煙道蒸發(fā)脫硫廢水零排放的優(yōu)化應(yīng)用研究

林 煒

(浙江天暢環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310012)

隨著煙氣超低排放要求的全面落實(shí)，濕法脫硫工藝廣泛地應(yīng)用于煙氣治理中[1]，隨之帶來的脫硫廢水二次污染源的產(chǎn)生正日益成為焦點(diǎn)，而國家近幾年進(jìn)一步收緊政策使得企業(yè)不得不開始考慮脫硫廢水零排放處理問題。傳統(tǒng)的脫硫廢水三聯(lián)箱處理工藝具有投資大、運(yùn)行費(fèi)用高、部分污染物難達(dá)標(biāo)、且還有少量廢水產(chǎn)生等問題[2-3]。目前的脫硫廢水零排放工藝主要采用預(yù)處理+末端處理，其中末端處理主要是通過蒸發(fā)將脫硫廢水實(shí)現(xiàn)零排放[4]。濃縮煙道蒸發(fā)脫硫廢水零排放工藝是在煙道蒸發(fā)基礎(chǔ)上優(yōu)化而來的一種濕法脫硫廢水處理工藝，本文通過將其應(yīng)用于嘉興新嘉愛斯熱電廠的220 t/h鍋爐上，分析了該技術(shù)優(yōu)化特點(diǎn)、對煙氣各相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行的影響以及廢水處理費(fèi)用，以為煙道蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 濕法脫硫廢水概述

濕法脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水具有以下特性[5-7]：水質(zhì)特性變化大，且不穩(wěn)定；腐蝕性強(qiáng)，pH值為5～6，偏酸性，氯離子(Cl-)含量高，為5～20 g/L；懸浮物SS含量較高，為10～60 g/L，且變化大；硬度大，含大量的金屬離子(Ca2+、Mg2+等)，總量為20～50 g/L；化學(xué)需氧量(COD)超標(biāo)，在脫硫廢水中，還原態(tài)的無機(jī)物連二硫酸鹽是形成化學(xué)耗氧的主要原因，其可生化性差；重金屬(Hg、Cr、Pb、Ni、Cd)含量高等。脫硫廢水經(jīng)傳統(tǒng)工藝(三聯(lián)箱)處理后可以去除廢水中的懸浮物、重金屬、部分鈣鎂，但排放的廢水中有些指標(biāo)仍然難以達(dá)到《火電廠石灰石-石膏法濕法脫硫廢水水質(zhì)控制指標(biāo)》(DL/T997—2006)標(biāo)準(zhǔn)的要求，主要為Cl-、SS、COD、氟化物等[8-9]，不能排入市政污水管道。

有些電廠特別是中小型的機(jī)組，由于脫硫廢水量少，利用廢水處理系統(tǒng)處理脫硫廢水的經(jīng)濟(jì)性較低，經(jīng)常將脫硫廢水輸送至灰場或煤場進(jìn)行噴灑處理[10]。這種利用空曠的場區(qū)進(jìn)行脫硫廢水自然蒸發(fā)的處置方式雖然可以降低場區(qū)揚(yáng)塵，但最終脫硫廢水中的污染物將隨著煤再一次進(jìn)入到鍋爐系統(tǒng)中，由于場區(qū)的噴灑為開放式，對污染物的流向較難約束，可能會對地下水或空氣造成再次的污染。因此，采用該處置方式時需要考慮其對周邊環(huán)境造成的影響。為了實(shí)現(xiàn)真正意義的脫硫廢水零排放，目前針對脫硫廢水的末端處理方式主要有蒸發(fā)結(jié)晶和煙道蒸發(fā)兩種處理工藝。

1. 1 蒸發(fā)結(jié)晶工藝

在高溫狀態(tài)下對工藝廢水進(jìn)行蒸發(fā)，除結(jié)晶水外所有水分均以水蒸氣形式排出，經(jīng)冷凝后形成純凈的蒸餾水回用，廢水中的鹽類和污染物經(jīng)過濃縮結(jié)晶形成固體產(chǎn)物。此類產(chǎn)物一般是被送往垃圾處理廠填埋或?qū)⑵浠厥兆鳛橛杏玫幕ぴ蟍11-12]。蒸發(fā)結(jié)晶處理工藝對水質(zhì)的適應(yīng)能力較好[13]，但因能耗較高導(dǎo)致其處理成本高、經(jīng)濟(jì)性較差，同時結(jié)晶出的鹽很難作為工業(yè)鹽在市場流通，進(jìn)而容易產(chǎn)生新的固體廢物。

1. 2 煙道蒸發(fā)工藝

將末端廢水霧化后噴入除塵器入口前煙道內(nèi)，利用煙氣余熱將霧化后的廢水蒸發(fā)，也可以引出部分煙氣到噴霧干燥器中，利用煙氣的熱量對末端廢水進(jìn)行蒸發(fā)處理[14-15]。在煙道霧化蒸發(fā)處理工藝中，廢水中的水分以水蒸氣的形式進(jìn)入脫硫吸收塔內(nèi)，冷凝后形成蒸餾水，進(jìn)入脫硫系統(tǒng)循環(huán)利用[16-17]。同時，末端廢水中的溶解性鹽在廢水蒸發(fā)過程中結(jié)晶析出，并隨煙氣中的灰一起在除塵器中被捕集。目前煙道蒸發(fā)處理工藝主要有主煙道蒸發(fā)技術(shù)和旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)和旁路噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)[18]，這三種煙道蒸發(fā)技術(shù)在工藝原理、水質(zhì)適應(yīng)能力、處理能力、運(yùn)行費(fèi)用和技術(shù)缺陷方面的對比，詳見表1。

表1 煙道蒸發(fā)技術(shù)對比

2 煙道蒸發(fā)技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用案例分析

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司的脫硫廢水零排放工藝采用了濃縮煙道蒸發(fā)技術(shù)，該工藝與以往的煙道蒸發(fā)工藝的不同在于將旁路蒸發(fā)濃縮與煙道蒸發(fā)相疊加，在除塵器后引一部分低塵熱煙氣進(jìn)入蒸發(fā)濃縮塔，充分利用了煙氣的余熱將脫硫廢水濃縮，并把高濕煙氣引回除塵器后與原煙氣混合進(jìn)入脫硫塔；混合后的煙氣溫度降低、濕度增加，可節(jié)省后續(xù)工藝水的耗量；濃縮后的廢水再由噴射系統(tǒng)噴灑入除塵器前煙道，在煙道里二次加熱蒸發(fā)，隨煙氣進(jìn)入除塵器，結(jié)晶體和污染物與飛灰一起由除塵器捕集，最終與飛灰一起處置。該濃縮煙道蒸發(fā)技術(shù)流程圖，見圖1。

圖1 濃縮煙道蒸發(fā)技術(shù)流程圖Fig.1 Flow chart of the technology in concentration and flue evaporation

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司2#鍋爐為220 t/h額定蒸發(fā)量，配套一爐一塔濕法脫硫工藝，常規(guī)的脫硫廢水產(chǎn)生量約為1.0 t/h，考慮到脫硫廢水間歇外排和操作人員運(yùn)行排班情況，脫硫廢水處理量按3.5 t/h設(shè)計。該脫硫廢水零排放工程項(xiàng)目新上一臺旁路增壓風(fēng)機(jī)及蒸發(fā)塔，廢水經(jīng)蒸發(fā)濃縮后，脫硫廢水量降低至0.5～0.7 t/h，含固量為5%～10%。濃縮廢水經(jīng)噴射系統(tǒng)噴灑于除塵器前部煙道，后隨熱煙氣蒸發(fā)，污染物隨除塵器捕集混合灰收集外運(yùn)，工藝簡便、無二次污染源產(chǎn)生。嘉興新嘉愛斯熱電有限公司脫硫廢水零排放工程項(xiàng)目主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 嘉興新嘉愛斯熱電有限公司脫硫廢水零排放工程項(xiàng)目主要設(shè)計參數(shù)

2. 1 低塵蒸發(fā)濃縮優(yōu)化

經(jīng)過預(yù)處理的脫硫廢水是低濃度的廢水，為了減輕對除塵器的影響，本項(xiàng)目設(shè)置了濃縮系統(tǒng)，以提高廢水的濃度。由于將低塵熱煙氣作為蒸發(fā)熱源，蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部的含塵量較少，系統(tǒng)較潔凈，不易引起設(shè)備結(jié)垢、管道堵塞等故障。水蒸氣和濃縮廢水分兩路回除塵脫硫系統(tǒng)，對煙道、除塵器等設(shè)備起到了一定的保護(hù)作用，不會有大量的高濕煙氣混入除塵器前的高粉塵煙道，造成煙道和除塵器內(nèi)部粉塵結(jié)團(tuán)黏壁；有限的濃縮廢水量噴灑不會造成大幅度的溫降和濕度的增加，確保了設(shè)備的正常運(yùn)行及可靠的防腐性能。

新建一座蒸發(fā)塔，塔內(nèi)設(shè)置兩層噴淋層，塔底部漿池內(nèi)設(shè)置攪拌器，脫硫廢水通過大流量循環(huán)泵不斷循環(huán)濃縮。在蒸發(fā)塔內(nèi)利用135℃的低塵熱煙氣與廢水進(jìn)行換熱濃縮，水分在高溫?zé)煔庾饔孟抡舭l(fā)，最終進(jìn)入濕法脫硫塔。隨著水分的蒸發(fā)，廢水的濃度不斷升高，廢水量大大降低，廢水量可以濃縮至原來的1/10。經(jīng)水質(zhì)分析，蒸發(fā)濃縮前后廢水水質(zhì)的對比表明(見表3)：除了氨氮以外，蒸發(fā)濃縮后廢水中各種物質(zhì)的含量均有所提高，而氨氮主要是由于熱煙氣的吹脫作用部分進(jìn)入了氣相，導(dǎo)致其濃度有所下降。

表3 蒸發(fā)濃縮前后脫硫廢水水質(zhì)對比

2. 2 噴射系統(tǒng)優(yōu)化

煙道蒸發(fā)工藝是一種基于噴霧干燥技術(shù)的工藝，基本原理是將溶液霧化噴入高溫?zé)煹纼?nèi)，廢水以霧滴狀與高溫氣體接觸，液滴在高溫?zé)煔獾淖饔孟略跓煹纼?nèi)蒸發(fā)結(jié)晶，廢水中的雜質(zhì)及可溶鹽晶體進(jìn)入干式除塵系統(tǒng)隨粉煤灰一起被捕集，一同被收集存儲及外排，系統(tǒng)廢水經(jīng)消耗殆盡從而達(dá)到脫硫廢水零排放的目的。

為了更精確的設(shè)備選型和噴槍布置，采用了CFD流場模擬。流場模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬煙道內(nèi)的湍流流動[19]，該模型通過對湍流動能k和湍流動能耗散率ε進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)的?；瘉矸忾]湍流狀態(tài)下的流動控制方程[20]。

對于脫硫廢水的流動，采用離散相模型，即在拉格朗日坐標(biāo)系下處理液滴相，在歐拉坐標(biāo)系下處理氣相。假設(shè)粒子的運(yùn)動按照隨機(jī)軌跡模型與氣相耦合，粒子在運(yùn)動過程中與四周進(jìn)行著動量、熱量和物質(zhì)交換，發(fā)生水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出[21-22]。

對于氣相的非預(yù)混反應(yīng)，采用漩渦/動力學(xué)模型進(jìn)行模擬。該模型可以很好地模擬湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用，在計算化學(xué)反應(yīng)速率時，同時計算湍流耗散速率和阿累尼烏斯速率，繼而取其中的較小者。

經(jīng)CFD流場模擬，可得到不同粒徑霧滴和廢水噴射速度對考察面溫度分布的影響，見圖2和圖3。

圖2 不同粒徑霧滴對考察面溫度分布的影響Fig.2 Influence diagram of different particle size droplets on the temperature distribution of sinspection urface

由圖2可見，霧滴粒徑越小，溫度分布越均勻，霧滴粒徑為50 μm溫度分布的均勻性優(yōu)于霧滴粒徑為75 μm的，說明粒徑越小霧滴在高溫?zé)煹览镌饺菀渍舭l(fā)，氣液兩相混合時間越短，溫度分布的均勻性越好。

圖3 不同廢水噴射速度對考察面溫度分布的影響Fig.3 Influence diagram of different jet velocity of wastewater on the temperature distribution of inspection surface

由圖3可見，噴射速度越快，對附近的影響區(qū)域越大，能快速擾動混合，溫度均勻性好。

根據(jù)流場模擬的結(jié)果，噴槍選取雙流體噴槍，在壓縮空氣為0.3～0.4 MPa的作用下，廢水的液滴霧化直徑可以小于50 μm，噴槍出口處廢水噴射速度為21.8 m/s，其有效距離的廢水噴射速度為9.4 m/s。在電袋除塵器入口垂直煙道的噴射截面上設(shè)置了4組雙流體噴槍噴灑濃縮廢水，每套噴槍流量為900 L/h，廢水與煙氣順流噴射，在煙道里停留時間約為2 s，能使廢水完全蒸發(fā)。噴槍平面和立面布置圖見圖4和圖5。

圖4 噴槍平面布置圖(單位：mm)Fig.4 Layout plan of spray gun (unit:mm)

2. 3 設(shè)置自清洗過濾系統(tǒng)

為減少系統(tǒng)的堵塞，在管路上設(shè)置了自清洗過濾系統(tǒng)。自清洗過濾系統(tǒng)的主體設(shè)備為自清洗過濾裝置，通過高精度過濾材料對脫硫廢水進(jìn)行固液分離，使廢水中粒徑>100 μm的顆粒被截留分離出來，出水的含固率降低至1 %以下。自清洗過濾系統(tǒng)采用DCS邏輯自動控制，可定時或定壓進(jìn)行自動反沖洗，并以定壓為優(yōu)先原則，確保系統(tǒng)壓力小于0.05 MPa，反沖洗排液進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的脫水系統(tǒng)。自清洗過濾器內(nèi)部過流部件材質(zhì)為PP，濾芯材質(zhì)為PE，系統(tǒng)反沖洗間隔時間可視水質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整。自清洗過濾系統(tǒng)P&ID流程圖，見圖6。

圖5 噴槍立面布置圖(單位：mm)Fig.5 Vertical layout of spray gun (unit:mm)

圖6 自清洗過濾系統(tǒng)P&ID流程圖Fig.6 Flow chart of self-cleaning filtration system P&ID

3 運(yùn)行影響分析

3. 1 對除塵器的影響

在除塵器前噴灑濃縮廢水，提高了煙氣濕度，會提高電場的擊穿電壓，有利于提高電介質(zhì)強(qiáng)度，降低粉塵比電阻，減小氣體黏度，并有利于提高電袋除塵器的除塵效率；若采用的是布袋除塵器，由于是采用濃縮廢水而非原水噴灑，蒸發(fā)塔內(nèi)大部分的水汽蒸發(fā)并隨煙氣被帶至脫硫塔前煙道，大大降低了噴灑量，運(yùn)行時濃縮廢水噴灑后布袋除塵器入口煙氣溫度僅降低3～5 ℃，濕度增加0.25%，對布袋除塵器的除塵效率幾乎沒有影響，更不會引起糊袋。

3. 2 對脫硫水耗的影響

蒸發(fā)塔出口的低溫高濕煙氣將廢水中的大量水分帶至脫硫塔前與原煙氣混合后進(jìn)入脫硫塔，在脫硫塔內(nèi)經(jīng)噴淋、冷卻作用后重新生成水進(jìn)入漿液循環(huán)系統(tǒng)，可降低脫硫工藝耗水量。脫硫塔入口煙氣溫度下降5～10 ℃，煙氣濕度增加1%，使水氣充分再利用，降低了脫硫系統(tǒng)工藝耗水量。

3. 3 對灰流動性的影響

傳統(tǒng)的煙道蒸發(fā)技術(shù)噴灑量全部集中在除塵器入口，大量高濕煙氣進(jìn)入除塵器系統(tǒng)會增加粉煤灰的濕度，使粉煤灰流動性變差，容易引起輸送管路堵塞。但濃縮煙道蒸發(fā)技術(shù)將會大大降低這種風(fēng)險，因?yàn)楹瑵駸煔鈱⒋蟛糠值乃謳е撩摿蛩埃荛_了除塵器系統(tǒng)，降低了對灰濕度的影響，除塵器入口的煙氣濕度僅增加了0.25%，對灰濕度的影響可以忽略不計。

3. 4 對粉煤灰品質(zhì)的影響

本工程項(xiàng)目通過對照分析有、無投運(yùn)廢水的除塵器出灰品質(zhì)來說明廢水對灰分品質(zhì)的影響。本工程項(xiàng)目廢水投運(yùn)的是2#鍋爐，對比參照無廢水投運(yùn)的3#鍋爐，可以看出：投運(yùn)廢水零排放系統(tǒng)后，灰分中氯化物、氨氮、氧化鈣的含量提升相對較大，其中灰分中氯化物含量是投運(yùn)前的7.53倍，氧化鈣含量是投運(yùn)前的1.66倍，氨氮含量也有大幅度的提高，見表4。

經(jīng)計算，廢水噴灑后固體總量約占粉煤灰總量的0.67 %，氯化物含量約占粉煤灰?guī)r量的0.2 %。根據(jù)《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)標(biāo)準(zhǔn)的要求，水泥中Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.06 %。因此，脫硫廢水經(jīng)過濃縮蒸發(fā)后，粉煤灰用于制作水泥時，摻混比例不應(yīng)高于30 %。根據(jù)灰分檢測結(jié)果，未投運(yùn)廢水時灰分中氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.5%，投運(yùn)廢水后灰分中氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.1%，所以本鍋爐投運(yùn)爐內(nèi)脫硫時Ca/S比值較大，導(dǎo)致粉煤灰中未反應(yīng)的脫硫劑較多，本底基數(shù)較大，為14.5%?？梢?，投加的廢水導(dǎo)致了灰分中氯化物、氨氮、氧化鈣等物質(zhì)的含量增多，但不影響灰分二次回收利用的品質(zhì)要求。

3. 5 對設(shè)備的影響

獨(dú)立的旁路蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，不會影響主機(jī)及現(xiàn)有煙氣治理工藝流程。低塵熱煙氣是較純凈的煙氣，絕大部分的雜質(zhì)和粉塵已被去除，其進(jìn)入蒸發(fā)塔后，蒸發(fā)塔、管道結(jié)垢堵塞的風(fēng)險降低，濃縮廢水的含固量為5%～10 %，且不斷地循環(huán)流動，管道堵塞的幾率小，此外蒸發(fā)塔底部漿液區(qū)設(shè)置了攪拌器、循環(huán)管，不斷地擾動，以防止?jié){液、結(jié)晶沉積。廢水零排放系統(tǒng)投運(yùn)后，煙氣溫降小，除塵器入口溫度僅降低3～5℃，煙氣溫度約130℃，高于酸露點(diǎn)15～20℃，幾乎不對設(shè)備腐蝕產(chǎn)生影響。

3. 6 運(yùn)行成本

本工程項(xiàng)目廢水零排放系統(tǒng)處理量為3.5 t/h，系統(tǒng)無需額外熱源，能耗低,其運(yùn)行費(fèi)用見表5。

由表5可知，每噸廢水的處理費(fèi)用僅為12.8 元，低于常規(guī)的煙道蒸發(fā)工藝。

4 結(jié) 論

將經(jīng)過除塵器后的低塵熱煙氣濃縮脫硫廢水再進(jìn)行煙道蒸發(fā)的脫硫廢水零排放工藝，使?jié)饪s廢水和濕煙氣分道回除塵脫硫系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)的故障率，優(yōu)化了脫硫廢水零排放工藝。

(1) 系統(tǒng)的噴射區(qū)布置均勻，噴射末端速度9.4 m/s及粒徑為50 μm均有利于廢水蒸發(fā)，廢水停留時間達(dá)到了2 s以上。設(shè)置的自清洗過濾系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動控制，降低了管道堵塞風(fēng)險，確保了系統(tǒng)的運(yùn)行安全和可控性。

(2) 對除塵器入口煙氣的溫濕度產(chǎn)生影響，溫降3～5℃，濕度增加0.25%；可提升電除塵器除塵效率，但對布袋除塵器的除塵效率、飛灰的流動性幾乎沒有影響；高濕低溫(55℃過飽和濕煙氣)的蒸發(fā)塔出口煙氣進(jìn)入脫硫塔前煙道與原煙氣混合，降低溫度5～10℃，提高入塔煙氣的濕度(增加1%)，節(jié)約了脫硫系統(tǒng)的工藝耗水量，節(jié)省了物耗。

(3) 粉煤灰控制摻灰比例在30 %以下，不影響水泥的品質(zhì)。濃縮煙道蒸發(fā)工藝廢水處理的單價較低，為12.8 元/t，低于常規(guī)的煙道蒸發(fā)工藝，具有明顯的競爭優(yōu)勢。