300MW機組低溫余熱閃蒸脫硫廢水零排放技術應用研究
摘要：火電廠濕法脫硫廢水零排放已成為大家關注的重點問題。通過分析某電廠脫硫廢水水質特性，提出了一種低溫煙氣余熱閃蒸脫硫廢水深度處理技術，并進行了15m³/h的工程化處理示范。運行結果表明，該工藝系統結構簡單，運行穩定可靠，凝結水回收率高，無廢水排放，達到了脫硫廢水零排放的目的。無需加藥預處理，利用廢水中的石膏作為晶種，實現廢水濃縮過程中二價鹽結晶分離。系統運行費用低，每處理1m³脫硫廢水直接運行成本約為19.42元。從原水與凝結水水質指標對比可以看出，除氨氮外，凝結水中懸浮物（SS）、化學需氧量、鈣離子、鎂離子、硫酸根離子、氯離子等主要指標的去除率均高于96%，主要指標基本達到了GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》中鍋爐補給水水質標準要求。
關鍵詞：脫硫廢水；低溫多效閃蒸；煙氣余熱；深度處理技術；自結晶；防結垢；零排放
0 引言
目前工業窯爐中常用的煙氣脫硫方法有濕法、半干法、干法等化學脫除方法，其中石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術因技術成熟、脫硫效率高、煤種適用性強等優勢而被廣泛應用，特別是在燃煤發電廠。但在實際運行過程中，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，易引起設備管道腐蝕、脫硫效率降低、破壞脫硫系統物質平衡等問題。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》），對火電廠工業廢水排放提出了新要求，倒逼火電廠進行全廠廢水零排放改造。2017年發布的《火電廠污染防治可行性技術指南》同樣提出要實現廢水近零排放的關鍵是實現脫硫廢水的零排放。目前深能合和電力（河源）有限公司、佛山市三水恒益火力發電廠有限公司、浙江浙能長興發電有限公司、山西大唐國際臨汾熱電有限責任公司已完成脫硫廢水零排放工程實施，它們均以多效蒸發、機械蒸汽再壓縮蒸發、膜處理技術和煙道蒸發為主要處理工藝。然而以上示范項目存在投運期短、經濟性差、系統穩定性差等問題。
本文在深入分析脫硫廢水水質特性的基礎上，提出了一種低溫余熱閃蒸蒸發脫硫廢水技術，并在300MW機組處理15m3/h脫硫廢水工程中進行了工程示范，目前系統運行穩定，凈水回用率高，取得了很好的效果。
1 脫硫廢水特點及處理現狀
以山西某電廠煙氣濕法脫硫水力旋流器出口廢水為例，廢水水質數據（設計值）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、硫酸根離子質量濃度高，易結垢；pH值低，呈酸性，氯離子濃度高，易引起設備及管道腐蝕；有一定的汞、鎘、鉻等重金屬；水質參數波動大，組分復雜。
目前脫硫廢水主要通過“中和—絮凝—沉淀”三聯箱方式進行處理。回用水利用途徑主要有干灰調濕、灰場噴灑或灰渣冷卻。脫硫廢水替代在除灰、除渣系統調濕用水，具有系統改造成本低、結構簡單、操作簡單等優勢，但除灰、除渣系統所用水量遠遠小于脫硫廢水產生量，脫硫廢水無法得到充分利用。此外，因傳統預處理后的廢水中仍含有大量的氯離子，pH值低，易于對除灰、除渣系統管路造成腐蝕、堵塞。
2 低溫余熱閃蒸蒸發脫硫廢水零排放系統
2.1 低溫多效蒸發技術原理
本脫硫廢水零排放技術原理有2個突出方面，具體如下。
（1）低溫余熱閃蒸利用原理。
本文技術根據水溶液沸點隨壓力降低而降低的原理，實現脫硫廢水的梯級多效蒸發濃縮。一方面，利用除塵器出口低塵低溫煙氣熱量，并通過真空泵建立煙道換熱器系統負壓，使得換熱器中產生低于100℃的低溫沸騰蒸汽，作為多效蒸發系統的外部熱源，實現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系統負壓，根據脫硫廢水不同壓力下對應的沸點蒸發溫度，使得脫硫廢水在分離器負壓的作用下閃蒸成蒸汽，實現外部熱源熱量從Ⅰ效到Ⅲ效的梯級利用。
（2）加熱器高效防垢原理。
采用控制流速強制循環技術、催化磁化及結晶防垢技術。控制強制循環流速，提高傳質流動，降低了管壁結垢風險。通過廢水磁化處理，使得處在成核條件附近無序熱運動的結垢無機鹽離子對獲得能量，被迫調整彼此碰撞方位，形成均勻成核條件，因此產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先凝聚在固體石膏晶核上，從而減輕加熱器結垢風險。
2.2 工藝流程
低溫余熱閃蒸蒸發技術應用在石灰石-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、煙道換熱器系統、多效閃蒸蒸發系統、冷卻系統、濃液處理系統、排空系統等6個系統組成。在除塵器出口至引風機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介質（除鹽水）加熱成低于100℃的低溫蒸汽，并將蒸汽（熱源）送至Ⅰ效蒸發系統對廢水進行蒸發濃縮，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。此部分為蒸發系統的低溫余熱獲取環節。
來自水力旋流器出口脫硫廢水送至廢水來料箱，經廢水來料泵送至多效蒸發系統加熱濃縮。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行換熱，被加熱后的廢水再進入Ⅰ效分離器完成汽、液分離，并利用Ⅰ效強制循環泵進行強制循環蒸發濃縮物料，在Ⅰ效蒸發系統內經多次循環后，完成初步濃縮的料液通過平衡管在液位壓差的作用下進入Ⅱ效分離器，同時Ⅰ效分離器產生的二次蒸汽進入Ⅱ效加熱器，作為Ⅱ效蒸發系統的熱源。以此類推，廢水不斷地濃縮結晶，凈水不斷地蒸發冷凝。最終，Ⅲ效分離器出口的二次蒸汽在尾氣冷凝器內利用循環冷卻水將蒸汽冷凝成凝結水，收集在尾氣冷凝罐中。Ⅲ效蒸發系統中漿液質量濃度被濃縮設計值大于1300kg/m³時，開啟出料閥門，利用Ⅲ效強制循環泵出口壓頭，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充各效分離器、加熱器內的物料，各效物料的補充速度由進料電動閥控制，從而達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，結晶體和飽和母液經分離后，固體被送去石膏庫，飽和母液回送至廢水來料箱，進而隨廢水重新進入多效蒸發系統進行濃縮結晶。上述低溫余熱閃蒸蒸發技術不同于膜法濃縮，不需要預處理，系統更為簡單可靠、操作更為簡便；
系統熱源取自除塵器出口煙氣余熱，系統運行成本更低；整個多效蒸發系統采用外熱式強制蒸發工藝，極大地降低了系統管道、設備結垢的可能性。
2.3 工程示范技術參數
根據山西某300MW機組煙氣條件及脫硫廢水水質參數，采用煙氣低溫余熱閃蒸蒸發脫硫廢水零排放技術，投資建成了處理水量為15m3/h的脫硫廢水零排放示范工程。該工程主要工藝設備技術參數見表2。
3 應用示范結果分析
3.1 技術經濟性分析
按照整個系統試運行期間數據統計，該廢水零排放系統的直接運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、設備折舊費用等，本脫硫廢水零排放系統總的直接運行成本約為19.42元/m³。深能合和電力（河源）有限公司采用“預處理+蒸發結晶+分鹽”技術，實際零排放運行費用為70~80元/m³，本技術運行費用為19.42元/m³，遠低于上述電廠技術。
3.2 試運行結果分析
3.2.1 處理能力分析
本脫硫廢水深度處理工程項目于2019年6月26日開始并進行168h試運行，因#2機組煙氣換熱器未安裝，故系統處理能力設計值按照50%進行測算。數據記錄見表3。由表3可以看出，項目168h試運行期間，累計處理廢水量為681t,凝結水回收水量為632t，平均回收水率為92.8%。因機組負荷不同，除塵器出口。
表2 主要工藝設備選型
煙氣量及溫度均低于設計值。故通過負荷折算至鍋爐最大連續蒸發量（BMCR）工況下的脫硫廢水處理量平均值為7.55t/h，凝結水回收量平均值為7.01t/h，達到了設計處理能力。3.2.2出水水質分析
試運行期間對廢水來料箱中廢水原水取樣（FS）和凝結水泵出口凝結水取樣（NS），檢測數據結果見表4。
定義去除率S=（FSi-NSi）/FSi×100%，
式中：FSi為表4中脫硫廢水原水中第i個檢測指標測定值；NSi表示表4中凝結水中第i個檢測指標測定值；i=2~14。
脫硫廢水處理前后，不同類檢測指標去除率如圖2所示。從圖中可以看出，除氨氮外，脫硫廢水中其他指標去除率均高于96%（余氯除外）。說明本技術對低沸點物質（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，被濕法脫硫系統吸收后進入脫硫廢水中。
GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》中鍋爐補給水水質標準見表5。對照表4中凝結水測定值，除氨氮指標外，主要指標基本達到了鍋爐補給水水質標準，但需進一步去除氨氮等，方可作為鍋爐補給水。此外，凝結水中氯離子、鈣、鎂、硫酸根離子質量濃度遠小于原脫硫廢水，故此凝結水可直接作為脫硫工藝補水。
3.2.3 防結垢分析
從脫硫廢水水質參數中可以看出，廢水中鈣離子、鎂離子、硫酸根離子等二價離子較多，水質硬度較高，系統容易結垢。采用外熱式強制循環蒸發，通過強制循環泵的動力，使得廢水以較高（通常大于1m/s）流速循環流動，提高了各效加熱器的換熱效率，同時降低了系統管道結垢的風險。
整個系統連續運行40d后，停機查看系統結垢情況，發現Ⅰ效、Ⅱ效系統管道無結垢，Ⅲ效分離器局部有輕微結垢，高壓水沖洗后，污垢脫落。取出結垢物分析，結垢物主要為鹽類，易溶于水。3.3長期結果分析截至目前，系統已穩定運行近9個月，系統處理穩定，凝結水水質指標穩定，最近一次停機檢查，未發現設備結垢。日常凝結水主要化驗電導率、pH值、濁度、硅、鐵離子、硫酸根及氯離子等水質指標。2020年3月的部分日常化驗數據見表6。
4 結束語
本技術方案利用除塵器出口低溫熱源及負壓閃蒸原理，通過廢水輸送統、煙氣換熱器系統、多效蒸發系統、濃漿壓濾結晶系統和排空系統等六大系統，構建成了煙氣低溫余熱閃蒸蒸發脫硫廢水零排放工藝，并完成了15m³/h脫硫廢水零排放工業化示范。運行結果表明：系統運行穩定，處理能力達到了設計要求，且運行成本低，處理每立方米脫硫廢水直接成本僅約為19.42元。
不需要預處理，利用廢水中石膏作為晶種，結合末端的壓濾結晶技術，實現了脫硫廢水中鹽的濃縮自結晶分離。
多效蒸發單元采用了外熱式強制循環蒸發方式，能夠保證在濃縮過程中脫硫廢水循環流動，降低了系統結垢風險。
多效蒸發系統凝結水提取率高，高達92.8%以上，凝結水進一步處理后可作為鍋爐補給水或者直接作為脫硫工藝補水。
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