上海純水設備解讀：燃煤電廠脫硫廢水處置技術的發展趨勢
［關鍵詞］脫硫廢水；零排放；煙道蒸發；旁路干燥
石灰石-石膏法濕法脫硫工藝是目前世界上應用最廣泛、最為幼稚的脫硫技術，約占我國近幾年新建燃煤火電廠脫硫技術總量的90%成為當下燃煤電廠脫硫工藝的首要選擇。石灰石-石膏濕法脫硫工藝中，循環漿液會不時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，同時會對脫硫系統發生腐蝕。為使脫硫系統以較高效率運行，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具有以下特性：
1呈弱酸性，pH56.5
2懸浮物較高，為1060g/L
3Cl-一般在520g/L有較強的腐蝕性；
4含有大量金屬離子，如Ca2+Mg2+等，總量達到2050g/L
5重金屬（HgCrPbNiCd含量高。
脫硫廢水成分復雜、水質動搖較大，處置起來較為困難，為達到零排放的目的需根據廢水中污染成分的特性進行分段處置。整個脫硫廢水零排放處置技術一般由3個過程組成：純水設備預處理、濃縮減量、末端零排放處理。筆者對現有脫硫廢水零排放技術進行歸納，對比了各工藝的優缺點，總結出經濟可行、平安有效的脫硫廢水處置方案。
1脫硫廢水預處理技術
預處理的目的于去除脫硫廢水中的Ca2+Mg2+等，以及SiO2COD和懸浮物，降低脫硫廢水的硬度，防止后續處置中出現結垢、堵塞等現象。三聯箱工藝是目前脫硫廢水主要的預處理技術，由中和箱、反應箱和絮凝箱等組成，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，經水泵輸送到三聯箱。三聯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至pH為99.5使局部重金屬如FeCuPbCr以微溶或難溶的氫氧化物沉淀下來。廢水經過中和箱后流入反應箱，反應箱內加入有機硫與絮凝劑，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。廢水最后進入投放助凝劑的絮凝箱進行絮凝反應，絮凝箱出水自流進入廓清器，清水經鹽酸、次氯酸鈉調節pH至69左右進入清水池。
2脫硫廢水濃縮減量技術
濃縮減量是對預處理后的脫硫廢水進行濃縮處置，減少后續零排放過程的處置量，降低脫硫廢水處置本錢。膜濃縮技術具有投資利息低、經濟性較好等優點，脫硫廢水零排放處置中運用較為廣泛，但工藝流程相對較長，工業上一般將多種膜技術組合使用。膜濃縮技術主要包括正滲透（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高濃度差將水分子從高鹽側自發擴散到低鹽分的汲取液一側，目前膜分離領域的研究熱點之一。
近年來，正滲透膜的制造工藝不時提高，生產水平也取得很大進步。由于其能耗較低、出水水質高、污垢輕，國內外已有初步商業應用，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動溶液制備困難等問題，需在新的膜材料、膜改性、膜合成方法及驅動溶液的兼容性、分離回收等方面進一步深入研究。
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被動分離的過程。對膜一側的料液施加的壓力超越它滲透壓時，溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透，純水設備從而分別在膜的低壓側與高壓側得到滲透液和濃縮液。反滲透膜能截留＞0.1nm物質，一種較為精細的膜分離產品，能有效截留水中的無機鹽、膠體物質和相對分子質量＞100有機物，從而制得較為純凈的水。
反滲透技術平安可靠、出水穩定、除鹽率高（一般＞95%且能耗低，能在常溫下進行，水處置領域應用廣泛，但仍存在膜價格較高、受壓磨損等問題，需在以后研究中改善解決。
2.3電滲析
電滲析技術在離子交換的基礎上發展而來，其工作原理是依靠電位差，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，從而實現溶液的濃縮、淡化和提純。
電滲析技術具有能耗低、耗藥量少、對廢水鹽濃度適應性強等優點，但耗水量較大，對局部難離解物質的去除較為困難，易結垢，設備部件多，需要在電極板的資料、流道的設計加工等方面進行技術改進。
2.4膜蒸餾技術
膜蒸餾技術可應用于非揮發溶質水溶液的濃縮減量，目的僅使水蒸氣透過過濾膜。膜蒸餾可利用火力發電廠豐富的低品質廢熱，且能近100%地截留非揮發性溶質。由于火力發電廠具有豐富的低品質熱源，但目前尚缺少性能可靠、能夠長時間穩定運行的商業化蒸餾膜。
3脫硫廢水末端零排放處置技術
3.1蒸發結晶
蒸發結晶在煤化工等行業的高鹽廢水處置中應用較成熟，對含鹽較高的脫硫廢水處置具有一定借鑒意義。罕見的蒸發結晶工藝主要有多效強制循環蒸發（MED技術和蒸汽機械再壓縮（MVR技術。
3.1.1多效蒸發技術
多效蒸發技術是多個蒸發器裝置串聯起來，多效蒸發中的第一效加入加熱蒸汽，第一效產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于第一效的冷凝器，從第二效產生的二次蒸汽又作為第三效的加熱蒸汽，如此串聯多個蒸發器即多效蒸發。脫硫廢水經蒸發系統余熱預熱后，依次進入各效蒸發器進行蒸發濃縮，最末效用離心機對濃縮后的濃鹽水進行固液分離，分離出的液體重新回到系統進行再循環，其流程見圖2這一過程中，蒸汽熱能得到多次利用，純水設備因此熱能利用率較高。該技術占地面積較大，蒸汽消耗量大，投資利息相對較低。
3.1.2機械再壓縮技術
機械再壓縮技術是利用壓縮機對蒸發器排出的二次蒸汽進行絕熱壓縮，再送入蒸發器的加熱室作加熱蒸汽。二次蒸汽經過壓縮后溫度升高，加熱室內冷凝釋放熱量，廢水吸收熱量汽化再次發生二次蒸汽，經分離重新進入壓縮機進行再循環。該技術只需要在開始階段發生蒸汽，但會消耗電能，其工藝流程見圖3與MED技術相比，MVR技術占地面積更小、效率高，更適于作脫硫廢水零排放蒸發器。
工程應用方面，廣東河源電廠采用深度預處理+多效蒸發結晶工藝路線，佛山三水恒益電廠采用慣例預處理+機械再壓縮蒸發結晶技術。實際運營過程中，蒸發結晶技術存在以下問題：1設備投資高、運行能耗高；2制出的結晶鹽無法作為商品鹽流通。這些問題促使基于煙氣蒸發的脫硫廢水零排放技術得到推廣應用。
3.2主煙道蒸發技術
脫硫廢水主煙道蒸發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行霧化，直接噴入空氣預熱器和除塵器之間的煙道內，尾部煙氣余熱作用下實現廢水霧滴快速干燥蒸發，廢水中的懸浮物和可溶性固體等結晶形成細小固體顆粒，隨飛灰一起被除塵器捕集去除，蒸汽作為煙氣一局部進入系統后被排出，實現脫硫廢水零排放。
與現行脫硫廢水處置技術相比，主煙道蒸發法具有以下優點：工藝流程簡單、無需添加化學藥劑、投資運行費用低；向煙道內引入廢水，能提高進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，可通過后續研究完善噴霧器選型以及加裝吹灰器等進行解決。目前國內已有專家學者在理論模擬及實驗方面進行了較多研究，康梅強采用計算流體動力學（CFD方法建立了廢水液滴在煙道內的運動和蒸發等過程的數學模型，開展了煙道結構、煙氣溫度及噴霧粒徑等對廢水蒸發影響的研究。張志榮針對國產機組特性提出脫硫廢水煙道蒸發處置方案，對液滴群蒸發質量及其關鍵影響因素、液滴氣動破碎特性和蒸發特性等進行了系統研究，并計算得到與廢水排放量對應的煙道中噴嘴具體布置方式和數量。
目前，主煙道霧化蒸發技術已在內蒙古上都電廠、焦作萬方電廠和寧夏靈武電廠等開展了工程應用。根據以上案例的運行經驗，由于煙道內煙氣流速降低，可能會導致灰分沉降，造成霧化系統結垢堵塞；同時鍋爐在變負荷運行時會出現主煙道內廢水無法完全蒸發，煙氣中夾帶局部未蒸干液滴，對后續系統發生影響；另外還存在后續低低溫電除塵改造空間缺乏的問題。
3.3旁路煙道蒸發技術
旁路煙道蒸發技術工藝流程如圖5所示。設置旁路煙道作為蒸發器主體，其運行與主機系統相對獨立，不影響鍋爐系統正常運行。旁路煙道布置雙流體霧化噴槍，與廢水輸送系統、壓縮空氣系統、管道控制儀表閥門共同組成霧化系統。引空預器前熱煙氣（約350℃）進入旁路煙道與經過雙流體霧化噴槍后的廢水霧滴進行接觸，煙道內實現快速干燥蒸發。由于旁路煙道系統與主系統獨立，因此對主系統影響較小。
焦作萬方電廠將電除塵入口煙道蒸發改為SCR脫硝與空預器間設置旁路煙道蒸發。由于從主系統抽取煙氣，因此鍋爐效率會略有下降（0.3%~0.5%左右）旁路煙道系統獨立于主系統，對主系統影響較小，同時檢修較為方便。雙流體霧化噴嘴的選擇是該技術的關鍵，噴嘴選擇不當會導致噴嘴磨損堵塞，引起霧化性能下降和旁路煙道積灰。
3.4旁路噴霧干燥蒸發技術
旁路煙氣干燥塔技術的工藝流程如圖6所示。濃縮后的脫硫廢水經廢水泵輸送到噴霧干燥塔的頂端，由布置在塔頂的高速旋轉霧化器霧化成微小液滴，同時系統從空預器前抽取局部熱煙氣（約占總煙氣量的3%~5%左右）作為干燥介質經煙氣分布器以一定角度進入蒸發塔頂端。純水設備廢水在噴霧干燥塔內蒸發進入煙氣中，廢水中的鹽類干燥后部分落入干燥塔底端被收集轉運，其余干燥產物隨煙氣進入除塵器處置，達到脫硫廢水零排放的目的
旋轉霧化干燥技術相較其他零排放工藝有以下優勢：
1能夠實現脫硫廢水零排放，解決高鹽脫硫廢水處置難度大的問題；
2對脫硫廢水的處置能力主要取決于干燥塔塔型設計以及引入煙氣煙溫和煙氣量；
3脫硫廢水水質適應性強，處置費用低；
4操作簡單，運行費用低，且相對獨立于電廠現有系統，對主系統影響較小，方便檢修維護。
但該技術仍存在需要探究的問題：
1優化設計蒸發塔塔型，探究廢水在塔內的蒸發特性規律；
2探究脫硫廢水處置量與抽取煙氣量的關系，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技術已在浙能長興電廠300MW機組率先取得應用，設定脫硫廢水處置能力為3t/h通過抽取3.3萬m3規范狀態下）空預器前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空預器前部分熱煙氣，該項技術會使鍋爐效率略有下降。系統每噸廢水約耗費1.1萬m3熱煙氣，折算后機組煤耗上升約0.8~1.2g/kWh機組效率降低約0.5%這方面影響可通過對待處置脫硫廢水進行干燥前的濃縮減量進行局部改善解決。
3.5脫硫廢水零排放技術
對比對上述4種脫硫廢水零排放工藝技術進行對比，如表2所示。
蒸發結晶工藝作為較成熟的零排放技術，對水質適應能力較好，但因能耗較高導致處置利息高、經濟性較差，同時結晶出的鹽無法作為工業鹽在市場流通。主煙道蒸發技術相較于蒸發結晶技術處理成本降低，但存在煙道積灰及霧化系統堵塞、鍋爐變負荷運行影響液滴蒸發、純水設備低低溫電除塵改造空間缺乏、局部大顆粒未蒸干進入后續設備等問題。旁路煙道蒸發技術及旁路噴霧干燥蒸發技術均引入熱煙氣進入旁路系統對脫硫廢水進行干燥蒸發，具有系統簡單、操作性好、經濟利息低等優點。由于從主系統抽取局部熱煙氣，降低了空預器熱風溫度，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，也可通過調節蒸發塔內煙道煙氣分布器設計、優化塔型設計、優化霧化器提高廢水霧化效果等進行改善。綜合經濟性、操作性、零排放處置效果等方面考慮，旁路煙道及旁路旋轉噴霧干燥技術是目前燃煤電廠脫硫廢水零排放處理的極具應用前景的選擇，一段時間內將成為脫硫廢水處置領域的關注重點。
4結論與展望
預處置技術主要是廢水處置前去除含量較高的重金屬離子及懸浮物。濃縮減量的目的于濃縮預處理后的廢水，降低后續零排放過程的處置量。膜法濃縮設備簡單，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用前景。介紹了零排放過程的幾種關鍵技術，蒸發結晶及主煙道蒸發雖然都能實現脫硫廢水零排放，但二者在經濟性、蒸發及改造過程中都存在不同水平的問題，而利用旁路系統煙氣蒸發無需額外熱源、處置效率高、占地少、流程簡單易于控制，相對主系統獨立運行，對電廠其他設備影響小，極具推廣前景。
目前，國脫硫廢水零排放技術仍處于廣泛研究與初步應用階段。用旁路系統對脫硫廢水進行干燥蒸發在現有技術中最具優勢，具有較好的應用推廣前景。如何降低廢水處置本錢，提高處置效率，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。
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