脫硫廢水零排放技術(shù)

　　目前工業(yè)窯爐中常用的煙氣脫硫方法有濕法、半干法、干法等化學(xué)脫除方法，其中石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)因技術(shù)成熟、脫硫效率高、煤種適用性強(qiáng)等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，特別是在燃煤發(fā)電廠。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，煙氣中氯化物、顆粒物、重金屬等污染物會不斷地富集在漿液中，易引起設(shè)備管道腐蝕、脫硫效率降低、破壞脫硫系統(tǒng)物質(zhì)平衡等問題。因此每隔一定時間就必須排出一定量脫硫廢水。由于此部分廢水具有高懸浮物、高含鹽量及重金屬種類多等水質(zhì)特性，處理難度極大。

　　2015年4月國家出臺《水污染行動防治計劃》(《水十條》)，對火電廠工業(yè)廢水排放提出了新要求，倒逼火電廠進(jìn)行全廠廢水零排放改造。2017年發(fā)布的《火電廠污染防治可行性技術(shù)指南》同樣提出要實(shí)現(xiàn)廢水近零排放的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放。目前深能合和電力(河源)有限公司、佛山市三水恒益火力發(fā)電廠有限公司、浙江浙能長興發(fā)電有限公司、山西大唐國際臨汾熱電有限責(zé)任公司已完成脫硫廢水零排放工程實(shí)施，它們均以多效蒸發(fā)、機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)、膜處理技術(shù)和煙道蒸發(fā)為主要處理工藝。然而以上示范項(xiàng)目存在投運(yùn)期短、經(jīng)濟(jì)性差、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。

　　本文在深入分析脫硫廢水水質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，提出了一種低溫余熱閃蒸蒸發(fā)脫硫廢水技術(shù)，并在300MW機(jī)組處理15m3/h脫硫廢水工程中進(jìn)行了工程示范，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，凈水回用率高，取得了很好的效果。

　　1、廢水特點(diǎn)及處理現(xiàn)狀

　　以山西某電廠煙氣濕法脫硫水力旋流器出口廢水為例，廢水水質(zhì)數(shù)據(jù)(設(shè)計值)見表1。由表1可知，該廠脫硫廢水懸浮物含量高(主要成分為石膏、灰分等);鈣離子、鎂離子、硫酸根離子質(zhì)量濃度高，易結(jié)垢;pH值低，呈酸性，氯離子濃度高，易引起設(shè)備及管道腐蝕;有一定的汞、鎘、鉻等重金屬;水質(zhì)參數(shù)波動大，組分復(fù)雜。

　　目前脫硫廢水主要通過“中和―絮凝―沉淀”三聯(lián)箱方式進(jìn)行處理。回用水利用途徑主要有干灰調(diào)濕、灰場噴灑或灰渣冷卻。脫硫廢水替代在除灰、除渣系統(tǒng)調(diào)濕用水，具有系統(tǒng)改造成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單等優(yōu)勢，但除灰、除渣系統(tǒng)所用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脫硫廢水產(chǎn)生量，脫硫廢水無法得到充分利用。此外，因傳統(tǒng)預(yù)處理后的廢水中仍含有大量的氯離子，pH值低，易于對除灰、除渣系統(tǒng)管路造成腐蝕、堵塞。

　　2、低溫余熱閃蒸蒸發(fā)脫硫廢水零排放系統(tǒng)

　　2.1 低溫多效蒸發(fā)技術(shù)原理

　　本脫硫廢水零排放技術(shù)原理有2個突出方面，具體如下。

　　(1)低溫余熱閃蒸利用原理。本文技術(shù)根據(jù)水溶液沸點(diǎn)隨壓力降低而降低的原理，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的梯級多效蒸發(fā)濃縮。一方面，利用除塵器出口低塵低溫?zé)煔鉄崃?，并通過真空泵建立煙道換熱器系統(tǒng)負(fù)壓，使得換熱器中產(chǎn)生低于100℃的低溫沸騰蒸汽，作為多效蒸發(fā)系統(tǒng)的外部熱源，實(shí)現(xiàn)了煙氣廢熱的高效利用;另一方面，通過真空泵建立多效蒸發(fā)系統(tǒng)負(fù)壓，根據(jù)脫硫廢水不同壓力下對應(yīng)的沸點(diǎn)蒸發(fā)溫度，使得脫硫廢水在分離器負(fù)壓的作用下閃蒸成蒸汽，實(shí)現(xiàn)外部熱源熱量從Ⅰ效到Ⅲ效的梯級利用。

　　(2)加熱器高效防垢原理。采用控制流速強(qiáng)制循環(huán)技術(shù)、催化磁化及結(jié)晶防垢技術(shù)。控制強(qiáng)制循環(huán)流速，提高傳質(zhì)流動，降低了管壁結(jié)垢風(fēng)險。通過廢水磁化處理，使得處在成核條件附近無序熱運(yùn)動的結(jié)垢無機(jī)鹽離子對獲得能量，被迫調(diào)整彼此碰撞方位，形成均勻成核條件，因此產(chǎn)生大量小直徑球狀微晶膠體懸浮物，破壞了硬垢形成條件。在特定位置采用特殊材料，會產(chǎn)生特定電解電流，對水起到催化作用，吸收離子，增大瞬間過飽和度，產(chǎn)生大量可逆微晶體，使得廢水飽和度大大降低，消除了生成硬垢的條件。利用晶種防垢原理，通過控制原廢水本身的石膏晶體濃度，濃縮過程中廢水中鈣離子、鎂離子、硫酸根離子等二價鹽離子優(yōu)先凝聚在固體石膏晶核上，從而減輕加熱器結(jié)垢風(fēng)險。

　　2.2 工藝流程

　　低溫余熱閃蒸蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用在石灰石-石膏濕法脫硫廢水零排放上的工藝流程示意如圖1所示。整個工藝主要由廢水儲存及輸送系統(tǒng)、煙道換熱器系統(tǒng)、多效閃蒸蒸發(fā)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、濃液處理系統(tǒng)、排空系統(tǒng)等6個系統(tǒng)組成。

　　在除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口煙道上加裝煙道換熱器，利用除塵器出口132℃煙氣的熱量在Ⅰ效真空泵作用下將換熱器內(nèi)介質(zhì)(除鹽水)加熱成低于100℃的低溫蒸汽，并將蒸汽(熱源)送至Ⅰ效蒸發(fā)系統(tǒng)對廢水進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，蒸汽冷凝后收集在Ⅰ效冷凝罐中，再通過加濕水泵重新送到煙道換熱器。此部分為蒸發(fā)系統(tǒng)的低溫余熱獲取環(huán)節(jié)。

　　來自水力旋流器出口脫硫廢水送至廢水來料箱，經(jīng)廢水來料泵送至多效蒸發(fā)系統(tǒng)加熱濃縮。在尾氣真空泵作用下，Ⅰ效分離器中廢水在Ⅰ效加熱器管程中均勻流動，并與Ⅰ效加熱器殼程中的蒸汽進(jìn)行換熱，被加熱后的廢水再進(jìn)入Ⅰ效分離器完成汽、液分離，并利用Ⅰ效強(qiáng)制循環(huán)泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)濃縮物料，在Ⅰ效蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)多次循環(huán)后，完成初步濃縮的料液通過平衡管在液位壓差的作用下進(jìn)入Ⅱ效分離器，同時Ⅰ效分離器產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入Ⅱ效加熱器，作為Ⅱ效蒸發(fā)系統(tǒng)的熱源。

　　以此類推，廢水不斷地濃縮結(jié)晶，凈水不斷地蒸發(fā)冷凝。最終，Ⅲ效分離器出口的二次蒸汽在尾氣冷凝器內(nèi)利用循環(huán)冷卻水將蒸汽冷凝成凝結(jié)水，收集在尾氣冷凝罐中。Ⅲ效蒸發(fā)系統(tǒng)中漿液質(zhì)量濃度被濃縮設(shè)計值大于1300kg/m3時，開啟出料閥門，利用Ⅲ效強(qiáng)制循環(huán)泵出口壓頭，將濃漿液送至濃液緩沖罐中儲存。此時各效因出料而產(chǎn)生液位降低，廢水在廢水來料泵和物料連通管的作用下自行補(bǔ)充各效分離器、加熱器內(nèi)的物料，各效物料的補(bǔ)充速度由進(jìn)料電動閥控制，從而達(dá)到控制各效液位的目的。

　　濃漿液通過濃漿輸送泵送至固液分離裝置，結(jié)晶體和飽和母液經(jīng)分離后，固體被送去石膏庫，飽和母液回送至廢水來料箱，進(jìn)而隨廢水重新進(jìn)入多效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行濃縮結(jié)晶。

　　上述低溫余熱閃蒸蒸發(fā)技術(shù)不同于膜法濃縮，不需要預(yù)處理，系統(tǒng)更為簡單可靠、操作更為簡便;系統(tǒng)熱源取自除塵器出口煙氣余熱，系統(tǒng)運(yùn)行成本更低;整個多效蒸發(fā)系統(tǒng)采用外熱式強(qiáng)制蒸發(fā)工藝，極大地降低了系統(tǒng)管道、設(shè)備結(jié)垢的可能性。

　　2.3 工程示范技術(shù)參數(shù)

　　根據(jù)山西某300MW機(jī)組煙氣條件及脫硫廢水水質(zhì)參數(shù)，采用煙氣低溫余熱閃蒸蒸發(fā)脫硫廢水零排放技術(shù)，投資建成了處理水量為15m3/h的脫硫廢水零排放示范工程。該工程主要工藝設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2。

　　3、應(yīng)用示范結(jié)果分析

　　3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

　　按照整個系統(tǒng)試運(yùn)行期間數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該廢水零排放系統(tǒng)的直接運(yùn)行成本主要包括動力消耗、除鹽水消耗和工藝水消耗量3部分。動力消耗折算至處理水量為37.67(kW?h)/m3，電價按照0.50元(/kW?h)估算，折合約18.83元/m3。除鹽水消耗量0.1t/h，除鹽水費(fèi)用按照15.00元/t，折合約0.10元/m3。工藝水消耗量約為2.1m3/h，工藝水費(fèi)用按照3.50元/t，折合約0.49元/m3。因此，若不考慮人員成本、設(shè)備折舊費(fèi)用等，本脫硫廢水零排放系統(tǒng)總的直接運(yùn)行成本約為19.42元/m3。深能合和電力(河源)有限公司采用“預(yù)處理+蒸發(fā)結(jié)晶+分鹽”技術(shù)，實(shí)際零排放運(yùn)行費(fèi)用為70~80元/m3，本技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用為19.42元/m3，遠(yuǎn)低于上述電廠技術(shù)。

　　3.2 試運(yùn)行結(jié)果分析

　　3.2.1 處理能力分析

　　本脫硫廢水深度處理工程項(xiàng)目于2019年6月26日開始并進(jìn)行168h試運(yùn)行，因#2機(jī)組煙氣換熱器未安裝，故系統(tǒng)處理能力設(shè)計值按照50%進(jìn)行測算。數(shù)據(jù)記錄見表3。

　　由表3可以看出，項(xiàng)目168h試運(yùn)行期間，累計處理廢水量為681t，凝結(jié)水回收水量為632t，平均回收水率為92.8%。因機(jī)組負(fù)荷不同，除塵器出口煙氣量及溫度均低于設(shè)計值。故通過負(fù)荷折算至鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下的脫硫廢水處理量平均值為7.55t/h，凝結(jié)水回收量平均值為7.01t/h，達(dá)到了設(shè)計處理能力。

　　3.2.2 出水水質(zhì)分析

　　試運(yùn)行期間對廢水來料箱中廢水原水取樣(FS)和凝結(jié)水泵出口凝結(jié)水取樣(NS)，檢測數(shù)據(jù)結(jié)果見表4。

　　脫硫廢水處理前后，不同類檢測指標(biāo)去除率如圖2所示。從圖中可以看出，除氨氮外，脫硫廢水中其他指標(biāo)去除率均高于96%(余氯除外)。說明本技術(shù)對低沸點(diǎn)物質(zhì)(氨氮)的去除能力比較差。氨氮主要來源于煙氣脫硝過程中過量逃逸的氨氣，被濕法脫硫系統(tǒng)吸收后進(jìn)入脫硫廢水中。

　　GB/T19923―2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》中鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表5。對照表4中凝結(jié)水測定值，除氨氮指標(biāo)外，主要指標(biāo)基本達(dá)到了鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但需進(jìn)一步去除氨氮等，方可作為鍋爐補(bǔ)給水。此外，凝結(jié)水中氯離子、鈣、鎂、硫酸根離子質(zhì)量濃度遠(yuǎn)小于原脫硫廢水，故此凝結(jié)水可直接作為脫硫工藝補(bǔ)水。

　　3.2.3 防結(jié)垢分析

　　從脫硫廢水水質(zhì)參數(shù)中可以看出，廢水中鈣離子、鎂離子、硫酸根離子等二價離子較多，水質(zhì)硬度較高，系統(tǒng)容易結(jié)垢。采用外熱式強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)，通過強(qiáng)制循環(huán)泵的動力，使得廢水以較高(通常大于1m/s)流速循環(huán)流動，提高了各效加熱器的換熱效率，同時降低了系統(tǒng)管道結(jié)垢的風(fēng)險。

　　整個系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行40d后，停機(jī)查看系統(tǒng)結(jié)垢情況，發(fā)現(xiàn)Ⅰ效、Ⅱ效系統(tǒng)管道無結(jié)垢，Ⅲ效分離器局部有輕微結(jié)垢，高壓水沖洗后，污垢脫落。取出結(jié)垢物分析，結(jié)垢物主要為鹽類，易溶于水。

　　3.3 長期結(jié)果分析

　　截至目前，系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行近9個月，系統(tǒng)處理穩(wěn)定，凝結(jié)水水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定，最近一次停機(jī)檢查，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備結(jié)垢。

　　日常凝結(jié)水主要化驗(yàn)電導(dǎo)率、pH值、濁度、硅、鐵離子、硫酸根及氯離子等水質(zhì)指標(biāo)。2020年3月的部分日?；?yàn)數(shù)據(jù)見表6。

　　4、結(jié)束語

　　本技術(shù)方案利用除塵器出口低溫?zé)嵩醇柏?fù)壓閃蒸原理，通過廢水輸送統(tǒng)、煙氣換熱器系統(tǒng)、多效蒸發(fā)系統(tǒng)、濃漿壓濾結(jié)晶系統(tǒng)和排空系統(tǒng)等六大系統(tǒng)，構(gòu)建成了煙氣低溫余熱閃蒸蒸發(fā)脫硫廢水零排放工藝，并完成了15m3/h脫硫廢水零排放工業(yè)化示范。運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，處理能力達(dá)到了設(shè)計要求，且運(yùn)行成本低，處理每立方米脫硫廢水直接成本僅約為19.42元。

　　不需要預(yù)處理，利用廢水中石膏作為晶種，結(jié)合末端的壓濾結(jié)晶技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了脫硫廢水中鹽的濃縮自結(jié)晶分離。

　　多效蒸發(fā)單元采用了外熱式強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)方式，能夠保證在濃縮過程中脫硫廢水循環(huán)流動，降低了系統(tǒng)結(jié)垢風(fēng)險。

　　多效蒸發(fā)系統(tǒng)凝結(jié)水提取率高，高達(dá)92.8%以上，凝結(jié)水進(jìn)一步處理后可作為鍋爐補(bǔ)給水或者直接作為脫硫工藝補(bǔ)水。(來源：山西普麗環(huán)境工程股份有限公司，華電鄭州機(jī)械設(shè)計研究院有限公司)