張愛民，趙 飛，鄭銘灝

(1．華能國際電力股份有限公司南京電廠，江蘇 南京 211500；2. 盛發(fā)環(huán)?？萍?廈門)有限公司，福建 廈門 361000)

0 引言

目前，國內(nèi)應(yīng)用范圍較廣的煙氣脫硫技術(shù)主要有氨法、石灰石-石膏法、煙氣循環(huán)流化床法、海水法等[1]。其中石灰石-石膏濕法煙氣脫硫由于其技術(shù)成熟、脫硫效率高、適應(yīng)性強等優(yōu)點，在我國燃煤電廠的脫硫工藝中應(yīng)用廣泛[2-3]。但是，該方法在脫硫過程中會產(chǎn)生含鹽量高、成分復(fù)雜、腐蝕性強的脫硫廢水。近年來，隨著環(huán)保法規(guī)的逐漸完善，國家對燃煤電廠中污染物的排放要求也越來越高。2015年，《水污染行動計劃》(簡稱“水十條”)將工業(yè)污染的防治工作列為國家發(fā)展的重要任務(wù)[4]。2017年環(huán)保部頒布的《火電廠污染防治技術(shù)政策》中鼓勵燃煤電廠廢水綜合回用，《火電廠污染防治最佳可行技術(shù)指南》中提出了鼓勵利用余熱蒸發(fā)干燥、結(jié)晶等處理工藝實現(xiàn)脫硫廢水近零排放的觀點[5]。

脫硫廢水零排放處理的工藝主要有：煙氣蒸發(fā)固化、多效蒸發(fā)結(jié)晶、MVR蒸發(fā)結(jié)晶、膜處理和煙氣余熱濃縮。其中，煙氣蒸發(fā)固化是利用鍋爐煙氣的熱量，通過直接換熱將廢水直接蒸干，蒸發(fā)生成的固體顆粒物附著在煙塵顆粒上，由除塵器捕集隨粉煤灰進行資源化利用。該工藝無額外廢棄物產(chǎn)生，且蒸發(fā)后產(chǎn)生的水蒸氣可用于濕法脫硫系統(tǒng)的工藝補水[6]。由于該工藝投資及運行成本低、流程簡單、無二次污染等優(yōu)點，逐漸成為脫硫廢水處理的主流工藝。燃煤電廠脫硫廢水煙氣蒸發(fā)固化工藝主要分為高溫旁路煙道蒸發(fā)和直接煙道蒸發(fā)兩種技術(shù)。在電廠機組負荷普遍偏低的新常態(tài)下，直接煙道蒸發(fā)技術(shù)在實際工程中易出現(xiàn)廢水難以完全蒸干致使煙道腐蝕和積灰的現(xiàn)象；尤其是順應(yīng)國家號召而安裝低溫省煤器的電廠，其尾部煙道可利用的有效蒸發(fā)長度變短，更不利于廢水蒸發(fā)[7]。

為克服直接煙道蒸發(fā)的缺點，高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)運而生。根據(jù)霧化形式的不同，高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)可分為“旁路煙道旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)技術(shù)”和“雙流體旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)”。本文對這兩種技術(shù)的應(yīng)用情況進行了充分的市場調(diào)研，并深入分析了各自的技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用邊界，最后針對項目現(xiàn)場存在的問題進行了討論與總結(jié)，以期為后續(xù)項目的實施提供借鑒與參考。

1 高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)

高溫旁路煙氣蒸發(fā)技術(shù)是在直接煙道蒸發(fā)技術(shù)上進行的優(yōu)化，其原理是通過抽取處于SNCR后、空預(yù)器前的部分300～350℃熱煙氣作為干燥介質(zhì)，將熱煙氣和經(jīng)霧化器霧化后的霧滴在旁路煙道蒸發(fā)器內(nèi)進行迅速的傳質(zhì)傳熱，完成干燥過程；干燥產(chǎn)物附著在煙氣中粉塵顆粒上，隨熱煙氣一起返回主煙道，最終被除塵器捕集后進入粉煤灰進行資源化利用[8]。結(jié)合實際工程經(jīng)驗可知，其設(shè)計蒸發(fā)廢水量每100MW容量不應(yīng)超過1t/h；抽取高溫?zé)煔饪偭坎粦?yīng)大于鍋爐BMCR工況煙氣量的3%；抽取煙氣溫度應(yīng)≥280℃；蒸發(fā)排煙溫度(高溫旁路煙道出口煙氣溫度)應(yīng)高于酸露點10℃以上；噴槍布置及角度設(shè)置和蒸發(fā)后煙氣流速、流場分布不應(yīng)對鍋爐效率產(chǎn)生影響；混入灰中的固化后鹽分不應(yīng)影響粉煤灰綜合利用。

2 兩種高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)對比

根據(jù)蒸發(fā)器霧化器類型不同，高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)一般分為“旁路煙道旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)技術(shù)”和“雙流體旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)”。雖然兩種技術(shù)都是通過設(shè)立獨立的蒸發(fā)器來實現(xiàn)脫硫廢水的高效蒸發(fā)，但其在工作原理、霧化方式、核心設(shè)備參數(shù)及后期運維上存在著一些差異和共性問題。

2.1霧化原理

旁路煙道旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)技術(shù)是利用高速旋轉(zhuǎn)的霧化盤帶來的離心力將脫硫廢水伸展為薄膜或牽拉成絲，隨后在霧化盤邊緣破裂形成小霧滴被噴入干燥塔內(nèi)進行干燥的過程。該技術(shù)的核心設(shè)備是旋轉(zhuǎn)霧化器，其核心作用是將脫硫廢水在霧化盤離心力的作用下霧化為直徑為10～60μm的小霧滴。霧化后小霧滴與經(jīng)過分散的熱煙氣接觸后,水分被迅速蒸發(fā),廢水中的鹽類形成粉末狀干燥產(chǎn)物。霧化過程中需控制廢水流量、霧滴粒徑、空預(yù)器出口煙溫、煙氣分布情況以避免“粘壁”現(xiàn)象的發(fā)生。

雙流體旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)則是利用高速壓縮空氣使脫硫廢水液膜產(chǎn)生分裂，使壓縮空氣和脫硫廢水之間產(chǎn)生摩擦力和剪切力，脫硫廢水在瞬間被拉成一條條細長的絲，這些液絲在較細處很快斷裂形成霧滴。該技術(shù)的核心設(shè)備是雙流體旁路煙道蒸發(fā)器，其特點在于中心管(即液體噴嘴)走料液，壓縮空氣，經(jīng)氣體分布器后，從環(huán)隙(即氣體通道或稱氣體噴嘴)噴出。當(dāng)氣-液二相流，在噴嘴出口端面接觸時，由于氣體從環(huán)隙噴出的速度很高，一般為200～340m/s，也可以達到超聲波速度，但液體流出的速度不大(一般不超過2m/s)，因此，在二流體之間，存在著很大的相對速度，從而產(chǎn)生相當(dāng)大的摩擦力，使料液霧化，隨后被蒸干。該技術(shù)霧化過程中也需要控制廢水流量、霧滴粒徑、空預(yù)器出口煙溫、煙氣分布情況及氣液比等關(guān)鍵參數(shù)使得料液能夠在接觸蒸發(fā)器壁之前完全蒸干，以避免“粘壁”現(xiàn)象的發(fā)生。

旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)塔原理示意圖 雙流體旁路煙道蒸發(fā)器示意圖

2.2 蒸發(fā)器外觀對比

旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)塔在設(shè)計上采用“矮胖型”設(shè)計，這是由于霧化后液滴離開霧化盤時的橫向速度很高，同時還需保證液滴不粘壁，這就從根本上要求蒸發(fā)塔需要具有直徑龐大的外觀結(jié)構(gòu)，所以旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)塔一般占地面積較大且需要設(shè)立相應(yīng)的地基；而雙流體旁路煙道蒸發(fā)器采用的是“瘦高型”設(shè)計，這是由于雙流體霧化過程中，液滴離開霧化器時主要產(chǎn)生較大的縱向速度，橫向速度較小，同時還需保證煙道內(nèi)部煙氣具備較高的流速，所以，煙道直徑不宜過大。相較于前者雙流體旁路煙道蒸發(fā)器可因地制宜，利用鍋爐尾部煙道間隙等。兩種蒸發(fā)器實物見圖2。

旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)塔 雙流體旁路煙道蒸發(fā)器

2.3 工程應(yīng)用項目匯總

調(diào)研在建及已投運的高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)項目情況見表1[9-15]。

表1 國內(nèi)高溫脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)項目應(yīng)用匯總表

由實際工程調(diào)研結(jié)果可知，旁路煙道旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)技術(shù)和雙流體旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)的市場占比均等，且均有投運兩年的工程項目。而在工藝路線上，前者多采用直接末端旁路煙道蒸發(fā)的方式處理脫硫廢水，后者則多采用“預(yù)處理+濃縮減量+末端旁路煙道蒸發(fā)”的三段式工藝處理脫硫廢水。

2.4 核心參數(shù)對比

通過市場調(diào)研及實際工程運維經(jīng)驗，總結(jié)了兩種高溫旁路煙氣蒸發(fā)技術(shù)在噴嘴霧化性能、設(shè)備磨損堵塞情況、運維簡易程度、占地面積及運行成本等方面上的差異，結(jié)果見表2[16-17]。

表2 旋轉(zhuǎn)霧化干燥塔和雙流體噴嘴旁路煙道蒸發(fā)器對比表

2.5 常見現(xiàn)場運行問題對比及解決方案(表3)

表3 旁路煙道旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)技術(shù)和雙流體旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)在現(xiàn)場中常見問題及解決方法

3 總結(jié)及展望

本文針對燃煤電廠脫硫廢水的零排放處理需求，闡述了旁路煙道旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)技術(shù)和雙流體旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)兩種高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)于工程中的應(yīng)用進展和主要差異性。與旁路煙道旋轉(zhuǎn)霧化蒸發(fā)技術(shù)相比，雙流體旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)存在占地面積小、霧化粒徑小、結(jié)垢及污堵傾向更小、噴嘴結(jié)構(gòu)簡單、磨損小、對鍋爐效率影響更小和檢修方便等優(yōu)勢，但也存在單臺蒸發(fā)水量小、工藝復(fù)雜、需要控制廢水中懸浮物含量及需要消耗壓縮空氣等劣勢。所以在兩種高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)的設(shè)計選擇中，應(yīng)根據(jù)電廠實際情況(①燃煤機組的容量以及鍋爐煙氣抽取能力；②電廠脫硫廢水水質(zhì)水量；③電廠可利用的場地；④投資運維成本;⑤粉煤灰綜合利用情況;⑥鍋爐尾部煙道布置情況)來因地制宜地選擇更具經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的高溫旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)?？偠灾?，高溫旁路煙氣蒸發(fā)技術(shù)利用高溫?zé)煔鈱崿F(xiàn)了脫硫廢水的高效蒸發(fā)。蒸發(fā)過程中，無需額外熱源，運行能耗低并且有效改善了直接煙道蒸發(fā)處理水量不足、檢修不便和煙道腐蝕結(jié)垢的問題，使之具有投資少、運行省、無固廢等優(yōu)勢，具有較大的推廣應(yīng)用前景。