我國的電力來源中火電占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，煤燃燒過程中，燃煤中硫化物會(huì)隨著煤的燃燒形成含硫煙氣，直接排放將造成大氣污染，因此火電廠的煙氣脫硫工藝是控制火電廠大氣污染源的必須措施。煙氣脫硫工藝（FGD）中以濕法脫硫工藝效果最好，總脫硫效率高達(dá)95%以上，該工藝應(yīng)用比例最大。但是FGD工藝在脫硫過程中會(huì)產(chǎn)生高含鹽廢水，具有含重金屬離子、高濁度、高硬度、高氯離子、高硫酸根、呈酸性等特點(diǎn)，常規(guī)處理方式是通過三聯(lián)箱去除脫硫廢水中的重金屬離子，以實(shí)現(xiàn)DL/T997-2006達(dá)標(biāo)排放。然而隨著環(huán)保要求的不斷提高，常規(guī)處理方法已經(jīng)不能滿足要求，使得脫硫廢水的零排放成為了火電廠污染防治的關(guān)注焦點(diǎn)。
對(duì)于已建成的火電廠，脫硫廢水零排放基本是在原有的三聯(lián)箱工藝基礎(chǔ)上實(shí)施的，各類零排放工藝均作了有益的嘗試。主要包括雙堿軟化、去濁預(yù)處理工藝，反滲透等濃縮減量工藝和蒸發(fā)結(jié)晶工藝等。但是現(xiàn)有的零排放工藝存在工藝流程長(zhǎng)、投資大、運(yùn)行維護(hù)成本高和操作復(fù)雜等問題，還沒有一種方案占主導(dǎo)地位。
煙氣蒸發(fā)技術(shù)處理脫硫廢水，是通過霧化噴嘴將預(yù)處理后的脫硫廢水噴入煙道或旁路煙道內(nèi)，霧化后的脫硫廢水液滴經(jīng)過與熱煙氣的傳質(zhì)與傳熱作用迅速蒸發(fā)，廢水中的污染物結(jié)晶析出后隨煙氣中的煙塵一起被后續(xù)除塵器捕集。該工藝可達(dá)到以廢治廢的目的，被推薦為實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放的可行性技術(shù)。結(jié)合湖北中部某火電廠煙道噴霧蒸發(fā)處理脫硫廢水的工程實(shí)踐，研究煙氣噴霧蒸發(fā)處理脫硫廢水的工藝路線、技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)及處理效果。
1煙氣噴霧蒸發(fā)技術(shù)
煙氣噴霧蒸發(fā)技術(shù)處理脫硫廢水包含2種：
1種是經(jīng)預(yù)處理、反滲透膜法減量，回用部分淡水，再將系統(tǒng)濃縮水霧化導(dǎo)入煙氣系統(tǒng)；
另1種是僅經(jīng)簡(jiǎn)單預(yù)處理后不再經(jīng)過膜濃縮減量直接霧化導(dǎo)入煙氣系統(tǒng)。
按脫硫廢水導(dǎo)入煙氣的位置可分為2類，第1類如圖1所示，是在火電廠空氣預(yù)熱器后、電除塵器前的煙道內(nèi)噴入經(jīng)過霧化后的脫硫廢水，在低溫?zé)煔庥酂岬募訜嶙饔孟?，水分被完全蒸發(fā)成汽相水蒸汽，而鹽分隨著水分蒸發(fā)結(jié)晶成固體顆粒，被除塵器捕捉進(jìn)入粉煤灰；第2類如圖2所示，在空氣預(yù)熱器入口之前引出旁路高溫?zé)煔?，脫硫廢水與高溫?zé)煔庠趪娏芩羞M(jìn)行熱交換而蒸發(fā)，從而達(dá)到脫硫廢水零排放的目的。
高溫旁路法對(duì)主煙道內(nèi)煙氣特性的影響小，但投資相對(duì)較大，由于抽取了大量鍋爐排出高溫?zé)煔?，因此存在降低鍋爐效率的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)高溫旁路出口煙氣溫度低于電除塵進(jìn)口溫度時(shí)，還需要通過加熱方式提高溫度，以平衡煙氣溫度。
圖1脫硫廢水的煙道噴霧蒸發(fā)零排放技術(shù)
圖2脫硫廢水的高溫旁路噴霧蒸發(fā)零排放技術(shù)
煙氣噴霧蒸發(fā)技術(shù)需要在一定時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)定量的脫硫廢水，而且不能對(duì)煙道結(jié)構(gòu)及后續(xù)工藝產(chǎn)生負(fù)面影響。因此脫硫廢水形成的微小霧滴噴入到煙氣流后，需在盡量短的時(shí)間內(nèi)完全蒸發(fā)汽化，否則未完全蒸發(fā)的霧滴會(huì)對(duì)煙道和電除塵器產(chǎn)生腐蝕。
本技術(shù)的關(guān)鍵是控制一定時(shí)間內(nèi)液滴群的蒸發(fā)質(zhì)量和霧化液滴在煙氣內(nèi)的完全蒸發(fā)時(shí)間，以及減少噴霧蒸發(fā)后對(duì)后續(xù)電除塵等工藝的影響。如果主煙道尺寸和煙氣質(zhì)量焓滿足脫硫廢水完全蒸干的要求，則采用主煙道蒸發(fā)方法，如果不能滿足要求，則宜考慮采用高溫旁路蒸發(fā)法。
2實(shí)施方法
采用火電廠3#機(jī)組（330MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐）產(chǎn)生的脫硫廢水進(jìn)行煙氣蒸發(fā)零排放工程應(yīng)用研究。機(jī)組產(chǎn)生脫硫廢水量最大為5t/h，日常量為3t/h左右。3#機(jī)組鍋爐煙氣從2臺(tái)空氣預(yù)熱器流出進(jìn)入4個(gè)煙道，最后再進(jìn)入2臺(tái)電除塵器，空氣預(yù)熱器出口至電除塵器進(jìn)口單個(gè)煙道總長(zhǎng)度44.5m。利用UG10.0軟件對(duì)單個(gè)煙道進(jìn)行建模，其立體模型如圖3所示。
圖3煙道模擬
3#機(jī)組脫硫廢水經(jīng)過簡(jiǎn)單預(yù)處理去除廢水中的濁度，用水泵將廢水送到空氣預(yù)熱器和除塵器之間煙道中的介質(zhì)霧化噴嘴進(jìn)行霧化蒸發(fā)。根據(jù)電廠目前使用的燃煤數(shù)據(jù)進(jìn)行燃燒計(jì)算，確定煙氣特性參數(shù)，進(jìn)行熱平衡計(jì)算，確定噴霧后煙氣溫降，分析脫硫廢水噴霧蒸發(fā)對(duì)粉煤灰利用的影響。
煙氣中含有空氣、粉煤灰、二氧化硫、NOx等物質(zhì)，可通過式（1）計(jì)算煙氣在不同負(fù)荷時(shí)煙氣的質(zhì)量焓，以判定在不影響后續(xù)除塵工藝情況下，噴霧蒸發(fā)處理能否完全蒸干最大量的脫硫廢水。
式中，hg和hg0為計(jì)算和理論煙氣質(zhì)量焓，ha0為理論空氣質(zhì)量焓，hfly為粉煤灰的質(zhì)量焓；α為不同機(jī)組負(fù)荷的過量空氣系數(shù)，100%、75%和50%負(fù)荷時(shí)分別取1.38、1.42和1.68。隨鍋爐負(fù)荷的增加，煙氣質(zhì)量焓和粉煤灰質(zhì)量焓都會(huì)上升，hg也會(huì)增加。
由于采用空氣預(yù)熱器后煙氣進(jìn)行蒸發(fā)，煙氣溫度130℃左右，霧滴在煙道的停留時(shí)間短，且最大噴霧量大，因此要求霧化噴嘴在大流量時(shí)具有良好的霧化性能，且能夠形成粒徑均勻的霧滴，以保證蒸發(fā)效果。
介質(zhì)霧化是利用高速噴射介質(zhì)（一般為壓縮空氣）的沖擊作用來霧化液體，又稱作雙流體霧化。該種霧化方式在霧化流量較大時(shí)，具有平均霧化粒徑小的優(yōu)點(diǎn)，可將霧化液滴直徑控制在優(yōu)化的60μm左右，符合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，針對(duì)本項(xiàng)目情況采用專用介質(zhì)霧化噴嘴進(jìn)行噴霧。此外，電廠有富余的壓縮空氣供應(yīng)能力，無需新增壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)。
為保證脫硫廢水霧化質(zhì)量，充分利用高溫?zé)煔鉄崃俊p少煙道內(nèi)壁積灰可能，在單煙道下彎頭上部均勻布置了多個(gè)霧化噴嘴，噴嘴采用專用防堵塞、耐磨型錐形噴嘴，以保證噴霧的均勻性和蒸發(fā)效果。設(shè)置煙道內(nèi)窺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)可能積灰的位置進(jìn)行窺視、監(jiān)測(cè)。使用煙道吹灰裝置，利用蒸汽對(duì)可能積灰位置進(jìn)行吹掃，防止積灰。
脫硫廢水煙道蒸發(fā)工藝單煙道流程如圖4所示。
圖4脫硫廢水煙道蒸發(fā)工藝單煙道流程
預(yù)處理后的脫硫廢水，經(jīng)過緩沖罐均化水質(zhì)后由脫硫廢水噴霧給水泵送至廢水分配器，廢水分配器起到均布3個(gè)霧化噴嘴水量的作用。廠區(qū)壓縮空氣經(jīng)過空氣凈化器去除油分等雜質(zhì)后進(jìn)入壓縮空氣分配器，由壓縮空氣分配器均布進(jìn)入霧化噴嘴的壓縮空氣量。
經(jīng)過均布的脫硫廢水和壓縮空氣進(jìn)入霧化噴嘴可使得3個(gè)霧化噴嘴保持一致工藝參數(shù)，從而保證霧化噴嘴噴霧的均一性。工程3#機(jī)組4個(gè)煙道上總共布置12個(gè)專用噴嘴，整個(gè)工藝流程短、設(shè)備少。
3運(yùn)行結(jié)果與討論
在不同機(jī)組負(fù)荷條件下進(jìn)行燃燒計(jì)算及鍋爐熱平衡計(jì)算，在不同負(fù)荷時(shí)噴入不同量的脫硫廢水、煙氣參數(shù)，如表1所示。
表1不同負(fù)荷下煙氣參數(shù)
廢水噴嘴至電除塵器進(jìn)口煙道長(zhǎng)度為34.5m，不同負(fù)荷下，煙道中煙氣停留時(shí)間均大于2s。表2為在機(jī)組不同負(fù)荷情況下，噴入不同量的脫硫廢水的完全蒸發(fā)時(shí)間t2、電除塵器入口煙氣溫度θg2、煙氣溫降Δθg以及煙氣質(zhì)量流量的變化ΔqV。
表2不同脫硫廢水蒸發(fā)運(yùn)行工況
由表2可知，完全蒸發(fā)時(shí)間遠(yuǎn)小于煙氣在煙道中的停留時(shí)間，可保證脫硫廢水噴入后在進(jìn)入電除塵器前完全蒸發(fā)，因此直接采用主煙道噴霧蒸發(fā)工藝是可行的。負(fù)荷增加時(shí)，煙氣質(zhì)量焓增加，煙氣可蒸干更多的廢水。電除塵入口煙氣溫度都在110℃以上，均高于酸的露點(diǎn)，酸不會(huì)結(jié)露，不會(huì)對(duì)電除塵器及煙道產(chǎn)生腐蝕。脫硫廢水經(jīng)過煙道噴霧蒸發(fā)后，煙氣平均溫度降低，降低程度降隨廢水噴入量的增加而增加。煙道內(nèi)實(shí)際狀態(tài)下，100%、75%、50%負(fù)荷時(shí)煙氣體積流量分別減少了1.46%、1.47%、1.41%，減少量較小。
連續(xù)運(yùn)行2個(gè)月時(shí)間后檢查的煙道內(nèi)部情況，發(fā)現(xiàn)易積灰的彎頭部分和煙道水平段均未出現(xiàn)明顯積灰現(xiàn)象。根據(jù)脫硫廢水Cl-平衡計(jì)算可知（Cl-的質(zhì)量濃度按20g/L計(jì)），廢水干燥后的產(chǎn)物全部進(jìn)入粉煤灰，蒸發(fā)析出的固體總量占煙氣中粉煤灰總量小于0.6%，粉煤灰中Cl-的含量大約增加0.15%左右。按照GB175-2007要求，粉煤灰硅酸鹽水泥中Cl-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求不大于0.06%。
根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)的要求，粉煤灰硅酸鹽水泥混入粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)>20%且≤40%，脫硫廢水Cl-全部進(jìn)入粉煤灰并混入硅酸鹽水泥中，水泥中Cl-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.03%～0.06%，滿足GB175-2007要求。
由于脫硫廢水的噴入，煙氣濕度由7.15%增加至7.63%，煙氣相對(duì)濕度增加0.5%左右，降低了粉煤灰的比電阻，可以防止和減弱高比電阻粉塵的反電暈，從而可以提高電除塵器的除塵效率。同時(shí)，在脫硫塔的噴淋冷卻作用下，水分凝結(jié)進(jìn)入脫硫塔的漿液循環(huán)系統(tǒng)被重復(fù)利用，可以減少濕法脫硫工藝用水量。
4效益分析
工程總投資400萬元，遠(yuǎn)少于雙堿軟化、過濾+膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶的傳統(tǒng)工藝投資。工程中僅需對(duì)脫硫廢水進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理，不需投加藥劑，僅有電氣系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)的運(yùn)行電耗，運(yùn)行費(fèi)用小于10元/t，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的工藝，且運(yùn)行過程中無需專業(yè)操作人員及相關(guān)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)無人值守，相比其他零排放工藝具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。
與傳統(tǒng)脫硫廢水零排放工藝相比，煙氣噴霧蒸發(fā)技術(shù)特點(diǎn)有：投資成本低；進(jìn)水水質(zhì)要求低，僅配套簡(jiǎn)單的預(yù)處理單元去除濁度；系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行中不需要添加藥劑，運(yùn)行費(fèi)用少；改造工期短、工程量小、可嵌入原發(fā)電系統(tǒng)，無需專門用地等。但是煙氣噴霧蒸發(fā)工藝不產(chǎn)生回用水，其他零排放工藝的產(chǎn)水可回用電廠生產(chǎn)。
5結(jié)論
控制霧化液滴直徑、合理優(yōu)化布置霧化噴嘴、保證各個(gè)霧化噴嘴噴霧的均一性、準(zhǔn)確計(jì)算噴入脫硫廢水后煙氣及粉煤灰特性變化是工程成功實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)。
在不同機(jī)組負(fù)荷情況下，在空氣預(yù)熱器與電除塵器之間的煙道中噴入脫硫廢水，可以完全蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放。噴入脫硫廢水后的粉煤灰中Cl-含量?jī)H增加了0.15%，不會(huì)對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生負(fù)面影響。煙氣相對(duì)濕度增加0.5%左右，可以提高電除塵器的除塵效率。
煙氣噴霧蒸發(fā)進(jìn)行脫硫廢水零排放技術(shù)，具有工藝流程短、操作簡(jiǎn)單、占地面積小和成本優(yōu)勢(shì)明顯等特點(diǎn)。
