低溫低壓蒸發(fā)技術(shù)在脫硫廢水零排中的應(yīng)用

＊霍玉濤 張海軍

（1.北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司 北京 100142 2.安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司 安徽 237000）

1.實(shí)驗(yàn)原因及目的

(1)實(shí)驗(yàn)原因

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫過程中，由于煙氣中HCl及石灰石脫硫劑中含氯組分等的溶解吸收，會使脫硫漿液中Cl-濃度逐漸升高，為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和保證石膏品質(zhì)，需控制脫硫漿液中Cl-濃度不高于20000mg/L，定期排出一部分漿液，即脫硫廢水，廢水成分主要包括懸浮物、過飽和的亞硫酸鹽和硫酸鹽、無機(jī)鹽離子（Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-）及重金屬等，其中很多是國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中要求控制的第一類污染物。由于水質(zhì)的特殊性及各種重金屬離子對環(huán)境很強(qiáng)的污染性，脫硫廢水處理難度大且需進(jìn)行單獨(dú)處理。因此，盡管脫硫廢水水量在電廠廢水中比例較小，但是其含鹽量高、污染種類多、水質(zhì)波動大，已成為燃煤電廠中成分最復(fù)雜、處理難度最大的廢水。隨著廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格及用水、排水收費(fèi)制度的建立，火電廠作為用水、排水大戶，無論從環(huán)境保護(hù)還是從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度，節(jié)約用水和減少外排廢水已變得十分必要。

2015年4月16日，國務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動計(jì)劃》，簡稱“水十條”。嚴(yán)苛的環(huán)保政策促使電廠的廢水必須實(shí)施零排放。

現(xiàn)有常規(guī)的脫硫廢水零排放工藝路線比較，如表1。

通過表1比較結(jié)果，不難看出，低溫蒸發(fā)濃縮+旁路煙道蒸發(fā)最大的優(yōu)點(diǎn)就是無需進(jìn)行預(yù)處理，而且不受廢水處理總量限制，有很高的靈活性，且操作簡單，日常維護(hù)量小等，在廢水零排放市場，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，未來市場空間很大。同時，該工藝在運(yùn)行過程中，將廢水濃縮的同時，將廢水中的水蒸發(fā)出來，回收利用，在實(shí)現(xiàn)廢水零排放的同時，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的。

表1 脫硫廢水零排放工藝路線比較

(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

①由于廢水含Ca2+、Mg2+、SO42-高，濃縮后設(shè)備尤其是換熱器易堵塞，重點(diǎn)考慮晶種法防結(jié)垢問題，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行；

②摸索各設(shè)備換熱系數(shù)K。

2.實(shí)驗(yàn)原理及工藝描述

(1)實(shí)驗(yàn)原理

低溫蒸發(fā)技術(shù)原理：將脫硫廢水加熱到一定溫度后引入蒸發(fā)室，由于該蒸發(fā)室中的壓力控制在低于熱脫硫廢水溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓的條件下，故熱脫硫廢水進(jìn)入蒸發(fā)室后急速地部分氣化，從而使熱脫硫廢水自身實(shí)現(xiàn)了濃縮的目的。

(2)工藝描述

本試驗(yàn)選擇單效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)工藝，熱源選用低品位蒸汽。

物料流向：原料經(jīng)進(jìn)料泵進(jìn)入蒸發(fā)室，蒸發(fā)室內(nèi)廢水經(jīng)強(qiáng)制循環(huán)泵輸送至加熱室管程，而后被加熱后的廢水再次進(jìn)入蒸發(fā)室蒸發(fā)濃縮，達(dá)到濃縮要求后經(jīng)出料泵排出。

蒸汽及冷凝水流向：飽和生蒸汽進(jìn)入加熱室殼程與原料進(jìn)行換熱，冷凝后排至界外再利用；分離產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入間接冷凝器，與間接冷凝器殼程的循環(huán)水換熱冷凝后，冷凝水進(jìn)入冷凝水罐收集，輸送至外界再利用，間接冷凝器內(nèi)的不凝氣由真空泵排出。

本套系統(tǒng)中會產(chǎn)生少量不凝氣，長期積累會在冷凝側(cè)的局部形成較高濃度，導(dǎo)致傳熱效率明顯下降，本蒸發(fā)系統(tǒng)在加熱室設(shè)有專用的不凝氣排出口，因此在蒸發(fā)過程中可隨時打開不凝氣閥門進(jìn)行定期排出，以提高傳熱效率。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

本實(shí)驗(yàn)裝置按照廢水進(jìn)料量1000kg/h，蒸發(fā)量按照667kg/h，濃縮倍率按照3倍進(jìn)行設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)過程中進(jìn)行了兩組168連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，一組原水取自澄清器后，另外一組原水取自三聯(lián)箱前。

澄清器后原水中主要為可溶解性鹽分及少量懸浮物，澄清器后取水168期間，進(jìn)入系統(tǒng)的廢水總量184t（含可溶性鹽及懸浮物）,平均每小時廢水給料量1095kg/h；二次蒸汽冷凝水總量116.28t,平均每小時蒸發(fā)量為692kg/h；平均濃縮倍率2.72倍。本組試驗(yàn)濃縮液出料泵排放量與進(jìn)料泵流量連鎖，進(jìn)料泵流量與蒸發(fā)室液位連鎖，由于蒸發(fā)室液位波動較大，未達(dá)到濃縮倍率要求，所以在8月14日19:10修改濃縮倍率為3.6，8月15日10:47修改濃縮倍率為4，15:28調(diào)整濃縮倍率為4.5。

三聯(lián)箱前原水中主要為可溶解性鹽分及懸浮物，懸浮物濃度為1%～3%，三聯(lián)箱前取水168期間，進(jìn)入系統(tǒng)的廢水總量193t（含可溶性鹽及懸浮物）,平均每小時廢水給料量1149kg/h；二次蒸汽冷凝水總量122.69t，平均每小時蒸發(fā)量為730kg/h；平均濃縮倍率2.74倍。本組試驗(yàn)濃縮液出料泵排放量與二次蒸汽冷凝水流量連鎖，進(jìn)料泵流量與蒸發(fā)室液位連鎖，蒸發(fā)室液位波動范圍調(diào)小，且168試驗(yàn)期間未進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

(1)熱量平衡

①澄清器后取水

A.進(jìn)入系統(tǒng)熱量

表2 進(jìn)入系統(tǒng)熱量（澄清期后取水）

B.帶出系統(tǒng)熱量

表3 帶出系統(tǒng)熱量（澄清期后取水）

C.熱量損失：11.06%

②三聯(lián)箱前取水

A.進(jìn)入系統(tǒng)熱量

表4 進(jìn)入系統(tǒng)熱量（三聯(lián)箱前取水）

B.帶出系統(tǒng)熱量

表5 帶出系統(tǒng)熱量（三聯(lián)箱前取水）

C.熱量損失：9.84%

(2)水平衡

表6 水平衡

(3)Cl平衡

①澄清器后取水

澄清器后取水試驗(yàn)過程，水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，據(jù)分析415號原水樣品，430～433號濃縮液樣品中Cl離子濃度有問題，故在Cl平衡計(jì)算過程中有問題的樣品中的Cl濃度采用實(shí)驗(yàn)過程中自己化驗(yàn)的數(shù)據(jù)，得出以下計(jì)算結(jié)果。

由于廢水來水水質(zhì)有波動，所以取樣化驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際會有誤差。

表7 Cl平衡

(4)pH變化曲線

圖1 pH變化曲線（澄清器后取水）

圖2 pH變化曲線（三聯(lián)箱前取水）

(5)密度變化曲線

澄清器后取水：原水密度基本穩(wěn)定在1.02～1.04t/m3之間，濃縮液后邊密度升高，是因?yàn)樘岣吡藵饪s倍率。

三聯(lián)箱前取水：原水密度基本穩(wěn)定在1.04～1.08t/m3之間，含固量1%～3%之間，其中14日化驗(yàn)結(jié)果顯示，取樣存在問題，剔除該點(diǎn)。整體來看，原水濃度發(fā)生變化時第二天濃縮液的數(shù)據(jù)也會隨之發(fā)生變化，變化趨勢與前一天原水濃度變化趨勢一致。

圖3 密度變化曲線（澄清器后取水）

圖4 密度變化曲線（三聯(lián)箱前取水）

(6)TDS變化曲線

圖5 TDS曲線（澄清器后取水）

澄清器后取水：原水TDS基本穩(wěn)定，略有降低，濃縮液后邊TDS濃度升高，是因?yàn)樘岣吡藵饪s倍率。一天之內(nèi)即可達(dá)到設(shè)定濃縮倍率。

三聯(lián)箱前取水：試運(yùn)行第二天即可達(dá)到設(shè)定濃縮倍率，濃縮液TDS與原水TDS變化趨勢基本一致。

圖6 TDS曲線（三聯(lián)箱前取水）

(7)Cl-變化曲線

圖7 Cl-濃度變化曲線（澄清器后取水）

圖8 Cl-濃度變化曲線（三聯(lián)箱前取水）

澄清器后取水：原水Cl-基本穩(wěn)定，略有降低，濃縮液后期濃縮液Cl-濃度升高，是因?yàn)樘岣吡藵饪s倍率。

(8)濃縮倍率變化曲線

本曲線濃縮倍率按照后一天濃縮液TDS濃度與前一天原水TDS值計(jì)算得來。

澄清器后取水168期間，中間出現(xiàn)循環(huán)水泵故障，導(dǎo)致停機(jī)2次，蒸汽管路泄露導(dǎo)致停機(jī)1次。

澄清器后取水168期間，濃縮液出料泵排放量與進(jìn)料泵流量連鎖，進(jìn)料泵流量與蒸發(fā)室液位連鎖，由于蒸發(fā)室液位波動較大，所以前期未達(dá)到濃縮倍率要求，所以在8月14日19:10修改濃縮倍率為3.6，8月15日10:47修改濃縮倍率為4，15:28調(diào)整濃縮倍率為4.5，濃縮倍率才達(dá)到要求。

三聯(lián)箱前取水168期間，濃縮液出料泵排放量與二次蒸汽冷凝水流量連鎖，進(jìn)料泵流量與蒸發(fā)室液位連鎖，蒸發(fā)室液位波動范圍調(diào)小，且168試驗(yàn)期間未進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，所以濃縮倍率較為平穩(wěn)。

圖9 濃縮倍率變化曲線

(9)成分分析

①不帶晶種

對第一組實(shí)驗(yàn)中分離室垢層、分離室人孔門垢層進(jìn)行成分分析，CaSO4·2H2O≥99%。

表8 分離室垢層成分分析（不帶晶種）

圖10 分離室壁板及分離室人孔門結(jié)垢樣品

②帶晶種

表9 固體成分分析（帶晶種）

對第二組試驗(yàn)中原水懸浮物、濃縮液懸浮物、濃縮液濾液結(jié)晶鹽進(jìn)行成分分析，懸浮物中半水硫酸鈣考慮為烘干過程中失掉結(jié)晶水，所以懸浮物成分以CaSO4·2H2O為主；濃縮液濾液結(jié)晶鹽成分以MgCl2·6H2O為主。

圖11 濃縮液濾液結(jié)晶鹽、原水懸浮物、濃縮液懸浮物樣品

4.結(jié)垢情況

(1)澄清器后取水

2020年8月10日-2020年8月17日，進(jìn)行了第一組168實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，廢水從澄清器后引入蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，通過運(yùn)行情況來看，運(yùn)行期間，換熱效果未出現(xiàn)明顯下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開分離室人孔門及加熱器變徑管，觀察系統(tǒng)結(jié)垢情況，分離室壁板結(jié)垢厚度約1mm，顏色呈紅色，對分離室壁板結(jié)垢以及分離室人孔門結(jié)垢進(jìn)行成分分析，CaSO4·2H2O≥99%，成分分析中未發(fā)現(xiàn)Fe3+存在，考慮可能是有機(jī)物導(dǎo)致廢水顏色及結(jié)垢層顏色為紅色。

(2)三聯(lián)箱前取水

2020年10月10日-2020年10月17日，進(jìn)行了第二組168實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，廢水從三聯(lián)箱前引入蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，運(yùn)行前，系統(tǒng)內(nèi)結(jié)垢未進(jìn)行酸洗，在原結(jié)垢基礎(chǔ)上繼續(xù)運(yùn)行，通過運(yùn)行情況來看，運(yùn)行期間換熱效果未出現(xiàn)明顯下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開分離室人孔門及加熱器變徑管，觀察系統(tǒng)結(jié)垢情況，換熱器及分離室壁板結(jié)垢厚度未出現(xiàn)明顯增加，結(jié)垢層厚度仍為1mm左右，且分離室結(jié)垢出現(xiàn)了局部脫落情況。

5.傳熱系數(shù)

(1)加熱室傳熱系數(shù)

用生蒸汽溫度和循環(huán)漿液溫度計(jì)算，加熱室傳熱系數(shù)～1050kJ/(h.m2.℃)，低于設(shè)備廠家提供的600～800W/(h.m2.℃)；根據(jù)運(yùn)行參數(shù)，加熱室生蒸汽冷凝水溫度低于50℃，說明加熱室選型偏大，加熱室內(nèi)存有生蒸汽冷凝水，導(dǎo)致加熱室換熱面積并未得到充分利用，所以用設(shè)計(jì)換熱面積核算的換熱系數(shù)偏低。

(2)冷凝器傳熱系數(shù)

用循環(huán)水進(jìn)出口溫度、二次蒸汽溫度、二次蒸汽冷凝水溫度計(jì)算，冷凝器傳熱系數(shù)2200～2900kJ/(h.m2.℃)，高于設(shè)備廠家提供的500W/(h.m2.℃)。

6.結(jié)論

(1)系統(tǒng)運(yùn)行

兩次168試運(yùn)行期間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，換熱效果良好，系統(tǒng)未出現(xiàn)處理能力下降情況。系統(tǒng)最大出力，二次蒸汽最大蒸發(fā)量可達(dá)1.27t/h。

(2)二次蒸汽冷凝水水質(zhì)

①澄清器后取水168運(yùn)行期間，二次蒸汽冷凝水水質(zhì)非常好，TDS濃度為5～10mg/L，完全可以回收利用。

②三聯(lián)箱前取水168運(yùn)行期間，二次蒸汽冷凝水水質(zhì)非常好，TDS濃度為＜15mg/L，完全可以回收利用。

(3)系統(tǒng)結(jié)垢

澄清器后取水168運(yùn)行期間，系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了少量結(jié)垢，結(jié)垢層厚度1mm左右，顏色呈紅色，對分離室壁板結(jié)垢以及分離室人孔門結(jié)垢進(jìn)行成分分析，CaSO4·2H2O≥99%，成分分析中未發(fā)現(xiàn)Fe3+存在，考慮可能是有機(jī)物導(dǎo)致廢水顏色及結(jié)垢層顏色為紅色。

三聯(lián)箱前取水168運(yùn)行期間，垢層在原有垢層基礎(chǔ)上未見明顯增加，而且出現(xiàn)了局部脫落情況。

結(jié)垢層沒有影響系統(tǒng)換熱效果以及系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，且晶種法有良好的防結(jié)垢的效果。

(4)傳熱系數(shù)

加熱室生蒸汽冷凝水溫度低于50℃，說明加熱室選型偏大，加熱室內(nèi)存有生蒸汽冷凝水，導(dǎo)致加熱室換熱面積并未得到充分利用，導(dǎo)致核算加熱室傳熱系數(shù)～1050kJ/(h.m2.℃)。

冷凝器傳熱系數(shù)2200～2900kJ/(h.m2.℃)，高于設(shè)備廠家提供的500W/(h.m2.℃)。