燃煤電廠脫硫廢水零排放處理技術(shù)研究進(jìn)展

水處理網(wǎng)訊:［摘要］燃煤電廠脫硫廢水具有含鹽量高、成分復(fù)雜等特點(diǎn)，處理難度極大，直接排放會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。對國內(nèi)幾種具有應(yīng)用前景的脫硫廢水零排放技術(shù)進(jìn)行介紹，分析了不同技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。展望了燃煤電廠脫硫廢水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢，指出利用旁路煙道及旁路噴霧干燥零排放處理技術(shù)的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上探索高效清潔、低成本的零排放處理技術(shù)將成為脫硫廢水排放領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

［關(guān)鍵詞］脫硫廢水；零排放；煙道蒸發(fā)；旁路干燥

石灰石-石膏法濕法脫硫工藝是目前世界上應(yīng)用最廣泛、最為成熟的脫硫技術(shù)，約占我國近幾年新建燃煤火電廠脫硫技術(shù)總量的90%，成為當(dāng)下燃煤電廠脫硫工藝的首要選擇。在石灰石-石膏濕法脫硫工藝中，循環(huán)漿液會不斷吸收來自煙氣和石灰石中的氯化物。漿液中的氯離子主要以氯化鈣的形式存在，較高濃度的氯離子會抑制石灰石的溶解，降低漿液pH，影響酸性氣體吸收，降低脫硫效率，同時(shí)會對脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕。為使脫硫系統(tǒng)以較高效率運(yùn)行，需定期排出一部分漿液（即脫硫廢水）以控制漿液中的氯離子。

燃煤電廠脫硫廢水水質(zhì)具有以下特性：

（1）呈弱酸性，pH在5～6.5；

（2）懸浮物較高，為10～60g/L；

（3）Cl-一般在5～20g/L，有較強(qiáng)的腐蝕性；

（4）含有大量金屬離子，如Ca2+、Mg2+等，總量達(dá)到20～50g/L；

（5）重金屬（Hg、Cr、Pb、Ni、Cd）含量高。

脫硫廢水成分復(fù)雜、水質(zhì)波動(dòng)較大，處理起來較為困難，為達(dá)到零排放的目的，需根據(jù)廢水中污染成分的特性進(jìn)行分段處理。整個(gè)脫硫廢水零排放處理技術(shù)一般由3個(gè)過程組成：預(yù)處理、濃縮減量、末端零排放處理。筆者對現(xiàn)有脫硫廢水零排放技術(shù)進(jìn)行歸納，對比了各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出經(jīng)濟(jì)可行、安全有效的脫硫廢水處理方案。

1 脫硫廢水預(yù)處理技術(shù)

預(yù)處理的目的在于去除脫硫廢水中的Ca2+、Mg2+等，以及SiO2、COD和懸浮物，降低脫硫廢水的硬度，避免后續(xù)處理中出現(xiàn)結(jié)垢、堵塞等現(xiàn)象。三聯(lián)箱工藝是目前脫硫廢水主要的預(yù)處理技術(shù)，由中和箱、反應(yīng)箱和絮凝箱等組成，具體工藝流程見圖1。

來自旋流器的脫硫廢水在廢水緩沖池中均勻混合，經(jīng)水泵輸送到三聯(lián)箱。在三聯(lián)箱的中和箱中加入石灰乳和氫氧化鈉溶液，將脫硫廢水從弱酸性調(diào)至pH為9～9.5，使部分重金屬如Fe、Cu、Pb、Cr以微溶或難溶的氫氧化物沉淀下來。廢水經(jīng)過中和箱后流入反應(yīng)箱，反應(yīng)箱內(nèi)加入有機(jī)硫與絮凝劑，將無法以氫氧化物形式沉淀的重金屬元素以硫化物的形式沉淀去除。廢水最后進(jìn)入投放助凝劑的絮凝箱進(jìn)行絮凝反應(yīng)，絮凝箱出水自流進(jìn)入澄清器，清水經(jīng)鹽酸、次氯酸鈉調(diào)節(jié)pH至6～9左右進(jìn)入清水池。

2 脫硫廢水濃縮減量技術(shù)

濃縮減量是對預(yù)處理后的脫硫廢水進(jìn)行濃縮處理，減少后續(xù)零排放過程的處理量，降低脫硫廢水處理成本。膜濃縮技術(shù)具有投資成本低、經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，在脫硫廢水零排放處理中運(yùn)用較為廣泛，但工藝流程相對較長，工業(yè)上一般將多種膜技術(shù)組合使用。膜濃縮技術(shù)主要包括正滲透（FO）、反滲透（RO）、電滲析（ED）、膜蒸餾（MD）。表1為各種膜法濃縮技術(shù)的對比情況。

2.1 正滲透法

正滲透法利用選擇性分離膜兩側(cè)高濃度差將水分子從高鹽側(cè)自發(fā)擴(kuò)散到低鹽分的汲取液一側(cè)，是目前膜分離領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

近年來，正滲透膜的制造工藝不斷提高，生產(chǎn)水平也取得很大進(jìn)步。由于其能耗較低、出水水質(zhì)高、污垢輕，國內(nèi)外已有初步商業(yè)應(yīng)用，但是正滲透膜的研制仍存在濃差極化大、水通量較低及理想的驅(qū)動(dòng)溶液制備困難等問題，需在新的膜材料、膜改性、膜合成方法及驅(qū)動(dòng)溶液的兼容性、分離回收等方面進(jìn)一步深入研究。

2.2 反滲透法

反滲透是利用反滲透膜在一定壓力下使溶液中的溶劑與溶質(zhì)被動(dòng)分離的過程。對膜一側(cè)的料液施加的壓力超過它的滲透壓時(shí)，溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透，從而分別在膜的低壓側(cè)與高壓側(cè)得到滲透液和濃縮液。反滲透膜能截留＞0.1nm的物質(zhì)，是一種較為精細(xì)的膜分離產(chǎn)品，能有效截留水中的無機(jī)鹽、膠體物質(zhì)和相對分子質(zhì)量＞100的有機(jī)物，從而制得較為純凈的水。

反滲透技術(shù)安全可靠、出水穩(wěn)定、除鹽率高（一般＞95%），且能耗低，能在常溫下進(jìn)行，在水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但仍存在膜價(jià)格較高、受壓磨損等問題，需在以后研究中改善解決。

2.3 電滲析

電滲析技術(shù)在離子交換的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其工作原理是依靠電位差，在陰陽兩極之間放置若干交替排列的陽膜與陰膜，由于離子交換膜具有選擇透過性，當(dāng)兩端電極接通直流電源后，水中的陰、陽離子分別向陽極、陰極方向遷移，形成交替排列的離子濃度減少的淡室和離子濃度增加的濃室，從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化和提純。

電滲析技術(shù)具有能耗低、耗藥量少、對廢水鹽濃度適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但耗水量較大，對部分難離解物質(zhì)的去除較為困難，易結(jié)垢，設(shè)備部件多，需要在電極板的材料、流道的設(shè)計(jì)加工等方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

2.4 膜蒸餾技術(shù)

膜蒸餾技術(shù)可應(yīng)用于非揮發(fā)溶質(zhì)水溶液的濃縮減量，目的是僅使水蒸氣透過過濾膜。膜蒸餾可利用火力發(fā)電廠豐富的低品質(zhì)廢熱，且能近100%地截留非揮發(fā)性溶質(zhì)。由于火力發(fā)電廠具有豐富的低品質(zhì)熱源，但目前尚缺少性能可靠、能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的商業(yè)化蒸餾膜。

3 脫硫廢水末端零排放處理技術(shù)

3.1 蒸發(fā)結(jié)晶

蒸發(fā)結(jié)晶在煤化工等行業(yè)的高鹽廢水處理中應(yīng)用較成熟，對含鹽較高的脫硫廢水處理具有一定借鑒意義。常見的蒸發(fā)結(jié)晶工藝主要有多效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)（MED）技術(shù)和蒸汽機(jī)械再壓縮（MVR）技術(shù)。

3.1.1 多效蒸發(fā)技術(shù)

多效蒸發(fā)技術(shù)是多個(gè)蒸發(fā)器裝置串聯(lián)起來，多效蒸發(fā)中的第一效加入加熱蒸汽，第一效產(chǎn)生的二次蒸汽作為第二效加熱蒸汽，而第二效的加熱室相當(dāng)于第一效的冷凝器，從第二效產(chǎn)生的二次蒸汽又作為第三效的加熱蒸汽，如此串聯(lián)多個(gè)蒸發(fā)器即多效蒸發(fā)。脫硫廢水經(jīng)蒸發(fā)系統(tǒng)余熱預(yù)熱后，依次進(jìn)入各效蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，在最末效用離心機(jī)對濃縮后的濃鹽水進(jìn)行固液分離，分離出的液體重新回到系統(tǒng)進(jìn)行再循環(huán)，其流程見圖2。這一過程中，蒸汽熱能得到多次利用，因此熱能利用率較高。該技術(shù)占地面積較大，蒸汽消耗量大，投資成本相對較低。

3.1.2 機(jī)械再壓縮技術(shù)

機(jī)械再壓縮技術(shù)是利用壓縮機(jī)對蒸發(fā)器排出的二次蒸汽進(jìn)行絕熱壓縮，再送入蒸發(fā)器的加熱室作加熱蒸汽。二次蒸汽經(jīng)過壓縮后溫度升高，在加熱室內(nèi)冷凝釋放熱量，廢水吸收熱量汽化再次產(chǎn)生二次蒸汽，經(jīng)分離重新進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行再循環(huán)。該技術(shù)只需要在開始階段產(chǎn)生蒸汽，但會消耗電能，其工藝流程見圖3。與MED技術(shù)相比，MVR技術(shù)占地面積更小、效率高，更適于作脫硫廢水零排放蒸發(fā)器。

工程應(yīng)用方面，廣東河源電廠采用深度預(yù)處理+多效蒸發(fā)結(jié)晶工藝路線，佛山三水恒益電廠采用常規(guī)預(yù)處理+機(jī)械再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)。在實(shí)際運(yùn)營過程中，蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)存在以下問題：（1）設(shè)備投資高、運(yùn)行能耗高；（2）制出的結(jié)晶鹽無法作為商品鹽流通。這些問題促使基于煙氣蒸發(fā)的脫硫廢水零排放技術(shù)得到推廣應(yīng)用。

3.2 主煙道蒸發(fā)技術(shù)

脫硫廢水主煙道蒸發(fā)零排放工藝流程如圖4所示。

采用氣液雙流體噴嘴對脫硫廢水進(jìn)行霧化，直接噴入空氣預(yù)熱器和除塵器之間的煙道內(nèi)，在尾部煙氣余熱作用下實(shí)現(xiàn)廢水霧滴快速干燥蒸發(fā)，廢水中的懸浮物和可溶性固體等結(jié)晶形成細(xì)小固體顆粒，隨飛灰一起被除塵器捕集去除，蒸汽作為煙氣一部分進(jìn)入系統(tǒng)后被排出，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放。

與現(xiàn)行脫硫廢水處理技術(shù)相比，主煙道蒸發(fā)法具有以下優(yōu)點(diǎn)：工藝流程簡單、無需添加化學(xué)藥劑、投資運(yùn)行費(fèi)用低；向煙道內(nèi)引入廢水，能提高進(jìn)入電除塵的煙氣濕度，從而降低煙氣中灰塵顆粒的比電阻，可提高后續(xù)電除塵器對煙氣的除塵效率。但由于脫硫廢水直接噴入煙道，廢水中的鹽析出會沉積在煙道底部，造成煙道堵塞，降低效率，可通過后續(xù)研究完善噴霧器選型以及加裝吹灰器等進(jìn)行解決。目前國內(nèi)已有專家學(xué)者在理論模擬及實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了較多研究，康梅強(qiáng)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法建立了廢水液滴在煙道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和蒸發(fā)等過程的數(shù)學(xué)模型，開展了煙道結(jié)構(gòu)、煙氣溫度及噴霧粒徑等對廢水蒸發(fā)影響的研究。張志榮針對國產(chǎn)機(jī)組特性提出脫硫廢水煙道蒸發(fā)處理方案，對液滴群蒸發(fā)質(zhì)量及其關(guān)鍵影響因素、液滴氣動(dòng)破碎特性和蒸發(fā)特性等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并計(jì)算得到與廢水排放量對應(yīng)的煙道中噴嘴具體布置方式和數(shù)量。

目前，主煙道霧化蒸發(fā)技術(shù)已在內(nèi)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(yīng)用。根據(jù)以上案例的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，由于煙道內(nèi)煙氣流速降低，可能會導(dǎo)致灰分沉降，造成霧化系統(tǒng)結(jié)垢堵塞；同時(shí)鍋爐在變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會出現(xiàn)主煙道內(nèi)廢水無法完全蒸發(fā)，煙氣中夾帶部分未蒸干液滴，對后續(xù)系統(tǒng)產(chǎn)生影響；另外還存在后續(xù)低低溫電除塵改造空間不足的問題。

3.3 旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)

旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)工藝流程如圖5所示。設(shè)置旁路煙道作為蒸發(fā)器主體，其運(yùn)行與主機(jī)系統(tǒng)相對獨(dú)立，不影響鍋爐系統(tǒng)正常運(yùn)行。旁路煙道布置雙流體霧化噴槍，與廢水輸送系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、管道控制儀表閥門共同組成霧化系統(tǒng)。引空預(yù)器前熱煙氣（約350℃）進(jìn)入旁路煙道與經(jīng)過雙流體霧化噴槍后的廢水霧滴進(jìn)行接觸，在煙道內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速干燥蒸發(fā)。由于旁路煙道系統(tǒng)與主系統(tǒng)獨(dú)立，因此對主系統(tǒng)影響較小。

焦作萬方電廠將電除塵入口煙道蒸發(fā)改為SCR脫硝與空預(yù)器間設(shè)置旁路煙道蒸發(fā)。由于從主系統(tǒng)抽取煙氣，因此鍋爐效率會略有下降（0.3%~0.5%左右）。旁路煙道系統(tǒng)獨(dú)立于主系統(tǒng)，對主系統(tǒng)影響較小，同時(shí)檢修較為方便。雙流體霧化噴嘴的選擇是該技術(shù)的關(guān)鍵，噴嘴選擇不當(dāng)會導(dǎo)致噴嘴磨損堵塞，引起霧化性能下降和旁路煙道積灰。

3.4 旁路噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)

旁路煙氣干燥塔技術(shù)的工藝流程如圖6所示。濃縮后的脫硫廢水經(jīng)廢水泵輸送到噴霧干燥塔的頂端，由布置在塔頂?shù)母咚傩D(zhuǎn)霧化器霧化成微小液滴，同時(shí)系統(tǒng)從空預(yù)器前抽取部分熱煙氣（約占總煙氣量的3%~5%左右）作為干燥介質(zhì)經(jīng)煙氣分布器以一定角度進(jìn)入蒸發(fā)塔頂端。廢水在噴霧干燥塔內(nèi)蒸發(fā)進(jìn)入煙氣中，廢水中的鹽類干燥后部分落入干燥塔底端被收集轉(zhuǎn)運(yùn)，其余干燥產(chǎn)物隨煙氣進(jìn)入除塵器處理，達(dá)到脫硫廢水零排放的目的。

旋轉(zhuǎn)霧化干燥技術(shù)相較其他零排放工藝有以下優(yōu)勢：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)脫硫廢水零排放，解決高鹽脫硫廢水處理難度大的問題；

（2）對脫硫廢水的處理能力主要取決于干燥塔塔型設(shè)計(jì)以及引入煙氣煙溫和煙氣量；

（3）脫硫廢水水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，處理費(fèi)用低；

（4）操作簡單，運(yùn)行費(fèi)用低，且相對獨(dú)立于電廠現(xiàn)有系統(tǒng)，對主系統(tǒng)影響較小，方便檢修維護(hù)。

但該技術(shù)仍存在需要探究的問題：

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)蒸發(fā)塔塔型，探究廢水在塔內(nèi)的蒸發(fā)特性規(guī)律；

（2）探究脫硫廢水處理量與抽取煙氣量的關(guān)系，及降低對鍋爐熱效率影響的措施。

目前脫硫廢水旁路噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)已在浙能長興電廠300MW機(jī)組率先取得應(yīng)用，設(shè)定脫硫廢水處理能力為3t/h，通過抽取3.3萬m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）空預(yù)器前350℃熱煙氣（約占總煙氣3.28%），廢水干燥后灰分含水率在1.2%以下，零排放效果顯著。由于直接抽取主系統(tǒng)空預(yù)器前部分熱煙氣，該項(xiàng)技術(shù)會使鍋爐效率略有下降。系統(tǒng)每噸廢水約耗費(fèi)1.1萬m3熱煙氣，折算后機(jī)組煤耗上升約0.8~1.2g/（kW·h），機(jī)組效率降低約0.5%。這方面影響可通過對待處理脫硫廢水進(jìn)行干燥前的濃縮減量進(jìn)行部分改善解決。

3.5 脫硫廢水零排放技術(shù)

對比對上述4種脫硫廢水零排放工藝技術(shù)進(jìn)行對比，如表2所示。

蒸發(fā)結(jié)晶工藝作為較成熟的零排放技術(shù)，對水質(zhì)適應(yīng)能力較好，但因能耗較高導(dǎo)致處理成本高、經(jīng)濟(jì)性較差，同時(shí)結(jié)晶出的鹽無法作為工業(yè)鹽在市場流通。主煙道蒸發(fā)技術(shù)相較于蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)處理成本降低，但存在煙道積灰及霧化系統(tǒng)堵塞、鍋爐變負(fù)荷運(yùn)行影響液滴蒸發(fā)、低低溫電除塵改造空間不足、部分大顆粒未蒸干進(jìn)入后續(xù)設(shè)備等問題。旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)及旁路噴霧干燥蒸發(fā)技術(shù)均引入熱煙氣進(jìn)入旁路系統(tǒng)對脫硫廢水進(jìn)行干燥蒸發(fā)，具有系統(tǒng)簡單、操作性好、經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于從主系統(tǒng)抽取部分熱煙氣，降低了空預(yù)器熱風(fēng)溫度，因此會使鍋爐效率略有降低，但抽取煙氣量占比相對較小（3%~5%左右），因此對效率影響不是很大，也可通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)塔內(nèi)煙道煙氣分布器設(shè)計(jì)、優(yōu)化塔型設(shè)計(jì)、優(yōu)化霧化器提高廢水霧化效果等進(jìn)行改善。綜合經(jīng)濟(jì)性、操作性、零排放處理效果等方面考慮，旁路煙道及旁路旋轉(zhuǎn)噴霧干燥技術(shù)是目前燃煤電廠脫硫廢水零排放處理的極具應(yīng)用前景的選擇，在一段時(shí)間內(nèi)將成為脫硫廢水處理領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)。

4 結(jié)論與展望

預(yù)處理技術(shù)主要是在廢水處理前去除含量較高的重金屬離子及懸浮物。濃縮減量的目的在于濃縮預(yù)處理后的廢水，降低后續(xù)零排放過程的處理量。膜法濃縮設(shè)備簡單，占地面積小，能耗較低，其中電滲析濃縮和膜蒸餾濃縮頗具潛在應(yīng)用前景。介紹了零排放過程的幾種關(guān)鍵技術(shù)，蒸發(fā)結(jié)晶及主煙道蒸發(fā)雖然都能實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放，但二者在經(jīng)濟(jì)性、蒸發(fā)及改造過程中都存在不同程度的問題，而利用旁路系統(tǒng)煙氣蒸發(fā)無需額外熱源、處理效率高、占地少、流程簡單易于控制，相對主系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，對電廠其他設(shè)備影響小，極具推廣前景。

目前，我國脫硫廢水零排放技術(shù)仍處于廣泛研究與初步應(yīng)用階段。用旁路系統(tǒng)對脫硫廢水進(jìn)行干燥蒸發(fā)在現(xiàn)有技術(shù)中最具優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用推廣前景。如何降低廢水處理成本，提高處理效率，提高礦物鹽的綜合利用率，將是今后脫硫廢水零排放研究的重點(diǎn)。

原標(biāo)題:燃煤電廠脫硫廢水零排放處理技術(shù)研究進(jìn)展