燃煤電廠脫硫廢水煙道蒸發(fā)產(chǎn)物特性分析

國能龍?jiān)喘h(huán)保有限公司大同分公司 馬 帥

1 引言

伴隨2015年《水污染防治行動計劃》的發(fā)布，國家在治理水污染方面的力度逐漸加大，在水污染中，脫硫廢水的成分比較復(fù)雜，而且包含重金屬，得到了社會各界的廣泛關(guān)注。因此，本文研究的燃煤電廠脫硫廢水煙道蒸發(fā)產(chǎn)物特性論題在現(xiàn)實(shí)層面意義重大。

2 脫硫廢水處理技術(shù)分析

現(xiàn)階段，脫硫廢水處理技術(shù)除包括生物處理和零排放技術(shù)外，還有化學(xué)沉淀方法。對化學(xué)沉淀方法來說，該種脫硫廢水處理技術(shù)在我國電廠擁有較高的利用率?；瘜W(xué)沉淀方法可以明顯去除大多數(shù)金屬以及懸浮物，可以符合有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是化學(xué)沉淀方法無法有效去除可溶性鹽分，例如無法去除氯離子，不能很好地去除重金屬離子，在去除硒方面表現(xiàn)不佳，同時運(yùn)行此方法的費(fèi)用很高。

就生物處理技術(shù)來說，此技術(shù)不僅可以利用微生物能夠?qū)ι锝到獾目扇苄杂袡C(jī)污染物進(jìn)行處理，還能夠把大部分不可溶性污染物轉(zhuǎn)變成絮狀物，能夠明顯去除脫硫廢水的重金屬，舉例說明，生物處理技術(shù)能夠?qū)⑽档偷?0-9級，可以把汞降低到10-12級。生物處理技術(shù)的缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜，造價比較高，而且有很高的概率會生產(chǎn)帶毒的有機(jī)硒及帶毒有機(jī)汞，使二次污染問題出現(xiàn)。煙道蒸發(fā)方法即通過氣液兩相流噴嘴，對脫硫廢水進(jìn)行霧化處理，將其噴到空氣預(yù)熱器及除塵器中間的煙道內(nèi)部，借助煙氣的余熱充分蒸發(fā)廢水，讓廢水的污染物轉(zhuǎn)變成結(jié)晶物或者鹽類，除塵器會同時捕集廢水污染物以及飛灰，達(dá)到不排放脫硫廢水目標(biāo)。

3 研究背景

依據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）的報告，脫硫廢水煙道蒸發(fā)有一定概率導(dǎo)致的不利影響如下，如果蒸發(fā)產(chǎn)物混到飛灰中，將有較大可能性改變其特性，對飛灰綜合運(yùn)用造成不利影響，除塵器無法捕集全部的含氯產(chǎn)物，將有一定概率加劇除塵器腐蝕問題以及煙道腐蝕問題，還會使運(yùn)行維護(hù)的成本不斷增加。脫硫廢水煙道蒸發(fā)產(chǎn)物包括固態(tài)產(chǎn)物以及氣態(tài)產(chǎn)物，靜電除塵器在去除固態(tài)顆粒方面效果較好，但是在去除氣態(tài)產(chǎn)物方面效果不佳，出于對脫硫廢水煙道蒸發(fā)導(dǎo)致的負(fù)面影響進(jìn)行評估目的，相關(guān)人員在研究時應(yīng)該從以下幾方面出發(fā)：一是對脫硫廢水煙道蒸發(fā)產(chǎn)物的固態(tài)及氣態(tài)產(chǎn)物分配比例進(jìn)行探究。二是研究固態(tài)產(chǎn)物特性和固態(tài)產(chǎn)物特性給飛灰性質(zhì)、飛灰綜合運(yùn)用造成的影響。三是需要分析靜電除塵器無法捕集的物質(zhì)會給之后的設(shè)備造成何種影響。

4 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)設(shè)備

4.1 氣態(tài)產(chǎn)物的試驗(yàn)系統(tǒng)分析

量取10mL 的脫硫廢水，將其放置在三口燒瓶內(nèi)部，在恒溫150℃的油浴鍋內(nèi)部進(jìn)行加熱，讓鼓風(fēng)機(jī)空氣貼近脫硫廢水的液面，完成吹掃操作，鼓風(fēng)機(jī)空氣的體積流量是0.1m3/h。三口燒瓶排出氣體將進(jìn)至洗氣瓶內(nèi)部，洗瓶的純水會吸收氣態(tài)產(chǎn)物，將余下氣體排空，使用離子色譜來分析洗氣瓶內(nèi)部水的成分，純水體積是100mL[1]。

4.2 固態(tài)產(chǎn)物的試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)設(shè)備

脫硫廢水煙道蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)的過程：先把模擬煙氣加到混氣瓶內(nèi)部，使用加熱裝置來加熱煙氣，利用測溫裝置對煙氣溫度進(jìn)行控制，在符合需要的煙氣溫度之后，利用風(fēng)機(jī)，把高溫?zé)煔馔ㄏ蛎摿驈U水煙道蒸發(fā)的試驗(yàn)裝置，利用氣液相流噴嘴進(jìn)行霧化，使其變成細(xì)小液滴，液滴長度大約為50μm。

之后液滴和高溫?zé)煔膺M(jìn)行充分接觸，出現(xiàn)明顯的熱交換現(xiàn)象，此時脫硫廢水會立刻蒸發(fā)，達(dá)到蒸發(fā)處理脫硫廢水目的。試驗(yàn)系統(tǒng)除了會將溫度測點(diǎn)設(shè)置在煙氣入口和煙氣出口外，還會將其設(shè)置在煙道上部、煙道中部、煙道下部，利用熱電偶完成測量工作。就濕度測量來說，選用兩個高溫型溫濕度傳感器，型號分別是KZWS/GW 及KZWS/G，該溫濕度傳感器的濕度范圍在0～100%，精度為±3%RH，屬于24VDC 供電，數(shù)據(jù)采集位置設(shè)置在煙道出口和煙道入口。霧化噴嘴選擇SUJ-J1型的雙流體噴嘴。雙流體噴嘴使用的壓縮空氣由HDW750型空氣壓縮機(jī)供應(yīng)。試驗(yàn)的尾部煙氣采樣工作使用EN2型便捷式精密煙氣分析儀，在出口位置收集廢水蒸干的產(chǎn)物。脫硫廢水成分分析表見表1。

表1 試驗(yàn)所用脫硫廢水的成分分析表（單位：mg/L）

就試驗(yàn)的控制參數(shù)來說，煙氣體積流量是40m3/h，煙氣溫度是150℃，脫硫廢水的體積流量是40ml/min，空氣壓縮機(jī)的排氣壓力是0.2MPa。

4.3 產(chǎn)物表征的分析儀器

利用X 射線衍射儀即XRD 對脫硫廢水煙道蒸發(fā)產(chǎn)物組成和脫硫廢水煙道蒸發(fā)產(chǎn)物的物相進(jìn)行分析。選擇CuKα 輻射，試驗(yàn)X 射線的管壓是40kV，其管流是50mA，試驗(yàn)步進(jìn)是0.01°，2θ的范圍是5°到80°，每分鐘掃描速度是2°。對衍射譜圖解析來說，需利用X 射線粉末衍射數(shù)據(jù)庫開展物相分析操作。利用X 射線能譜儀即EDS 分析所含元素，該X 射線能譜儀為INCA 能譜儀。利用S-450型掃描電子顯微鏡即SEM 來對各飛灰樣品的顆粒形貌進(jìn)行觀察。選擇Au 離子濺射方法進(jìn)行制樣，在能譜分析過程中，設(shè)定加速電壓是25kV，在此基礎(chǔ)上開展各放大倍率的電子圖像觀察工作。

就飛灰比電阻來說，試驗(yàn)選擇DR-3型高壓飛灰比電阻試驗(yàn)臺來完成測定工作，測量溫度是25℃，測量電壓是2kV。在氣相產(chǎn)物檢測工作中，本次試驗(yàn)選用了IC6000離子色譜儀[2]。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 蒸發(fā)產(chǎn)物特性分析

利用離子色譜來分析脫硫廢水蒸發(fā)氣態(tài)產(chǎn)物試驗(yàn)系統(tǒng)所得洗氣瓶的水樣，獲得離子色譜圖，發(fā)現(xiàn)水樣包含多種陰離子，除NO2-、NO3-和F-外，還有Br-及Cl-，說明脫硫廢水煙道蒸發(fā)環(huán)節(jié)的氣態(tài)產(chǎn)物除有一定概率包含HCl、HBr 和HF 外，還有可能包含HNO2及HNO3，表明在脫硫廢水煙道蒸發(fā)時，少數(shù)鹵素物質(zhì)及含氮物質(zhì)將通過氣態(tài)形式進(jìn)行揮發(fā)。

對HCl 物質(zhì)揮發(fā)量、HF 物質(zhì)揮發(fā)量、HBr 物質(zhì)揮發(fā)量、HNO2物質(zhì)揮發(fā)量、HNO3物質(zhì)揮發(fā)量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)HCl 揮發(fā)量較多，為154.1mg/L，通過深層次計算，可獲得脫硫廢水煙道蒸發(fā)的氣態(tài)產(chǎn)物和固態(tài)產(chǎn)物比例，發(fā)現(xiàn)Br-氣態(tài)產(chǎn)物及NO2-氣態(tài)產(chǎn)物比例很高，而NO3-氣態(tài)產(chǎn)物占據(jù)比例很低。

5.2 固態(tài)產(chǎn)物特性分析

通過脫硫廢水煙道的蒸發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠得到定量固態(tài)產(chǎn)物，對固態(tài)產(chǎn)物開展EDS 分析，能夠發(fā)現(xiàn)脫硫廢水蒸發(fā)產(chǎn)物的元素除O 元素、S 元素、Ca元素、Na 元素外，還有Mg 元素、Cl 元素和Fe 元素。脫硫廢水蒸發(fā)產(chǎn)物的元素含量見表2[3]。

表2 脫硫廢水蒸發(fā)產(chǎn)物的元素含量表（單位：%）

為深入分析固態(tài)產(chǎn)物包含的詳細(xì)物質(zhì)成分，試驗(yàn)開展XRD 分析，通過固態(tài)產(chǎn)物XRD 圖譜，發(fā)現(xiàn)固態(tài)產(chǎn)物包含物質(zhì)除CaSO4和NaSO4外，還有NaCl。

依據(jù)飛灰化學(xué)成分分析表，能夠發(fā)現(xiàn)飛灰化學(xué)成分主要為氧化物，除SiO2和K2O 外，還有Al2O3與Na2O，SiO2與Al2O3是主要成分，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過60%。脫硫廢水煙道的蒸發(fā)產(chǎn)物主要是CaSO4、Na2SO4及NaCl，Ca 元素含量和Cl 元素含量要遠(yuǎn)比飛灰的Ca 元素及Cl 元素含量多。飛灰化學(xué)成分分析表見表3。

表3 飛灰化學(xué)成分分析表（單位：%）

出于深入分析脫硫廢水蒸發(fā)的固態(tài)產(chǎn)物和飛灰之間的差別目的，工作人員使用掃描電子顯微鏡來掃描固態(tài)產(chǎn)物以及飛灰，獲得二者的形貌特征圖，能夠發(fā)現(xiàn)固態(tài)產(chǎn)物是片狀或者柱狀品型，飛灰是球狀。圖1為固態(tài)產(chǎn)物SEM 圖，圖2為飛灰SEM 圖。

圖1 固態(tài)產(chǎn)物SEM 圖

圖2 飛灰SEM 圖

按照用在水泥與混凝土的飛灰標(biāo)準(zhǔn)，限制飛灰的游離氧化鈣指標(biāo)和堿含量指標(biāo)，脫硫廢水煙道的蒸發(fā)產(chǎn)物不包含氧化物，而且堿性金屬的含量較低，說明將適量脫硫廢水噴向煙道并不會影響飛灰綜合運(yùn)用。

5.3 分析脫硫廢水煙道給飛灰比電阻造成的影響

脫硫廢水煙道蒸發(fā)的固態(tài)產(chǎn)物和飛灰性質(zhì)之間區(qū)別較大，固態(tài)產(chǎn)物有一定概率會使飛灰特性發(fā)生改變，導(dǎo)致靜電除塵器在除塵方面的功能發(fā)生變化，其關(guān)鍵指標(biāo)為飛灰比電阻[4]。

飛灰比電阻這一指標(biāo)可以在衡量飛灰導(dǎo)電功能工作中發(fā)揮重要作用，一般來說，按照飛灰比電阻大小，能夠把粉塵劃分為低比電阻飛灰、中比電阻飛灰、高比電阻飛灰三類。在低比電阻飛灰中，ρ ≤104Ω·cm；在中比電阻飛灰中，104＜ρ ＜5×1010Ω·cm；在高比電阻飛灰中，ρ ≥5×1010Ω·cm。

靜電除塵器性能受到的影響如下：首先，電暈電流需要借助極板的飛灰層傳導(dǎo)至接地收塵極，假如飛灰比電阻大于臨界值，在此情況下，電暈電流在經(jīng)過飛灰層時會遭受限制，對電暈放電特性有所影響，進(jìn)而對除塵效率造成不利影響。其次，就飛灰來說，高比電阻飛灰具有較強(qiáng)的黏附力，為清理電極的飛灰層，應(yīng)加大振打的強(qiáng)度，這時飛灰二次飛揚(yáng)將超過正常情況，最后會給除塵效率帶來負(fù)面影響。

出于對脫硫廢水煙道蒸發(fā)的飛灰比電阻變化進(jìn)行探究目的和評估除塵性能改變情況目的，試驗(yàn)測量蒸發(fā)產(chǎn)物和飛灰質(zhì)量依據(jù)1∶20比例混合、蒸發(fā)產(chǎn)物和飛灰質(zhì)量依據(jù)1∶50比例混合、蒸發(fā)產(chǎn)物和飛灰質(zhì)量依據(jù)1∶100比例混合、原灰樣比電阻。本次試驗(yàn)使用的高壓飛灰比電阻試驗(yàn)臺為DR-3型，以此設(shè)備完成對比電阻的測定工作，測量的電壓是2kV，室溫是25℃，灰樣從某熱電廠獲取。

分析各個比例給飛灰比電阻造成的影響，能夠發(fā)現(xiàn)在蒸發(fā)產(chǎn)物和飛灰質(zhì)量比是1∶20情況下，比電阻是8×108Ω·cm；在質(zhì)量比是1∶50情況下，比電阻是5.4×108Ω·cm；在質(zhì)量比是1∶100情況下，比電阻是5×108Ω·cm；原灰樣的比電阻是4.5×108Ω·cm，表明脫硫廢水煙道蒸發(fā)的固態(tài)產(chǎn)物能夠讓飛灰比電阻有所提升。因?yàn)殁}鎂物質(zhì)比電阻很高，固態(tài)產(chǎn)物的鈣鎂含量比飛灰的鈣鎂含量更高，在此前提下，飛灰比電阻有所增加，因?yàn)槠洳▌犹幵谥付〝?shù)量級中，而且同樣歸屬于中比電阻飛灰范圍，說明不會對除塵性能造成太大影響。

5.4 氣態(tài)產(chǎn)物給腐蝕和脫硫塔造成的影響分析

對脫硫廢水煙道蒸發(fā)來說，此過程會對大量的氣態(tài)HCl 進(jìn)行釋放，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，某機(jī)組煙氣的HCl 質(zhì)量濃度是13.85mg/m3，將某個300MW 機(jī)組當(dāng)作研究對象，此機(jī)組的煙氣量大概是1×106m3/h，設(shè)定脫硫廢水的處理量是2t/h，揮發(fā)量是154.1mg/L，假定除塵器能夠捕集所有的固態(tài)含氯物質(zhì)，那么在脫硫廢水煙道蒸發(fā)影響下出現(xiàn)的HCl 增加量達(dá)到0.03mg/m3，此增加量在總量中所占比例為0.2%，與此同時，在除塵器無法高效捕集固態(tài)產(chǎn)物情況下，該數(shù)值會增大[5]。

HCl 能夠明顯腐蝕金屬管道設(shè)備，HCl 的腐蝕機(jī)理如下文所示：

Fe+2HCl→FeCl2+H2、2Fe+6HCl→2FeCl3+3H2、2FeCl2+Cl2→2FeCl3、2Fe+3Cl2→2FeCl3、4FeCl3+3O2→3Fe2O3+6Cl2、4FeCl2+3O2→3Fe2O3+4Cl2、Fe2O3（保護(hù)膜）+6HCl→2FeCl3+3H2O、4FeCl2+O2→2FeCl3+2FeOCl、2FeOCl+O2→2Fe2O3+2Cl2。

分析腐蝕速率和溫度之間的關(guān)聯(lián)，如果煙氣的HCl 體積分?jǐn)?shù)是50×10-6，在此情況下，金屬腐蝕速率要遠(yuǎn)超過不含有HCl 情況下金屬的腐蝕速率。此外，如果溫度不超過200℃，此時伴隨溫度不斷提升，腐蝕速率會逐漸增加，假如溫度超過200℃，此時腐蝕速率會飛快增加。

與此同時，HCl 氣體有較高的概率在煙道出口位置發(fā)生露點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象，HCl 露點(diǎn)溫度不僅和HCl 濃度有關(guān)，還和煙氣的水分含量存在密切關(guān)聯(lián)，HCl 露點(diǎn)溫度大約在27～60℃。

就脫硫廢水煙道蒸發(fā)來說，其氣態(tài)產(chǎn)物給脫硫系統(tǒng)造成的影響表現(xiàn)為脫硫塔會吸收所有煙氣增多的氯化物，其后果是使脫硫廢水排放量得到增加，同樣會限制石膏在脫水方面的性能。

依據(jù)脫硫系統(tǒng)氯平衡的分布狀況，能夠發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)中的氯不僅來自石灰石、工業(yè)水和煙氣，還包含脫硫廢水煙道蒸發(fā)出現(xiàn)的氯。在脫硫系統(tǒng)中，氯去除工作指的是去除石膏的氯及去除脫硫廢水的氯，按照氯平衡，如果其他條件不發(fā)生變化，此時設(shè)定所有揮發(fā)的氯被轉(zhuǎn)移至脫硫廢水內(nèi)部，脫硫廢水增加量和揮發(fā)氯在脫硫廢水總氯中所占比率一致，數(shù)值是2.7%。

6 結(jié)語

脫硫廢水煙道蒸發(fā)的固態(tài)產(chǎn)物主要是鹽類，而且固態(tài)產(chǎn)物的Ca 元素含量及Cl 元素含量遠(yuǎn)比飛灰的Ca 元素含量和Cl 元素含量多，未能對飛灰綜合運(yùn)用造成影響。脫硫廢水煙道蒸發(fā)的產(chǎn)物存在許多鈣鎂物質(zhì)，將使飛灰比電阻增加，不會超出中比電阻飛灰范圍。脫硫廢水煙道的蒸發(fā)使煙氣的Cl 元素增多，將有一定概率使除塵器及煙道腐蝕增多，增加脫硫廢水排放，嚴(yán)重影響石膏在脫水方面的功能。