中小型电厂脱硫废水烟道蒸发零排放处理技术

获悉：本文分析了石灰石-石膏法脱硫废水的来源、成分及其特点，论述了脱硫废水的几种处理方式。针对中小型电厂脱硫废水水量小、含盐量高的特性，设计了一套以烟道蒸发处理技术为核心的零排放处理工艺。中小型电厂脱硫废水烟道蒸发零排放处理技术
该工艺首先对废水进行絮凝沉淀和过滤，去除重金属后，采用烟道喷雾蒸发处理技术对其进行蒸发浓缩，浓缩后物质经过除尘装置捕集后进入灰库进而实现废水零排放。该工艺不仅不会对烟道和除尘器产生腐蚀，同时，可降低烟尘比电阻，对除尘器效率有一定程度的提高，在节能和环保领域具有很高的工程应用价值。
中国是以火力发电为主的国家，煤炭用于火力发电行业的比例在2013年占到53%，预计2020年会达到60%以上。火力发电厂燃煤会产生大量的二氧化硫，严重危害自然环境和人类健康[1]。石灰石-石膏法脱硫工艺脱硫效率高、适用煤种范围广、设备运转率高、工作稳定可靠、脱硫剂来源丰富且廉价，是目前世界上应用最广泛的一种脱硫技术[2]。
脱硫系统在运行中由于工艺水循环会产生一定量的高浓废水，该废水水量较小、水量水质波动大、可溶性离子(Cl-、SO42-)浓度高、重金属离子种类较多等特点，排放前必须进行处理[3]。目前，我国脱硫废水常用化学沉淀法、流化床法和微滤膜法进行处理[4]，使出水水质符合GB8978-1996《污水综合排放标准》的要求，上述处理方法虽然能够去除废水中COD、SS和重金属，但对废水中的盐分无法去除，无法实现废水“零排放”。
目前新型的废水零排放工艺包括以“预处理”、“膜系统”浓缩、“反渗透”过滤、“立式降膜MVR蒸发器”蒸发、结晶等为核心的处理工艺段组合[5]，该工艺可以实现废水回收再利用，无任何废液排出工厂，但
废水处理的单位投资成本为200-350万元/吨水，单位运行成本30-120元/吨水[6]，上述废水零排放高额的投资和运行成本对于中小型电厂是难以负荷的，应寻求低成本的废水零排放解决方案。
而烟道处理技术[7-8]可采用雾化喷嘴将电厂脱硫废水进行雾化，喷入电厂空预器与电除尘器之间的烟道内，利用烟道内高温烟气将雾化后的废水液滴蒸干，形成细小固体颗粒结晶随烟气灰尘进入电除尘器被电极捕捉，进入除尘器灰斗随灰外排，达到脱硫废水零排放的目的。该工艺投资成本低、运行效果好，在节能和环保领域具有很高的工程应用价值。
1脱硫废水水量和水质
煤中的多种元素，如F、C1、Cd等，在燃烧过程中产生多种化合物，随烟气进入脱硫装置吸收塔，溶解于吸收浆液中，在石膏脱水阶段产生一定量的脱硫废水。以齐鲁制药(内蒙古)有限公司3×75t/h循环流化床锅炉石灰石-石膏法脱硫工程为例，脱硫废水平均排水量为1.3m3˙h-1，瞬时最大废水排放量为4m3˙h-1，水质水量波动大。该脱硫废水具有以下特点[4]：
(1)水质不稳定，负荷变化大。
(2)悬浮物(SS)含量高，变化大。
(3)化学需氧量(COD)超标。在脱硫废水中，形成化学耗氧量的主要因素不是有机物，而是还原态的无机物连二硫酸盐[9]，可生化性差。
(4)含盐量和硬度高。可溶性盐含量在15000——40000mg/L的范围内，阳离子钙，镁等离子含量极高，铁、铝含量较高，阴离子主要有C1-、SO42-、SO32-、F-等。
(5)腐蚀性强。pH为4.5——6.5，显弱酸性，氯离子含量很高，腐蚀性非常强。
(6)含多种重金属。含汞、铬、镉、铅、砷等重金属物质。
脱硫废水设计进水水质见表1。
2新兴脱硫废水零排放工艺
针对脱硫废水的水质特点，目前大机组电厂废水零排放项目普遍采用以下几种处理工艺[10]：?预处理+MVR立式降膜蒸发器+强制循环结晶器;?软化预处理+膜减量(反渗透RO)+MVR立式降膜蒸发器+强制循环结晶器;?软化预处理+膜减量(反渗透RO)+正渗透(FO)+MVR立式降膜蒸发器+强制循环结晶器;美国、欧洲、澳大利亚等发达地区部分火电厂废水零排放项目，普遍采用工艺?的处理方式，生成的结晶盐做填埋处理。华能长兴电厂2×660MW机22t/h脱硫废水和反渗透浓水零排放项目采用工艺?的处理方式成功投运。广东河源电厂、三水恒益电厂的脱硫废水零排放系统也已经成功投运，但系统的投资和运行成本过大，并且结晶盐氯化钠含量低，很难实现结晶盐资源化。
对中小型电厂来说，脱硫废水的产量相对较小，利用废水浓缩方法固然能实现废水的回收利用，但其能耗较高，投入高产出小，缺乏实际应用价值。而烟道处理工艺不但具有设备少，占地小，投入小产出高的特点，而且废水中的盐类通过烟气热量蒸发成为固体，再由电除尘器收集，对原有烟道系统影响很小，因此是可以重点关注的一个处理方法。
在设计废水烟道喷雾蒸发处理技术需要注意几个关键问题：一、进行热量平衡计算，计算单位时间内排放的废水能否在单位时间内蒸发完毕;二、喷枪的选择和布置，喷嘴雾化粒径的优化，喷嘴雾化效果能否保证液滴的完全蒸发;三、分析喷雾蒸发处理技术对除尘器的影响;四、分析喷雾蒸发对烟道和除尘器腐蚀。五、蒸发器的积灰控制。
3烟道喷雾蒸发处理零排放技术
高压泵和雾化喷嘴是系统中的重要设备，雾化后对雾滴粒径的控制是工艺成败的关键。为防止喷嘴堵塞和结垢，烟道喷雾蒸发前端设置废水处理系统。具体工艺流程如图1所示。
3.1预处理工艺段
脱硫废水预处理工艺段包括废水水质水量调节、加药絮凝沉淀、污泥处理3个分系统[4]。废水通过管路流入中和调节池，同时按比例加入制备合格的石灰乳(1m3废水加入固体粉末3.5g)，将pH调整到9.2±0.3，此pH范围适合大多数重金属离子的沉淀。另外，可按比例加入重金属沉淀剂有机硫化物(TMT15)，使不能以氢氧化物形式沉淀出来的重金属得以沉淀，如Hg2+。加药量按1m3废水加入15%的有机硫溶液20-50mL投加。
脱硫废水为经过石膏旋流器和真空皮带机抽滤后的废水，进入废水系统的悬浮物都是颗粒比较小，沉降性差的，很难利用自然重力沉降进行分离，为了改善固体物的沉降能力，向废水中加入聚合FeClSO4(1m3废水加入质量分数15%聚铁溶液0.2-0.5kg)，同时向脱硫废水中加入助凝剂聚丙烯酰胺(1m3废水加入质量分数0.1%聚丙烯酰胺溶液10g)。在去除悬浮物和胶体等杂质的同时，混凝生成的活性絮体共同沉淀可以吸附水中析出的细小金属氢氧化物，增加金属氢氧化物除去的速度和效率。
加药混合反应后的废水在重力作用下流入沉淀池，进行固液分离。沉淀池出水进入清水箱进行后续浓缩除盐。为了促进反应和后续反应箱中絮凝粒子的形成，在中和调节池中加入沉淀池中回流的少量恒定量的接触泥浆。剩余污泥间歇性地利用螺杆泵输送至板框压滤机(或是真空皮带机)进行脱水处理，泥饼外运。
所有加药装置均包括药箱和可调节计量泵，可以保证方便准确地投配所需要的化学药剂量。
3.2烟道喷雾蒸发工艺段
在进行此工艺段设计时，首先确定以下及几个重要参数：
1.烟道内喷雾位置的选择：
喷雾液滴进入除尘器能否完全蒸发受到各种因素影响，有研究表明，烟气速度和液滴初速度的改变对液滴蒸发速度的影响都较小[11-12]。主要受烟道结构、烟气入口温度和喷雾粒径的影响。
在实际工程中需要对烟道内流场进行CFD模拟，模拟实验和研究表明，在直短烟道内，流场较平稳，液滴在进入除尘器后仍有大量的废水液滴未蒸发完，而弯曲长烟道由于烟道较长，液滴在烟道中的停留时间较长，液滴在进入除尘器之前已被完全蒸发，因此喷嘴布置位置要选择在弯曲长烟道上。
2.雾化颗粒粒径的影响
喷嘴雾化的颗粒直径对液滴的蒸发有着非常重要的影响。雾化粒径越大，残留未完全蒸发的液滴越多，与烟道壁面碰撞的液滴也越多，这是因为液滴直径越小，液滴的比表面积越大，蒸发所用时间越少，蒸发的速率也就越快，部分液滴在到达烟道壁面前已经蒸发。
研究表明，当喷雾液滴最大粒径为105.6um时，除尘器进气烟箱入口未完全蒸发液滴的质量约为0.2%，除尘器进气烟箱出口未完全蒸发液滴的质量分数小于0.01%，因此不会对除尘器的运行产生负面影响。但是随着雾化液滴粒径越来越小，雾化废水液滴所需的能耗越来越大，雾化成本也将不断增加。同时，考虑到电厂除尘器的运行安全和系统的运行成本，液滴最大直径可定为100um。
3.烟气蒸发温度的选择
有研究人员发现对于废水蒸发，将烟气温度控制在453K时单位时间内液滴群蒸发质量最大，可供选择的温度区间段413K-473K。
研究人员研究了入口烟气温度分别为110、115、120、125、130和135℃时的烟箱残留液体量，发现当烟气入口温度为127.4℃时，除尘器进气烟箱入口未完全蒸发液滴的质量分数约0.2%，除尘器进气烟箱出口未完全蒸发液滴的质量分数为0。
烟气初始温度越低，未完全蒸发液滴的质量分数越大。该电厂烟气最低温度为140℃，可以保障系统的安全稳定运行。但考虑到安全性，需要在该系统中设置低温保护措施，确保温度低于135℃时系统自动停止运行。
综上所述，工程废水排放量在1.3m3˙h-1时，每台炉除尘器前入口烟道设置10个40L/h的双流体喷嘴，压缩空气压力04-05MPa，通过调整压缩空气转子流量计入口阀门的开度调节气体流量，将喷嘴雾化粒径控制在100um以下(定为小于50um)。
布置时考虑小于50um液滴蒸发完全时液滴纵向最大运动距离小于0.3m，最大横向运动距离小于5m。经过物料衡算，喷雾后烟气降温小于5℃，烟气湿度有一定程度的增加，但烟气仍处于不饱和状态，烟气温度高于酸露点温度，不会对烟道和电除尘器产生腐蚀。另外，烟气湿度的增加和烟气温度的适当降低，降低了除尘器中灰的比电阻，提高了除尘效率。
4烟道喷雾蒸发处理技术的应用与发展
目前，脱硫废水烟道处理技术在国内外已有成功应用的例子。国内焦作万方电厂2×350MW机20t/h高盐废水零排放项目采用“软化预处理+电絮凝+双膜减量(超滤膜+反渗透RO膜)+烟道蒸发系统”的处理方式，烟道蒸发器利用高温余热将浓水蒸发为水蒸汽，蒸汽随除尘后的烟气进入脱硫塔，在喷淋冷却的作用下凝结出来;蒸发结晶物则随灰尘一起进入电除尘器随灰外排，节省了投资和运行成本。
根据PrabhatKS,AlexanderY等人的报道[13]，某国外项目脱硫废水烟道处理将雾化喷嘴、管道及一定量的压缩空气布置在除尘器前端，处理脱硫废水量达2.2t/h，减少了FGD运行的水耗及电耗。
随着国民对水资源保护意识的逐渐提高和国家对污水排放要求的日益严格，相信烟道喷雾蒸发处理技术在电厂废水零排放技术中具有更加广阔的应用前景。更多环保新闻，请关注第一
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