(yōu)勢最大化以及根據(jù)不同的脫硫廢水排放情況進行工藝組合,實現(xiàn)高效經濟的廢水零排放及結晶鹽的綜合利用,將是脫硫廢水零排放需要關注的問題。