石灰石-石膏法濕法脫硫工藝是我國燃煤電廠目前最成熟，同時(shí)也是應(yīng)用最為廣泛的脫硫技術(shù)。該工藝排出的脫硫廢水具有高含鹽量、高硬度、高氯離子、較強(qiáng)腐蝕性和結(jié)垢性、水質(zhì)波動大的特點(diǎn)。近年來，隨著環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，燃煤電廠脫硫廢水處理正朝著零排放和資源化方向發(fā)展。

燃煤電廠脫硫廢水零排放工藝流程主要分為3 部分：預(yù)處理、濃縮減量和末端零排放處理。目前主要采用熱法對濃縮后的高含鹽廢水進(jìn)行固化處理，主要包括煙道蒸發(fā)技術(shù)、多效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)(MED)和機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)(MVR)。與前兩種技術(shù)相比，MVR 不但可以得到高純度的結(jié)晶鹽，同時(shí)具有設(shè)備緊湊、熱效高、低溫操作、不需要額外蒸汽驅(qū)動等優(yōu)點(diǎn)。

本文以國內(nèi)某燃煤電廠脫硫廢水經(jīng)濃縮減量后的水質(zhì)為參考，提出一種新的擴(kuò)容蒸發(fā)—機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR)工藝，用Aspen Plus 軟件建立了相關(guān)模型，并對模型進(jìn)行了簡單驗(yàn)證。探究了換熱器溫升、閃蒸罐前鹽水溫度、蒸發(fā)壓力及余熱回收等因素對系統(tǒng)功耗及性能系數(shù)的影響。

1 工藝流程

本文提出的工藝流程如圖1 所示，主要由2 擴(kuò)容蒸發(fā)系統(tǒng)和機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）系統(tǒng)組成。

圖1 擴(kuò)容蒸發(fā)-機(jī)械蒸汽再壓縮工藝流程圖

在工藝流程中，脫硫廢水濃縮液先經(jīng)過預(yù)熱器加熱后進(jìn)入換熱器1，經(jīng)低溫?zé)煔饧訜岷筮M(jìn)入閃蒸罐絕熱閃蒸，出口閃蒸蒸汽與MVR 系統(tǒng)產(chǎn)生的閃蒸蒸汽混合，然后進(jìn)入壓縮機(jī)升溫升壓，作為MVR 系統(tǒng)的熱源加熱循環(huán)料液，而閃蒸罐排出的飽和料液則與循環(huán)料液混合后進(jìn)入換熱器2 進(jìn)行加熱升溫，接著料液進(jìn)入蒸發(fā)室蒸發(fā)，其中產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)除霧器后與閃蒸罐產(chǎn)生的二次蒸汽混合進(jìn)入壓縮機(jī)，產(chǎn)生的飽和料液進(jìn)入離心器進(jìn)行結(jié)晶，最終離心器出口為結(jié)晶鹽及循環(huán)料液。

進(jìn)口高含鹽廢水經(jīng)擴(kuò)容蒸發(fā)—機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)后，產(chǎn)生二級工業(yè)鹽及冷凝水，與煙道直接蒸發(fā)和旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)相比，既實(shí)現(xiàn)了水分的回收，又實(shí)現(xiàn)了鹽分的利用，是真正意義上的廢水零排放。

2 建模過程及模型驗(yàn)證

Aspen Plus 是大型通用流程模擬軟件，廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，大量使用者采用此軟件對工藝流程進(jìn)行模擬計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。本文利用Aspen Plus建立了擴(kuò)容蒸發(fā)—MVR 高含鹽廢水處理工藝的流程模型，并進(jìn)行了模擬計(jì)算。

2.1 組分定義

文中以燃煤電廠經(jīng)預(yù)處理和濃縮減量的脫硫廢水為原型，模擬中忽略微量離子，采用電解質(zhì)向?qū)lecrolyte Wizard 定義該體系中的組分。

2.2 物性方法

對于高含鹽廢水，采用ELECNRTL 物性方法進(jìn)行計(jì)算，此物性方法適用于電解質(zhì)體系。

2.3 建立模型

根據(jù)各個(gè)模塊功能建立整個(gè)工藝系統(tǒng)模型，如圖2 所示。

圖2 擴(kuò)容蒸發(fā)-機(jī)械蒸汽再壓縮工藝系統(tǒng)模型

在建模過程中考慮了4 項(xiàng)基本假設(shè)：①系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下工作；②忽略給料泵的功耗；③整個(gè)系統(tǒng)熱損失約為5%；④考慮沸點(diǎn)升高對實(shí)驗(yàn)的影響。

2.4 模型驗(yàn)證

在整個(gè)工藝系統(tǒng)中，MVR 子系統(tǒng)作為整個(gè)工藝的核心，其仿真模型準(zhǔn)確性對整個(gè)模擬起著至關(guān)重要的作用，以下模擬將對MVR 系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)已有數(shù)據(jù)設(shè)入口條件：①廢水進(jìn)口為濃度20%，溫度70℃的飽和硫酸銨溶液。②二次蒸汽壓縮比為1.8，壓縮機(jī)效率為0.8，入口為純飽和蒸汽。③采用絕熱閃蒸，操作溫度在70℃。④采用絕熱結(jié)晶及化學(xué)方法計(jì)算飽和度。

運(yùn)行程序后將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比，如表1 所示。

表1 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證表

由表1 數(shù)據(jù)可知，各關(guān)鍵參數(shù)都在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動范圍內(nèi)，可見模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，可以進(jìn)行工藝流程模擬。

3 模型計(jì)算與分析

以國內(nèi)某燃煤電廠經(jīng)預(yù)處理和濃縮減量后的脫硫廢水為參考，忽略微量離子的影響，入口為一定濃度的NaCl 溶液，通過改變閃蒸室前鹽水溫度、蒸發(fā)室壓力等參數(shù)，探究其對系統(tǒng)功耗及經(jīng)濟(jì)性影響。

3.1 系統(tǒng)功耗分析

圖3表示加熱器2 的冷端溫升對系統(tǒng)功耗及加熱器下端差的影響，隨著溫升值增大，循環(huán)泵功耗降低，而壓縮機(jī)功耗逐漸上升，總功耗先增大后減小最后緩慢上升，這主要是因?yàn)殡S著溫升值增大，單位料液在蒸發(fā)室中的蒸發(fā)量增大，在出口冷凝水不變的情況下，循環(huán)料液流量減小，所以循環(huán)泵功耗降低，與此同時(shí)，隨著溫升值增大，壓縮機(jī)壓縮比上升，壓縮機(jī)功耗上升。

圖3 功率消耗隨冷端溫升值變化趨勢

圖4中隨著加熱器冷端溫升值增大，換熱器下端差逐漸增大，這是因?yàn)殡S著換熱器冷端溫升增大，壓縮機(jī)壓縮比率增大，從而換熱器2 的出口冷凝液飽和壓力增大，冷凝溫度上升，在換熱器入口料液溫度不變的情況下，換熱器下端差上升，一般換熱器下端差要求5℃以上，當(dāng)換熱器冷端溫升值為3℃，此時(shí)出口下端差為5℃，且系統(tǒng)功耗出現(xiàn)極小值，因此溫升值為3℃為最佳選擇。

圖4 換熱器下端差隨加熱器冷端溫升值變化曲線

圖5 中表示蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)功耗的影響，循環(huán)泵功隨著蒸發(fā)壓力的降低而降低，但趨勢較緩，而壓縮機(jī)功耗下降明顯，這主要因?yàn)殡S著蒸發(fā)室壓力降低，單位料液蒸發(fā)量增大，循環(huán)料液流量下降，從而導(dǎo)致循環(huán)泵功耗降低，同時(shí)由于蒸發(fā)室壓力降低，出口二次蒸汽溫度下降，在相同的壓縮比下，壓縮機(jī)功耗降低。但當(dāng)蒸發(fā)室壓力低于40kPa 時(shí)，換熱器2 熱端出口存在未飽和蒸汽，同時(shí)換熱端差較小，不適合此工藝，所以蒸發(fā)壓力應(yīng)在40kPa 時(shí)最佳。

圖5 功率消耗隨蒸發(fā)壓力變化趨勢

圖6 中表示系統(tǒng)總功耗隨閃蒸室前鹽水溫度的變化，隨著鹽水進(jìn)口溫度上升，總功耗成比例下降，這是因?yàn)殡S著鹽水進(jìn)口溫度的升高，閃蒸室出口蒸汽量增大，在總蒸發(fā)量1700kg/h 的前提下，MVR 系統(tǒng)蒸發(fā)室所需蒸發(fā)量減小，循環(huán)料液量也隨之降低，換熱器2 熱負(fù)荷降低，相應(yīng)的壓縮機(jī)壓縮比及功耗降低，所以系統(tǒng)總功耗降低，但當(dāng)鹽水溫度高于91℃，換熱器2 熱端出口出現(xiàn)未飽和蒸汽。綜上，閃蒸室前鹽水溫度應(yīng)為91℃最佳，此時(shí)每噸含鹽廢水的系統(tǒng)功耗為40.15kWh/t，而單MVR 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)功耗為62.5kWh/t，相對于單MVR 系統(tǒng)，擴(kuò)容蒸發(fā)—MVR 系統(tǒng)功耗最高可降低35.76%。

圖6 功率消耗隨鹽水進(jìn)口溫度變化曲線

3.2 熱力性能分析

一般采用利用蒸發(fā)能量消耗與外界輸入的能量比值作為衡量不同系統(tǒng)的熱力性能系數(shù)（EER），EER 的計(jì)算公式為：

圖7 中表示鹽水進(jìn)口溫度及有無余熱回收時(shí)對系統(tǒng)熱力性能系數(shù)的影響，隨著鹽水進(jìn)口溫度的上升，熱力性能系數(shù)上升，這主要是因?yàn)辂}水進(jìn)口溫度上升，壓縮機(jī)功耗降低，盡管系統(tǒng)熱耗有所上升，但總能耗下降，所以熱力性能系數(shù)增大，當(dāng)閃蒸室前鹽水溫度為91℃、加熱器2 冷端溫升3℃時(shí)，此時(shí)的熱力性能系數(shù)為9.02。

圖7 熱力性能系隨鹽水進(jìn)口溫度變化趨勢

4 結(jié)論

在系統(tǒng)出口為冷凝水和結(jié)晶鹽的前提下，系統(tǒng)功耗隨著加熱器2 冷端溫升值的增大先上升后下降，接著緩慢上升，在冷端溫升值為3℃，系統(tǒng)功耗最小40.15kWh/t。

隨著蒸發(fā)室內(nèi)蒸發(fā)壓力的降低，系統(tǒng)功耗也跟著降低，為保證合適的換熱端差，最佳蒸發(fā)壓力應(yīng)為40kPa。

隨著進(jìn)口鹽水溫度的升高，系統(tǒng)功耗逐漸降低，當(dāng)進(jìn)口鹽水溫度為91℃時(shí)，系統(tǒng)功耗最小，與單MVR 系統(tǒng)功耗62.5kWh/t相比，擴(kuò)容蒸發(fā)-機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)功耗最高可降低35.76%。

系統(tǒng)技術(shù)熱能系數(shù)隨著鹽水進(jìn)口溫度的升高而增大，與余熱未回收相比，余熱回收可顯著提高系統(tǒng)技術(shù)性能系數(shù)，性能系數(shù)最高為9.02。