煙氣噴霧蒸發(fā)在火電廠脫硫廢水零中的應(yīng)用

　　我國的電力來源中火電占絕對優(yōu)勢，煤燃燒過程中，燃煤中硫化物會隨著煤的燃燒形成含硫煙氣，直接排放將造成大氣污染，因此火電廠的煙氣脫硫工藝是控制火電廠大氣污染源的必須措施。煙氣脫硫工藝(FGD)中以濕法脫硫工藝效果最好，總脫硫效率高達95%以上，該工藝應(yīng)用比例最大。但是FGD工藝在脫硫過程中會產(chǎn)生高含鹽廢水，具有含重金屬離子、高濁度、高硬度、高氯離子、高硫酸根、呈酸性等特點，常規(guī)處理方式是通過三聯(lián)箱去除脫硫廢水中的重金屬離子，以實現(xiàn)DL/T997-2006達標排放。然而隨著環(huán)保要求的不斷提高，常規(guī)處理方法已經(jīng)不能滿足要求，使得脫硫廢水的零排放成為了火電廠污染防治的關(guān)注焦點。

　　對于已建成的火電廠，脫硫廢水零排放基本是在原有的三聯(lián)箱工藝基礎(chǔ)上實施的，各類零排放工藝均作了有益的嘗試。主要包括雙堿軟化、去濁預(yù)處理工藝，反滲透等濃縮減量工藝和蒸發(fā)結(jié)晶工藝等。但是現(xiàn)有的零排放工藝存在工藝流程長、投資大、運行維護成本高和操作復(fù)雜等問題，還沒有一種方案占主導(dǎo)地位。

　　煙氣蒸發(fā)技術(shù)處理脫硫廢水，是通過霧化噴嘴將預(yù)處理后的脫硫廢水噴入煙道或旁路煙道內(nèi)，霧化后的脫硫廢水液滴經(jīng)過與熱煙氣的傳質(zhì)與傳熱作用迅速蒸發(fā)，廢水中的污染物結(jié)晶析出后隨煙氣中的煙塵一起被后續(xù)除塵器捕集。該工藝可達到以廢治廢的目的，被推薦為實現(xiàn)脫硫廢水零排放的可行性技術(shù)。結(jié)合湖北中部某火電廠煙道噴霧蒸發(fā)處理脫硫廢水的工程實踐，研究煙氣噴霧蒸發(fā)處理脫硫廢水的工藝路線、技術(shù)關(guān)鍵點及處理效果。

　　1、煙氣噴霧蒸發(fā)技術(shù)

　　煙氣噴霧蒸發(fā)技術(shù)處理脫硫廢水包含2種：1種是經(jīng)預(yù)處理、反滲透膜法減量，回用部分淡水，再將系統(tǒng)濃縮水霧化導(dǎo)入煙氣系統(tǒng);另1種是僅經(jīng)簡單預(yù)處理后不再經(jīng)過膜濃縮減量直接霧化導(dǎo)入煙氣系統(tǒng)。按脫硫廢水導(dǎo)入煙氣的位置可分為2類，第1類如圖1所示，是在火電廠空氣預(yù)熱器后、電除塵器前的煙道內(nèi)噴入經(jīng)過霧化后的脫硫廢水，在低溫煙氣余熱的加熱作用下，水分被完全蒸發(fā)成汽相水蒸汽，而鹽分隨著水分蒸發(fā)結(jié)晶成固體顆粒，被除塵器捕捉進入粉煤灰;第2類如圖2所示，在空氣預(yù)熱器入口之前引出旁路高溫煙氣，脫硫廢水與高溫煙氣在噴淋塔中進行熱交換而蒸發(fā)，從而達到脫硫廢水零排放的目的。

　　高溫旁路法對主煙道內(nèi)煙氣特性的影響小，但投資相對較大，由于抽取了大量鍋爐排出高溫煙氣，因此存在降低鍋爐效率的風險。當高溫旁路出口煙氣溫度低于電除塵進口溫度時，還需要通過加熱方式提高溫度，以平衡煙氣溫度。

　　煙氣噴霧蒸發(fā)技術(shù)需要在一定時間內(nèi)蒸發(fā)定量的脫硫廢水，而且不能對煙道結(jié)構(gòu)及后續(xù)工藝產(chǎn)生負面影響。因此脫硫廢水形成的微小霧滴噴入到煙氣流后，需在盡量短的時間內(nèi)完全蒸發(fā)汽化，否則未完全蒸發(fā)的霧滴會對煙道和電除塵器產(chǎn)生腐蝕。本技術(shù)的關(guān)鍵是控制一定時間內(nèi)液滴群的蒸發(fā)質(zhì)量和霧化液滴在煙氣內(nèi)的完全蒸發(fā)時間，以及減少噴霧蒸發(fā)后對后續(xù)電除塵等工藝的影響。如果主煙道尺寸和煙氣質(zhì)量焓滿足脫硫廢水完全蒸干的要求，則采用主煙道蒸發(fā)方法，如果不能滿足要求，則宜考慮采用高溫旁路蒸發(fā)法。

　　2、實施方法

　　采用火電廠3#機組(330MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐)產(chǎn)生的脫硫廢水進行煙氣蒸發(fā)零排放工程應(yīng)用研究。機組產(chǎn)生脫硫廢水量最大為5t/h，日常量為3t/h左右。3#機組鍋爐煙氣從2臺空氣預(yù)熱器流出進入4個煙道，最后再進入2臺電除塵器，空氣預(yù)熱器出口至電除塵器進口單個煙道總長度44.5m。利用UG10.0軟件對單個煙道進行建模，其立體模型如圖3所示。

　　3#機組脫硫廢水經(jīng)過簡單預(yù)處理去除廢水中的濁度，用水泵將廢水送到空氣預(yù)熱器和除塵器之間煙道中的介質(zhì)霧化噴嘴進行霧化蒸發(fā)。根據(jù)電廠目前使用的燃煤數(shù)據(jù)進行燃燒計算，確定煙氣特性參數(shù)，進行熱平衡計算，確定噴霧后煙氣溫降，分析脫硫廢水噴霧蒸發(fā)對粉煤灰利用的影響。

　　煙氣中含有空氣、粉煤灰、二氧化硫、NOx等物質(zhì)，可通過式(1)計算煙氣在不同負荷時煙氣的質(zhì)量焓，以判定在不影響后續(xù)除塵工藝情況下，噴霧蒸發(fā)處理能否完全蒸干最大量的脫硫廢水。

　　式中，hg和hg0為計算和理論煙氣質(zhì)量焓，ha0為理論空氣質(zhì)量焓，hfly為粉煤灰的質(zhì)量焓;α為不同機組負荷的過量空氣系數(shù)，100%、75%和50%負荷時分別取1.38、1.42和1.68。隨鍋爐負荷的增加，煙氣質(zhì)量焓和粉煤灰質(zhì)量焓都會上升，hg也會增加。

　　由于采用空氣預(yù)熱器后煙氣進行蒸發(fā)，煙氣溫度130℃左右，霧滴在煙道的停留時間短，且最大噴霧量大，因此要求霧化噴嘴在大流量時具有良好的霧化性能，且能夠形成粒徑均勻的霧滴，以保證蒸發(fā)效果。介質(zhì)霧化是利用高速噴射介質(zhì)(一般為壓縮空氣)的沖擊作用來霧化液體，又稱作雙流體霧化。該種霧化方式在霧化流量較大時，具有平均霧化粒徑小的優(yōu)點，可將霧化液滴直徑控制在優(yōu)化的60μm左右，符合本項目的實際情況，針對本項目情況采用專用介質(zhì)霧化噴嘴進行噴霧。此外，電廠有富余的壓縮空氣供應(yīng)能力，無需新增壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)。

　　為保證脫硫廢水霧化質(zhì)量，充分利用高溫煙氣熱量、減少煙道內(nèi)壁積灰可能，在單煙道下彎頭上部均勻布置了多個霧化噴嘴，噴嘴采用專用防堵塞、耐磨型錐形噴嘴，以保證噴霧的均勻性和蒸發(fā)效果。設(shè)置煙道內(nèi)窺監(jiān)測系統(tǒng)，對可能積灰的位置進行窺視、監(jiān)測。使用煙道吹灰裝置，利用蒸汽對可能積灰位置進行吹掃，防止積灰。

　　脫硫廢水煙道蒸發(fā)工藝單煙道流程如圖4所示。

　　預(yù)處理后的脫硫廢水，經(jīng)過緩沖罐均化水質(zhì)后由脫硫廢水噴霧給水泵送至廢水分配器，廢水分配器起到均布3個霧化噴嘴水量的作用。廠區(qū)壓縮空氣經(jīng)過空氣凈化器去除油分等雜質(zhì)后進入壓縮空氣分配器，由壓縮空氣分配器均布進入霧化噴嘴的壓縮空氣量。經(jīng)過均布的脫硫廢水和壓縮空氣進入霧化噴嘴可使得3個霧化噴嘴保持一致工藝參數(shù)，從而保證霧化噴嘴噴霧的均一性。工程3#機組4個煙道上總共布置12個專用噴嘴，整個工藝流程短、設(shè)備少。

　　3、運行結(jié)果與討論

　　在不同機組負荷條件下進行燃燒計算及鍋爐熱平衡計算，在不同負荷時噴入不同量的脫硫廢水、煙氣參數(shù)，如表1所示。

　　廢水噴嘴至電除塵器進口煙道長度為34.5m，不同負荷下，煙道中煙氣停留時間均大于2s。表2為在機組不同負荷情況下，噴入不同量的脫硫廢水的完全蒸發(fā)時間t2、電除塵器入口煙氣溫度θg2、煙氣溫降Δθg以及煙氣質(zhì)量流量的變化ΔqV。

　　由表2可知，完全蒸發(fā)時間遠小于煙氣在煙道中的停留時間，可保證脫硫廢水噴入后在進入電除塵器前完全蒸發(fā)，因此直接采用主煙道噴霧蒸發(fā)工藝是可行的。負荷增加時，煙氣質(zhì)量焓增加，煙氣可蒸干更多的廢水。電除塵入口煙氣溫度都在110℃以上，均高于酸的露點，酸不會結(jié)露，不會對電除塵器及煙道產(chǎn)生腐蝕。脫硫廢水經(jīng)過煙道噴霧蒸發(fā)后，煙氣平均溫度降低，降低程度降隨廢水噴入量的增加而增加。煙道內(nèi)實際狀態(tài)下，100%、75%、50%負荷時煙氣體積流量分別減少了1.46%、1.47%、1.41%，減少量較小。

　　連續(xù)運行2個月時間后檢查的煙道內(nèi)部情況，發(fā)現(xiàn)易積灰的彎頭部分和煙道水平段均未出現(xiàn)明顯積灰現(xiàn)象。

　　根據(jù)脫硫廢水Cl-平衡計算可知(Cl-的質(zhì)量濃度按20g/L計)，廢水干燥后的產(chǎn)物全部進入粉煤灰，蒸發(fā)析出的固體總量占煙氣中粉煤灰總量小于0.6%，粉煤灰中Cl-的含量大約增加0.15%左右。按照GB175-2007要求，粉煤灰硅酸鹽水泥中Cl-的質(zhì)量分數(shù)要求不大于0.06%。根據(jù)此標準的要求，粉煤灰硅酸鹽水泥混入粉煤灰的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)>20%且≤40%，脫硫廢水Cl-全部進入粉煤灰并混入硅酸鹽水泥中，水泥中Cl-的質(zhì)量分數(shù)在0.03%～0.06%，滿足GB175-2007要求。

　　由于脫硫廢水的噴入，煙氣濕度由7.15%增加至7.63%，煙氣相對濕度增加0.5%左右，降低了粉煤灰的比電阻，可以防止和減弱高比電阻粉塵的反電暈，從而可以提高電除塵器的除塵效率。同時，在脫硫塔的噴淋冷卻作用下，水分凝結(jié)進入脫硫塔的漿液循環(huán)系統(tǒng)被重復(fù)利用，可以減少濕法脫硫工藝用水量。

　　4、效益分析

　　工程總投資400萬元，遠少于雙堿軟化、過濾+膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶的傳統(tǒng)工藝投資。工程中僅需對脫硫廢水進行簡單預(yù)處理，不需投加藥劑，僅有電氣系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)的運行電耗，運行費用小于10元/t，遠低于傳統(tǒng)的工藝，且運行過程中無需專業(yè)操作人員及相關(guān)費用，實現(xiàn)無人值守，相比其他零排放工藝具有明顯的經(jīng)濟效益優(yōu)勢。

　　與傳統(tǒng)脫硫廢水零排放工藝相比，煙氣噴霧蒸發(fā)技術(shù)特點有：投資成本低;進水水質(zhì)要求低，僅配套簡單的預(yù)處理單元去除濁度;系統(tǒng)操作簡單，運行中不需要添加藥劑，運行費用少;改造工期短、工程量小、可嵌入原發(fā)電系統(tǒng)，無需專門用地等。但是煙氣噴霧蒸發(fā)工藝不產(chǎn)生回用水，其他零排放工藝的產(chǎn)水可回用電廠生產(chǎn)。

　　5、結(jié)論

　　控制霧化液滴直徑、合理優(yōu)化布置霧化噴嘴、保證各個霧化噴嘴噴霧的均一性、準確計算噴入脫硫廢水后煙氣及粉煤灰特性變化是工程成功實施的關(guān)鍵點。

　　在不同機組負荷情況下，在空氣預(yù)熱器與電除塵器之間的煙道中噴入脫硫廢水，可以完全蒸發(fā)，實現(xiàn)脫硫廢水零排放。噴入脫硫廢水后的粉煤灰中Cl含量僅增加了0.15%，不會對后續(xù)工藝產(chǎn)生負面影響。煙氣相對濕度增加0.5%左右，可以提高電除塵器的除塵效率。

　　煙氣噴霧蒸發(fā)進行脫硫廢水零排放技術(shù)，具有工藝流程短、操作簡單、占地面積小和成本優(yōu)勢明顯等特點。(來源：湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，武漢天和技術(shù)股份有限公司，武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院)