電廠脫硫廢水零排放技術(shù)對比分析*

謝志文,馮永新,趙 寧,林廷坤,陳 拓

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣東 廣州 510000；2.廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510000)

目前,大多數(shù)的燃煤電廠均采用石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù),該技術(shù)雖然具有脫硫效率高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,但該技術(shù)產(chǎn)生了大量的脫硫廢水[1]。脫硫廢水一般呈現(xiàn)弱酸性,其中含有大量懸浮物、重金屬離子及可溶性鹽分等,其中Cl-的濃度可達10000-20000mg/L,已成為廢水處理的難題[2]。

國務(wù)院在2015 年4 月發(fā)布了《水污染防治行動計劃》,該行動計劃中對于工業(yè)廢水的處理部分提出了更為嚴格的要求。環(huán)保部在2017 年1 月發(fā)布了《火電廠污染防治技術(shù)政策》,該政策中明確規(guī)定了火電廠對于水污染的防治應(yīng)遵循分類處理、一水多用的原則,并且鼓勵火電廠實現(xiàn)廢水的循環(huán)使用不外排。因此,探索更為有效的零排放技術(shù)勢在必行。

1 脫硫廢水水質(zhì)特征

應(yīng)用石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)時,為了確保脫硫塔內(nèi)漿液循環(huán)系統(tǒng)的物料平衡,同時也為了確保脫硫效率及產(chǎn)出石膏的品質(zhì),必須定期的從脫硫裝置中排出一部分廢水,即脫硫廢水。脫硫廢水的水質(zhì)特點如下[3]：(1)呈弱酸性,pH 值在4～6 之間；(2)懸浮物含量高,其中包含石膏顆粒物、SiO2、硫酸鹽等；(3)重金屬離子含量高,其中包含汞離子、鉛離子、鉻離子、砷、硒等；(4)易結(jié)垢性離子含量高,其中包含鈣離子、鎂離子、硅等；(5)腐蝕性離子含量高,其中含有硫酸根離子、氯離子等,氯離子含量在5000～20,000mg/L[4]；(6)水質(zhì)波動較大,脫硫廢水水質(zhì)與電廠使用的煤種、脫硫工藝技術(shù)及運行方式等多種因素相關(guān)。因此,為了實現(xiàn)脫硫廢水零排放的要求,需根據(jù)不同種類污染物的特征進行以下的分段處理：預(yù)處理、濃縮減量和蒸發(fā)固化。

2 脫硫廢水預(yù)處理

為避免在處理過程中出現(xiàn)設(shè)備結(jié)垢的現(xiàn)象,需對脫硫廢水中的Ca2+、Mg2+、SiO2等易結(jié)垢性離子進行處理。預(yù)處理的方法有石灰-碳酸鈉法、氫氧化鈉-碳酸鈉法。相比較石灰-碳酸鈉法,氫氧化鈉-碳酸鈉法需要藥劑量較少,且對Ca2+、Mg2+去除率較高,但對于SO42+去除率較低[5]。此外,經(jīng)濕法脫硫系統(tǒng)后的煙氣可起到代替碳酸鈉的作用,用于去除脫硫廢水中的Ca2+[6],雖然該方法成本較低,但該技術(shù)不成熟,未見工程實例。

3 濃縮減量

為了進一步除去水中的溶解性固體,在預(yù)處理后對廢水進行濃縮減量,主要的濃縮減量技術(shù)有膜濃縮、熱法濃縮等技術(shù)。濃縮減量可有效回收水資源,同時降低了需要繼續(xù)處理的廢水量,降低了后續(xù)蒸發(fā)固化成本。

3.1 膜濃縮

現(xiàn)階段,火電廠常用的脫硫廢水濃縮減量技術(shù)主要是膜濃縮處理工藝。常見的膜濃縮技術(shù)有：反滲透(RO)、正滲透(FO)、電滲析(ED)和膜蒸餾(MD)等。

反滲透(RO)是滲透的逆過程,反滲透以壓力差為驅(qū)動力,推動溶液中的溶質(zhì)在半透膜的過濾作用下與溶劑分離,可去除水溶液中大于98%的溶解鹽離子和大于99%的膠體、微生物等。反滲透過程具有凈化效率高、運行穩(wěn)定、能耗較低等優(yōu)點[7]。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在工業(yè)廢水處理、生活污水處理、海水淡化等領(lǐng)域。

正滲透技術(shù)以滲透壓差為驅(qū)動力,推動溶液中的水通過選擇性滲透膜自發(fā)的從高水化學(xué)勢溶液流向低水化學(xué)勢溶液。在脫硫廢水處理過程中,水通過選擇性滲透膜從脫硫廢水部分流向吸取液部分。正滲透技術(shù)具有低能耗、高回收率、低污染、不易結(jié)垢等優(yōu)點[8],但是,汲取液的選擇與回收利用也成為該技術(shù)的難點。

3.2 熱法濃縮技術(shù)

目前廢水濃縮蒸發(fā)減量技術(shù)主要有多效強制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)(MED)、立管降(升)膜機械蒸汽壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)(立管MVC、MVR)、臥式噴淋機械蒸汽壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)(臥式MVC)等。蒸發(fā)系統(tǒng)通過加熱廢水,水分在高溫下大量汽化,使其濃縮減量、結(jié)晶析出,蒸發(fā)后經(jīng)冷凝的水回收利用。在脫硫廢水處理方面,熱法濃縮具有以下2 點顯著優(yōu)勢[9]：(1)熱法濃縮對于進水水質(zhì)要求低。一方面,這意味著熱法濃縮可以較好的適應(yīng)脫硫廢水水質(zhì)變化大,成分復(fù)雜的特點,有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；另一方面,較好的水質(zhì)適應(yīng)性使得濃縮模塊的前置預(yù)處理模塊加藥量減少。(2)可以實現(xiàn)淡水的高效回收利用。一方面,熱法濃縮工藝可以最高回收90%的淡水；另外,熱法濃縮的淡水水質(zhì)明顯高于膜法,回收的淡水可以直接送至化水車間超濾水箱加以利用。

3.3 低溫?zé)煔馀月氛舭l(fā)濃縮技術(shù)

除了上述常用濃縮技術(shù)外,還有采用在除塵器與脫硫塔之間引入旁路煙氣對脫硫廢水進行蒸發(fā)濃縮,煙氣與廢水在濃縮塔內(nèi)直接接觸換熱,濃漿液通過壓濾機進行固液分離[10]。國電成都金堂電廠2×600MW 燃煤機組采用該技術(shù)進行中試,其擁有兩套脫硫系統(tǒng),廢水最大排量為12m3/h,煙氣余熱蒸發(fā)裝置按單臺機組半負荷排放量設(shè)計,設(shè)計處理廢水量為1.5t/h,煙氣用量約為4.5 萬Nm3/h,濃縮塔直徑為2.5m,高度約16m。江蘇泰州電廠2 號機(1000MW)也采用了該濃縮技術(shù)方案。該濃縮技術(shù)利用低溫?zé)煔庥酂釢饪s脫硫廢水,不需要消耗其他熱源,但需在脫硫塔附近專門構(gòu)建一座濃縮塔,投資費用較高,且大量水分蒸發(fā)進入煙氣,有可能影響后續(xù)濕法脫硫系統(tǒng)水平衡。目前該濃縮方案應(yīng)用案列較少。

4 末端高鹽廢水固化處理

脫硫廢水末端固化常用的方法有蒸發(fā)結(jié)晶、煙道(主煙道、旁路煙道)蒸發(fā)技術(shù)等,脫硫廢水中的液態(tài)水經(jīng)高溫蒸發(fā)汽化成水蒸氣,隨煙氣回到濕法脫硫系統(tǒng)中作為脫硫補水,廢水中的鹽分雜質(zhì)高溫固化成結(jié)晶鹽,經(jīng)灰斗排出后進行分類利用,從而達到脫硫廢水零排放的目的。

4.1 蒸發(fā)結(jié)晶

蒸發(fā)結(jié)晶工藝利用膜法或者熱法對廢水進行處理產(chǎn)生凈水和濃水,濃水利用結(jié)晶器進一步處理產(chǎn)生蒸餾水和鹽,目前成熟應(yīng)用的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)主要有多效蒸發(fā)(MED)、蒸汽機械再壓縮(MVR)、熱力蒸汽壓縮(TVR)、低溫常壓蒸發(fā)(NED)。MED 和MVR 在國內(nèi)電力行業(yè)均有應(yīng)用實例,NED 在國內(nèi)電力行業(yè)無應(yīng)用實例,但在石化行業(yè)有應(yīng)用實例。國內(nèi)廢水零排放運行較好的火力發(fā)電廠如廣東河源電廠采用了MED 技術(shù),三水電廠采用了MVR 技術(shù)。

此工藝路線有實際應(yīng)用案例,蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)在化工食品藥品行業(yè)應(yīng)用廣泛,工藝路線較成熟。但是能耗較高,而且為了保證蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)不結(jié)垢,需對廢水進行深度去除硬度處理,藥品消耗較多,因此該工藝須結(jié)合其它的濃縮工藝設(shè)置處理方案。

4.2 煙道蒸發(fā)法

煙道蒸發(fā)法可分為主煙道蒸發(fā)法和旁路煙氣蒸發(fā)法,旁路煙氣蒸發(fā)又根據(jù)不同的工藝路線分為旁路煙道蒸發(fā)法和旋轉(zhuǎn)霧化塔蒸發(fā)法等。

4.2.1 主煙道蒸發(fā)法

主煙道蒸發(fā)的基本原理是將脫硫廢水與壓縮空氣經(jīng)雙流體噴嘴霧化后,噴入空氣預(yù)熱器和除塵器之間的主煙道,利用空氣預(yù)熱器后的熱煙氣將脫硫廢水完全蒸發(fā),廢水中的鹽類及雜質(zhì)轉(zhuǎn)化成固體結(jié)晶物隨煙氣在除塵器中被補集,蒸發(fā)后的水蒸氣隨煙氣進入脫硫系統(tǒng)冷凝后作為脫硫補水,從而實現(xiàn)脫硫廢水的零排放[11]。

主煙道蒸發(fā)法在電廠原有系統(tǒng)上無需加設(shè)大型設(shè)備,相比于蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù),投資成本較低,且占地面積較??；同時,該技術(shù)利用空氣預(yù)熱后的低溫?zé)釤煔庾鳛槊摿驈U水的蒸汽源,不會影響機組煤耗。但該技術(shù)在實際應(yīng)用中也存在著很大問題,因脫硫廢水呈弱酸性且其中含有大量氯離子,蒸發(fā)效果不佳時會引起下游煙道積灰、堵塞和腐蝕等問題,甚至還會影響后續(xù)除塵器等設(shè)備的運行穩(wěn)定性；同時,噴嘴也易發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象；該技術(shù)對于預(yù)處理要求較高,增設(shè)相應(yīng)設(shè)備也會增加工藝流程的復(fù)雜性；另外,大部分機組在空氣預(yù)熱器和電除塵之間增設(shè)了低低溫省煤器(MGGH),導(dǎo)致安裝空間受限。

目前,內(nèi)蒙古華能上都發(fā)電廠4 號機組(600MW)采用此技術(shù)實施脫硫廢水零排放工程,據(jù)實際應(yīng)用報道,未對后續(xù)除塵器及脫硫系統(tǒng)帶來不利影響。

4.2.2 旁路煙道蒸發(fā)法

旁路煙道蒸發(fā)法的基本原理是將脫硫廢水與壓縮空氣經(jīng)雙流體噴嘴霧化后,噴入到與空氣預(yù)熱器并聯(lián)的旁路煙道中,利用抽取自空氣預(yù)熱器之前的熱煙氣將脫硫廢水完全蒸發(fā),廢水中的鹽類及雜質(zhì)轉(zhuǎn)化成固體結(jié)晶物隨煙氣經(jīng)過旁路煙道后在除塵器中被捕集,蒸發(fā)后的水蒸氣隨煙氣進入脫硫系統(tǒng)冷凝后作為脫硫補水,從而實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。旁路煙道蒸發(fā)法取用空氣預(yù)熱器前的高溫?zé)釤煔庾鳛槊摿驈U水的蒸汽源,可以確保廢水快速高效蒸干[12],但該技術(shù)取用了空氣預(yù)熱器前的高溫?zé)釤煔?會影響鍋爐熱效率,增加煤耗；同時,該技術(shù)依然存在著噴嘴結(jié)垢的風(fēng)險,也會造成旁路煙道的積灰,因此需要對噴嘴進行定期的清洗和更換；且需要對脫硫廢水進行預(yù)處理和濃縮,增設(shè)相應(yīng)設(shè)備也會增加工藝流程的復(fù)雜性。

目前,山西省大唐陽城電廠已完成旁路煙道蒸發(fā)工藝的中試試驗,電廠裝機容量為一臺350MW,處理水量為2t/h,采用技術(shù)路線為“雙堿軟化+雙膜法濃縮+高溫旁路煙道蒸發(fā)”,系統(tǒng)脫鹽率可達97%,淡水回收率可達60%。

4.2.3 旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)

旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)的基本原理是將脫硫廢水經(jīng)旋轉(zhuǎn)霧化器霧化后,噴入到旁路干燥塔中,利用抽取自空氣預(yù)熱器之前的熱煙氣將脫硫廢水完全蒸發(fā),廢水中的鹽類及雜質(zhì)轉(zhuǎn)化成固體結(jié)晶物后,一部分隨煙氣經(jīng)干燥塔出口煙道后在除塵器中被捕集,另一部分落入干燥塔底的灰斗中,蒸發(fā)后的水蒸氣隨煙氣進入脫硫系統(tǒng)冷凝后作為脫硫補水,從而實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)的關(guān)鍵就是旋轉(zhuǎn)霧化器,旋轉(zhuǎn)霧化器可將廢水溶液霧化成平均直徑為10μm-120μm 的小霧滴,高溫?zé)釤煔饨?jīng)過氣體分布器后與小液滴充分混合,使水分被迅速蒸發(fā)。通過調(diào)節(jié)煙氣流量、脫硫廢水流速、霧化器轉(zhuǎn)速等,使脫硫廢水霧滴在到達干燥塔壁面之前已被完全蒸干,防止粘壁現(xiàn)象的發(fā)生。旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)工藝流程較為簡單,投資及運行費用相對較低；該技術(shù)對廢水適應(yīng)性較強且無需對廢水進行預(yù)處理；另外,旋轉(zhuǎn)噴霧干燥塔獨立于主系統(tǒng)外,對主系統(tǒng)影響較小且方便維修。但該技術(shù)在工程上依然存在著一系列的問題,如何降低煤耗、電耗以及對干燥塔內(nèi)部的流場優(yōu)化和廢水蒸發(fā)特性方面依然需要進一步探究。

目前,山西臨汾熱電有限公司1 號鍋爐采用旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)技術(shù),機組滿負荷的工況下,抽取3-5%的高溫?zé)煔饬?處理脫硫廢水的能力為5t/h。機組運行半年后,噴霧干燥塔內(nèi)部僅有少量干燥及松散的積灰,未發(fā)生腐蝕與結(jié)垢的現(xiàn)象,運行狀態(tài)良好。

5 結(jié)論與展望

脫硫廢水零排放技術(shù)的核心在于末端廢水零排放技術(shù),根據(jù)脫硫廢水水量及水質(zhì)的不同,選擇適宜的軟化預(yù)處理和濃縮減量技術(shù),可減輕末端高鹽廢水處理負荷。軟化預(yù)處理技術(shù)中,石灰石-碳酸鈉法和氫氧化鈉-碳酸鈉法已較為成熟,但煙氣代替碳酸鈉法因其極低的運行成本而極具發(fā)展前景；在膜濃縮法中,反滲透技術(shù)是目前較為成熟的技術(shù),但膜蒸餾法具有接近100%的脫鹽率,極具發(fā)展前景；在末端高鹽廢水處理中,蒸發(fā)結(jié)晶法雖有可回收水資源和結(jié)晶鹽的優(yōu)勢,但該技術(shù)所需占地面積較大且投資運行費用較高；煙道蒸發(fā)法中,旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)因其效率高、水質(zhì)適應(yīng)性高、無需預(yù)處理且對主系統(tǒng)幾乎無影響的優(yōu)勢,極具發(fā)展前景。

目前,我國脫硫廢水零排放工程依然處于探索階段,很多技術(shù)因其獨有的優(yōu)勢需要對其進行更深一步的研究。因此,如何將各技術(shù)的優(yōu)勢最大化以及根據(jù)不同的脫硫廢水排放情況進行工藝組合,實現(xiàn)高效經(jīng)濟的廢水零排放及結(jié)晶鹽的綜合利用,將是脫硫廢水零排放需要關(guān)注的問題。