李翔

（廣東省能源集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東珠海519050）

截止2015年年底，國(guó)內(nèi)發(fā)電總量已增長(zhǎng)至57399億kW·h，燃煤電廠是發(fā)電體系的重要構(gòu)成，其發(fā)電量大概為38977億kW·h，在發(fā)電總量中占據(jù)極高的比重。從客觀層面上分析，燃煤電廠項(xiàng)目有部署靈活性強(qiáng)、建設(shè)成本偏低、發(fā)電設(shè)備有效率高等優(yōu)勢(shì)，但在燃煤自體質(zhì)量與既有發(fā)電工藝等因素的作用下，燃燒活動(dòng)中會(huì)形成很多副產(chǎn)物，若相關(guān)部門(mén)沒(méi)有加強(qiáng)對(duì)該種問(wèn)題的控制，那么伴隨時(shí)間的推移容易損害自然環(huán)境，形成較嚴(yán)重的污染問(wèn)題。1000MW裝機(jī)容量形成的脫硫廢水不到10m3/h，在電廠廢水總量中占比不足5.0%。傳統(tǒng)脫硫廢水處理工藝暴露運(yùn)行成本高、固體廢物回收難度較大、水回收不完全等不足。為達(dá)到脫硫廢水的零排放及鹽分的高回收率，一定要進(jìn)行深度脫鹽。本課題中設(shè)計(jì)出了廢水深度處置方案的熱成本分析模型，融入多個(gè)方面的因素，判斷不同方案的熱成本消耗情況。

1 燃煤電廠脫硫廢水的特征

為減少煙氣內(nèi)硫化物的排放量，國(guó)內(nèi)大部分燃煤電廠應(yīng)用了石灰石—石膏濕法。該種濕法脫硫工藝運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)形成大量的高濃度懸浮物、高氯根及鹽分含量較高的重金屬?gòu)U水。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)常規(guī)的處理方法是采用添加適量堿去中和脫硫廢水，誘導(dǎo)廢水內(nèi)的多種重金屬形成沉淀物，隨后再添加適量絮凝劑，這樣沉淀物便能順利的濃縮成污泥，污泥被壓濾處理之后外運(yùn)或者被堆置在灰場(chǎng)。利用如上常規(guī)物化工藝處理脫硫廢水后，能基本符合國(guó)家相關(guān)部門(mén)設(shè)定的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，但不可否認(rèn)的事實(shí)是其回用范圍的局限性較大[1]。故而，為彌補(bǔ)既往處理脫硫廢水過(guò)程中暴露出的不足，盡早將排放量降至零，即實(shí)現(xiàn)零排放，對(duì)廢水進(jìn)行深度處理操作是有效方法之一。脫硫廢水是燃煤電廠運(yùn)行階段形成的末端廢水，水質(zhì)復(fù)雜且會(huì)伴隨時(shí)間發(fā)生改變。影響脫硫廢水水質(zhì)的因素相對(duì)較多，比如煤種、脫硫工藝與運(yùn)轉(zhuǎn)方式、煙氣主要成分等，需要參照含硫廢水的水質(zhì)特征，選擇最適宜的工藝方案。

2 方案組合

熱量來(lái)源豐富是燃煤電廠的主要特征之一，本文站在便于獲得和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)兩個(gè)不同的角度，把電廠廠用汽與尾部煙氣設(shè)定成供熱源，在蒸發(fā)或單級(jí)循環(huán)閃蒸法的協(xié)助下落實(shí)濃縮與蒸發(fā)析晶任務(wù)，但熱效率不足，為提升熱效率，減少能耗，選用了技術(shù)成熟度較高的多效蒸餾（MED）與多級(jí)閃蒸（MSF）技術(shù)，本文探究如下幾種組合方案：1）汽驅(qū)動(dòng)MED；2）汽驅(qū)動(dòng)MED-TVC；3）汽驅(qū)動(dòng)式MED-TVC；4）煙氣供熱MED；5）煙氣驅(qū)動(dòng)式MSF。

3 方案的熱成本分析

3.1汽驅(qū)動(dòng)MED

具體是將預(yù)處理所得的脫硫廢水整合至入MED系統(tǒng)，而后利用濃縮技術(shù)作出相應(yīng)處置，添加廠用汽作為供熱源，當(dāng)含鹽廢水濃縮到臨近飽和狀態(tài)時(shí)，可以暫停以上相關(guān)操作。在這樣的工況下，MED內(nèi)使用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)裝置能夠使?jié)恹}廢水實(shí)現(xiàn)析晶。本課題研究中配置的MED都應(yīng)用了逆流串聯(lián)部署，等同于當(dāng)?shù)?效被引進(jìn)廠用汽作為加熱蒸汽，并在該階梯效上促進(jìn)了濃鹽水的析晶過(guò)程。采用其內(nèi)某一效為實(shí)例，建設(shè)出圖1的物理模型[2]。

圖1 蒸發(fā)器模型圖

參照質(zhì)量守恒定律，有①式：

在①式內(nèi)，mv[i-1]、mv，f[i-1]依次代表的是前一效二次、閃蒸蒸汽質(zhì)量流量（kg/s）；md[i]代表本效總凝結(jié)水流量（kg/s）、mw，in[i]、mw，out[i]表示本效入、出口鹽水流量（kg/s）；mv[i]為本效的二次蒸汽質(zhì)量流量（kg/s）；Sin[i]、Sout[i]分別是本效入、出口鹽水濃度。

遵照能量守恒定律，可推導(dǎo)出②式[3]：

在②式內(nèi)：hv[i-1]、hv，f[i-1]分別是為前一效二次、閃蒸蒸汽焓值（kL/kg）；td[i]/hv[i]分別是本效凝結(jié)水、二次蒸汽焓值（kL/kg）；tw，in[i]、tw，out[i]分別是本效入口、出口鹽水燴值 （kL/kg）；Q即為換熱功率（kW）。

測(cè)評(píng)指標(biāo)的公式是③：

在③式內(nèi)，md[i]是第i個(gè)效出口淡水總量；mv[0]是引入系統(tǒng)內(nèi)新蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；GOR代表的是造水比，是單位質(zhì)量蒸汽被整合至系統(tǒng)能夠生成的淡水質(zhì)量（和處理的廢水質(zhì)量近乎相等）。

把某600 MW機(jī)組參數(shù)設(shè)定成廠用汽，已知其主要運(yùn)行參數(shù)是0.7MPa/320℃。經(jīng)預(yù)處理工序所得的脫硫廢水，可以將其近似的視為某個(gè)濃度下的氯化鈉溶液，初始溫度、濃度分別是60℃、為5%，據(jù)此勾畫(huà)出脫硫廢水處理的GOR圖形，解讀廠用汽成本伴隨GOR的改變趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)GOR值越高時(shí)，廠用汽應(yīng)用過(guò)程中耗用的費(fèi)用越高。采用了6效MED結(jié)構(gòu)，第1效工作環(huán)境內(nèi)溫度達(dá)到90℃，造水比7，經(jīng)計(jì)算得到每t廢水處理時(shí)廠用汽投用費(fèi)用是14.3元左右；如果作業(yè)溫度取值130℃，GOD降6，成本升至16.8元/t。

3.2汽驅(qū)動(dòng)MED-TVC

將方案1作為本節(jié)內(nèi)容研究的基礎(chǔ)，加裝TVC裝置，在廠用汽主體功力的作用下，對(duì)最后一級(jí)形成的部分蒸汽進(jìn)行回收處理，合理應(yīng)用潛熱源，進(jìn)而減少?gòu)S用汽的耗用量[4]。

分別探究GOR、用汽使用成本與TVC引射比之間的關(guān)系。選用6效MED為實(shí)例進(jìn)行分析，當(dāng)TVC裝置引射比取值0.9時(shí)，GOR由初始值6.6L至11.2L，廠用汽應(yīng)用成本由15.4元/t降到8.9元/t。由此可見(jiàn)，采用MED-TVC結(jié)構(gòu)對(duì)造水比提升過(guò)程有一定促進(jìn)作用，減少?gòu)S用汽的耗用量，在這樣的工況下熱成本也有壓縮。

3.3汽驅(qū)動(dòng)式MED-TVC

在煙道內(nèi)安置蒸發(fā)換熱面，將煙道作為媒介，把部分煙氣導(dǎo)入MED系統(tǒng)的加熱器內(nèi)，利用煙氣自身的熱量去加溫循環(huán)水，借此方式把其轉(zhuǎn)變成蒸汽，替代廠用汽，主要是執(zhí)行供熱工藝。

脫硫廢水的生成量是15～20kg/（MW·h），依然以某600MW機(jī)組為實(shí)例進(jìn)行分析，加裝換熱器，并且MED的GOR是4時(shí)，煙溫從366℃降到362.65℃，綜合分析以上數(shù)據(jù)信息，我們可以認(rèn)為，供熱循環(huán)水泵電成本便是廢水處理成本的主要構(gòu)成[5]。如果現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)煙道沒(méi)有布設(shè)蒸發(fā)受熱面的客觀條件，那么可以基于閃蒸形式去捕獲運(yùn)行所需的蒸汽，實(shí)質(zhì)上就是煙氣供熱MED。

3.4 煙氣供熱MED

當(dāng)供熱循環(huán)水被整合至煙氣換熱器，并由煙氣內(nèi)吸取一定熱量以后，進(jìn)入閃蒸罐真空閃蒸形成的飽和溫度用是t1（f）的蒸汽，閃蒸蒸汽快速的被整合至MED系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行供熱。閃蒸處理前后壓力有所降低，這是造成供熱循環(huán)水泵做功增多的直接動(dòng)因。圖2是方案3、4供熱模式下循環(huán)水泵泵功用電成本伴隨第1效溫度改變而出現(xiàn)的變化。C用電成本，均取0.5元/（kW·h）][6]。

圖2 循環(huán)水泵泵功用電成本變化曲線圖

t1（f）是閃蒸壓力工況下飽和溫度數(shù)值，t1為方案3下的第1效工作溫度值。對(duì)于沒(méi)有閃蒸流程參與的方案3，它運(yùn)行過(guò)程中的電費(fèi)低于方案4。

3.5 煙氣驅(qū)動(dòng)式MSF

經(jīng)脫熱、回收的濃鹽水吸收煙氣中部分熱量以后，按照預(yù)設(shè)的級(jí)別實(shí)現(xiàn)閃蒸，在閃蒸階段濃鹽水析出部分晶體物質(zhì)，在最后一級(jí)別的分離工序中分離出固體鹽顆粒。留置下的濃鹽水與添加進(jìn)的等待處理廢水相互混合后，均被導(dǎo)送到溫度偏低的熱回收級(jí)內(nèi)。多級(jí)閃蒸過(guò)程中鹽水濃度始終臨近飽和狀態(tài)，降膜蒸發(fā)將多級(jí)閃蒸過(guò)程代替，站在這個(gè)層面上分析，其對(duì)最初鹽濃度表現(xiàn)出較高的適應(yīng)性。

圖3 為MSF結(jié)構(gòu)處理單位廢水的泵功電費(fèi)用，末級(jí)溫度取值60℃?？倻夭钍怯绊懕霉﹄娔芟那闆r的主要因素之一，閃蒸前溫度由120℃提升至200℃，這是引起主升壓循環(huán)泵電成本從最初的0.3元/t上升到1.15元/t。煙道煙氣驅(qū)動(dòng)式MSF工況下泵功電成本顯著高于MED電成本[7]。

圖3 升壓泵用電成本伴隨溫度與級(jí)數(shù)改變曲線

總之，燃煤電廠運(yùn)行階段形成的煙氣、熱水等多種介質(zhì)均可以作為脫硫廢水實(shí)現(xiàn)零排放處理的熱源。本文筆者基于工作實(shí)踐歷程，制定了5種不同的集成方案，并構(gòu)建了相配套的熱成本定量分析模型，對(duì)不同方案下的熱成本進(jìn)行比較分析?；仡檹U水處理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)汽驅(qū)動(dòng)MED熱成本均在10元/t之上，集成TVC能減少熱成本10%～50%，配合使用煙氣驅(qū)動(dòng)能進(jìn)一步壓縮電成本。MED結(jié)構(gòu)無(wú)法較好的處理高鹽濃度廢水，而MSF結(jié)構(gòu)能彌補(bǔ)MED的不足，通過(guò)降低多級(jí)閃蒸總溫差去壓縮成本。