【技術匯】燃煤電廠脫硫廢水零排放技術研究進展
燃煤發電會產生大量的含硫危害氣體，煙氣濕法脫硫工藝是燃煤電廠最常使用降低煙氣污染的技術，脫硫效果顯著，但濕法脫硫產生的廢水會造成二次污染，須要進行特殊處理。從煙氣脫硫廢水的處理現狀入手，簡述了脫硫廢水產生來源、水質特點及其危害，重點介紹了基于蒸發結晶技術和煙氣余熱干化技術的脫硫廢水零排放工藝路線，分析了其核心技術原理及優缺點，比對了其應用效果，并從知識產權角度分析了零排放的技術主體，并展望了脫硫廢水零排放技術的發展趨勢。
燃煤發電仍是我國現階段最主要發電方式，煤在燃燒過程中會產生含有大量二氧化硫的煙氣并對空氣造成污染，因此必須采用恰當的煙氣脫硫方式。我國大多數燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法對煙氣進行脫硫，該法會產生含有高濃度的氯離子、硫酸根離子和重金屬離子的脫硫廢水。目前脫硫廢水多采用中和-化學沉淀-絮凝-澄清的傳統工藝處理，產出水質不能滿足現今環保要求，具有硬度高、氯離子濃度高、腐蝕性強等缺點，難以處理、回收和利用，直接排放將對環境造成嚴重危害。隨著《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》和《火電廠污染防治技術政策》的頒布實施，對燃煤電廠節水與污染物排放提出了更加嚴格的要求，使得脫硫廢水零排放技術成為研究熱點。
脫硫廢水零排放工藝路線繁多，其核心技術主要分為蒸發結晶技術和煙氣余熱干化技術。本文對燃煤電廠脫硫廢水的來源和水質特點、脫硫廢水零排放工藝核心技術原理及其優缺點和研究應用現狀進行了介紹，并對下一步脫硫廢水零排放技術的研究方向進行了展望。
1 燃煤電廠脫硫廢水的來源及特點
在燃煤電廠，煙氣污染物主要包括了二氧化硫、硫化物、氯化物、氟化物、重金屬離子和煙塵等，為了防止硫化物的污染，要對含硫煙氣進行脫硫處理。按工藝特點目前主要可分濕法、半干法和干法3種煙氣脫硫技術，中國煙氣脫硫技術和其應用比例如圖1所示，大部分燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝。濕法脫硫工藝為避免系統內污染物富集，須排放一部分廢水以維持系統內污染物濃度，這部分廢水主要含有大量懸浮物、過飽和的亞硫酸鹽、硫酸鹽以及重金屬等污染物。脫硫廢水水質特點及其可能危害影響見表1。
圖1 中國煙氣脫硫技術與其應用占比
表1 脫硫廢水水質特點及可能危害影響
2 脫硫廢水零排放技術
目前燃煤電廠應用最廣泛的脫硫廢水處理技術是“三聯箱”法，即化學混凝沉淀法，處理工藝流程見圖2。該工藝是較為成熟的脫硫廢水處理技術，但其化學藥劑用量大、出水水質無法達到回用水要求，且污泥產生量大、難處理，使其無法滿足新形勢下脫硫廢水的處理要求。因此，脫硫廢水零排放理念自提出以來就受到了廣泛的重視，脫硫廢水深度處理新技術和新工藝被不斷研發和應用。
脫硫廢水綜合處理利用，一般根據實際脫硫廢水水質和水量情況，經由預處理、濃縮減量、末端固化等多步驟形成一套完整的脫硫廢水零排放處理系統。末端固化處理是其中的關鍵步驟，根據原理的不同現階段主要分為兩種思路:
1）蒸發結晶。即使脫硫廢水中的溶解鹽結晶析出，并對結晶鹽固體進行單獨處理。
2）煙氣余熱干化。即利用鍋爐煙氣余熱干化脫硫廢水，并對干化產物進行綜合利用。蒸發結晶的原理是將經預處理與濃縮后的脫硫廢水，利用煙氣、蒸汽或熱水等熱源進行蒸發，蒸發產生的水汽直接揮發或冷凝后回用，濃縮的污染物以結晶鹽析出，干燥后綜合利用或處置。煙氣余熱干化技術則是將脫硫廢水霧化后噴入煙道或旁路煙道中，經過煙氣熱量加熱、蒸發，溶解性鹽結晶析出后隨煙氣一起經過除塵除氣處理后進入灰渣系統。蒸發結晶技術與煙氣余熱干化技術各自具有優缺點和適用范圍，實際燃煤電廠脫硫廢水零排放技術選擇和工藝設計需要結合各電廠的實際情況制定。
圖2“三聯箱”處理工藝流程
2.1 蒸發結晶技術
蒸發結晶技術是指利用蒸發結晶設備對脫硫廢水進行深度處理繼而實現高純度結晶鹽和回收水的一種技術。當前，最為主流的蒸發結晶工藝包括多效蒸發技術（MED）與蒸汽機械再壓縮技術（MVR）。
2.1.1 多效蒸發技術
多效蒸發技術（MED）是將多個蒸發器裝置進行串聯使用，每一個蒸發器視為一效，前一效為后一效提供加熱蒸汽，后一效作為前一效的冷凝器，以此類推。多效蒸發工藝流程如圖3所示。
圖3 多效蒸發工藝流程
一般來說，多效蒸發的效數在3～5范圍內，這一過程蒸汽熱能得到多次循環利用，熱能利用效率高、操作彈性大，不足之處在于該工藝占地面積大、蒸汽消耗量大。廣東河源電廠采用四效立管強制循環蒸發結晶技術，實現了脫硫廢水的零排放；山東某電廠采用三效蒸發結晶法對脫硫廢水進行深度處理。
2.1.2 蒸汽機械再壓縮技術
蒸汽機械再壓縮技術（MVR）是利用機械壓縮機對二次蒸汽進行壓縮，使其溫度和壓力可以滿足作為蒸發器熱源的條件，從而再次對廢水進行蒸發產生新的二次蒸汽，以此循環蒸發。蒸汽機械再壓縮工藝流程如圖4所示。
圖4 MVR工藝流程
蒸汽機械再壓縮技術與多效蒸發技術相比，其系統換熱效率高、占地面積小，并且在運行成本和能耗方面占據優勢。如國電漢川電廠與佛山三水恒益電廠就采用MVR技術來實現脫硫廢水的零排放。佛山三水恒益電廠脫硫廢水處理系統工藝流程見圖5。
圖5 佛山三水恒益電廠脫硫廢水處理系統工藝流程
2.2 煙氣余熱干化技術
煙氣余熱干化技術是將廢水通過噴嘴霧化方式進入煙道，受高溫煙氣快速蒸發汽化，其中各種固態小顆粒會通過煙氣靜電除塵系統進入干灰中，既而完成脫硫廢水零排放處理。常見噴嘴霧化器包括雙流體霧化器與旋轉霧化器（圖6）。目前，煙氣余熱干化技術主要包括主煙道煙氣干化技術和旁路煙道煙氣干化技術。
圖6 雙流體霧化器（左圖）與旋轉霧化器（右圖）
2.2.1 主煙道煙氣干化技術
主煙道煙氣干化技術是指將脫硫廢水經噴嘴霧化，直接噴入空氣預熱器和煙氣除塵器之間的煙道內，在煙氣余熱作用下迅速干燥蒸發，廢水中的懸浮物和一些可溶性固體結晶形成細小固體顆粒，隨煙氣進入除塵器中，實現脫硫廢水的零排放。主煙道煙氣干化工藝流程如圖7所示。該技術設備操作簡單，占地面積小，無須添加化學藥劑，運行成本低，能夠提高煙氣濕度和電除塵器對煙氣的除塵效率，但在處理過程受煙氣溫度、煙道長度等限制。目前主煙道煙氣干化技術在國外有著廣泛的應用，但在國內應用率不高，僅在內蒙古上都電廠、焦作萬方電廠和寧夏靈武電廠等開展了工程應用。
圖7 主煙道煙氣蒸發技術工藝流程
2.2.2 旁路煙道煙氣干化技術
旁路煙道煙氣干化技術與主煙道煙氣干化技術的基本原理相同，將脫硫廢水經霧化噴射裝置霧化之后噴入新建的旁路煙道和蒸發器中，再從空氣預熱器引入高溫煙氣，直接接觸霧化廢水進行熱交換將廢水蒸發。蒸發后的水蒸氣進入煙氣，懸浮物和可溶物的細小固體顆粒被除塵器去除，既而實現脫硫廢水零排放處理。旁路煙道煙氣干化工藝流程如圖8所示。該技術自動化程度高，設備簡單，煙氣熱量利用率高，且旁路煙道系統相對獨立于主系統，對主系統影響較小，維修便利，與主煙道煙氣干化技術相比可有效避免煙道腐蝕、結垢與積灰風險。與此同時，也存在占地面積大、投資成本高、影響鍋爐熱效率等不足之處。焦作萬方電廠于空氣預熱器設置旁路煙道蒸發，雖從主系統抽取煙氣，鍋爐效率略有下降，但完全處理了全廠高鹽脫硫廢水；廣西北海某電廠采用旁路煙道煙氣干化對脫硫廢水進行處理，利用300～350℃的高溫煙氣與霧化的脫硫廢水在旁路蒸發器內充分混合蒸發，成功實現了脫硫廢水的零排放。
圖8 旁煙道煙氣蒸發技術工藝流程
3 蒸發結晶技術與煙氣余熱干化技術優劣對比
蒸發結晶技術和煙氣余熱干化技術作為燃煤電廠脫硫廢水零排放的主流核心技術，有其各自的優缺點和適用范圍，兩種技術的優缺點總結見表2。
表2 蒸發結晶與煙氣余熱干化技術對比表
4 脫硫廢水零排放技術的應用研究
當前零排放過程的幾種關鍵技術，蒸發結晶技術及利用煙氣余熱干化技術都能實現脫硫廢水的零排放。蒸發結晶技術成熟且穩定，成本高，結晶混回收利用低；煙氣余熱干化技術利用煙氣余熱，能耗低，成本低，但目前仍在研究推廣階段。兩種技術在經濟性、適用性及改造過程中都存在不同程度的問題。
脫硫廢水零排放技術路線須結合燃煤電廠的生產及廢水特點來選擇，采用多種工藝配套組合，形成一套高效、低成本的脫硫廢水零排放處理系統。表3列舉了國內燃煤電廠脫硫廢水零排放技術的實際應用與工藝路線。
表3 國內燃煤電廠脫硫廢水零排放技術實際應用與工藝路線
5 脫硫廢水零排放技術專利分析
結合技術、法律及經濟3個指標，通過國家知識產權專利分析系統對脫硫廢水零排放技術專利統計進行了分析。隨著各國對知識產權的日益重視，以及國內外對脫硫廢水零排放相關技術創新能力提升，其專利申請數量正在穩步提升，其中中國申請專利占據專利總量的一半以上。國內脫硫廢水零排放相關專利申請多集中在北京、江蘇、浙江、陜西和福建等省和直轄市，國外則主要是日本栗田工業與美國康藝公司專利申請占比較大。從專利類型看，國內申請的發明專利與實用新型專利占比大致均等，我國脫硫廢水處理技術大多以現有工廠實際存在的問題為導向進行改進和創新。從專利申請人看，在國內脫硫廢水排放處理領域，企業是技術創新的主要力量，其中以中國石油化工集團有限公司和大唐環境產業集團股份有限公司實力最為強勁，浙江省能源集團有限公司近年來也緊隨其后加快技術研發，但大專院校和各科研機構尚未成為該領域的創新主體。從專利技術構成看，各零排放工藝都會先對脫硫廢水進行濃縮減量處理，煙道干化技術與蒸發結晶技術結合副產物的資源化利用技術已成為專利的主要申請方向。
6 結論與展望
我國脫硫廢水零排放技術仍處于初步階段，零排放技術存在工藝不成熟、投資運行成本大、適用性弱等不足，推廣應用率不夠高。因此如何進行技術革新，開發高效益、低成本、適用范圍廣的脫硫廢水零排放新工藝，將是技術研究重點。
現存的蒸發結晶技術具有操作彈性大、對水質適應能力強等優點，但也存在預處理要求高、濃縮減量復雜、系統耗能高的缺點。在相關后續研究中應著重考慮脫硫廢水預處理和濃縮減量的優化技術，開發新型化學混凝劑，提高混凝處理效果，降低用量節約成本。現存煙道煙氣余熱干化技術具有工藝簡單、耗能低和對后續設備影響小等優點，但對工藝設計要求較高且未處理終端固化產物，存在一定的環境風險。在相關后續研究中應著重于煙道長度及煙氣溫度、液滴粒徑和噴嘴布置等因素對廢水處理效果的影響，及優化改善后續固化產物及低溫余熱的綜合利用模式。
最近一種新的脫硫廢水零排放技術被提出，該技術先利用納濾系統對脫硫廢水進行初步濃縮，納濾產水經由電滲析系統和蒸發結晶系統處理得高純度工業鹽，納濾濃水通過碟管式反滲透系統和煙氣蒸發系統深度處理。這種脫硫廢水雙路濃縮技術結合了蒸發結晶技術和煙氣余熱干化技術的優點，具有污染物去除徹底、系統運行高效穩定等特點，或許能為燃煤電廠脫硫廢水零排放技術的優化提供新的思路。
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