近年來, 國家關(guān)于水污染控制的法規(guī)政策不斷趨嚴(yán)。2015年, 國務(wù)院頒布《水污染防治行動計(jì)劃》, 強(qiáng)調(diào)狠抓工業(yè)污染防治。2016年, 國務(wù)院發(fā)布《控制污染物排放許可證實(shí)施方案》, 要求率先對火電和造紙行業(yè)核發(fā)排污許可證。2017年, 環(huán)保部頒發(fā)《火電廠污染防治技術(shù)政策》, 鼓勵(lì)電廠實(shí)現(xiàn)脫硫廢水不外排。
隨著國家和地方環(huán)保政策的收緊, 許多電廠都在水污染控制方面感受到了合規(guī)性壓力, 特別是一些在環(huán)評中明確承諾廢水不外排的新建電廠。作為電廠最難處理和最主要的末端濃水, 脫硫廢水的零排放處理受到越來越多的關(guān)注, 處理工藝也在不斷演變。本文將在介紹和評述現(xiàn)有脫硫廢水零排放處理工藝的基礎(chǔ)上, 重點(diǎn)介紹和討論新型常溫結(jié)晶分鹽零排放脫硫廢水處理技術(shù)的工藝原理、技術(shù)優(yōu)勢和中試結(jié)果, 為工業(yè)應(yīng)用與推廣提供參考。
1 脫硫廢水零排放工藝概述
目前脫硫廢水零排放處理有2條基本路徑, 即煙氣蒸發(fā)工藝和蒸發(fā)結(jié)晶工藝。煙氣蒸發(fā)工藝是通過霧化噴嘴將脫硫廢水噴入煙道或者旁路煙道內(nèi), 霧化后被煙氣加熱蒸發(fā)成水汽, 溶解性鹽結(jié)晶析出后隨煙塵一起被除塵器捕集, 進(jìn)入粉煤灰。
蒸發(fā)結(jié)晶工藝則是采用傳統(tǒng)水處理工藝, 利用蒸汽、熱水或者煙氣等熱源, 蒸發(fā)脫硫廢水, 冷凝水回用, 廢水中的溶解鹽被蒸發(fā)結(jié)晶干燥后裝袋外運(yùn)進(jìn)行綜合利用或者處置, 避免產(chǎn)生二次污染。
一般認(rèn)為, 在不考慮對主系統(tǒng)影響的情況下, 煙氣蒸發(fā)工藝的投資和運(yùn)行成本較低, 而蒸發(fā)結(jié)晶工藝的投資和運(yùn)行成本更高。但隨著蒸發(fā)結(jié)晶工藝的不斷優(yōu)化, 二者之間的差距正在逐步縮小。
2 煙氣蒸發(fā)工藝
煙氣蒸發(fā)工藝分為煙道直噴工藝、旁路蒸發(fā)工藝以及衍生出來的煙氣濃縮與結(jié)晶耦合工藝等。
2.1 煙道直噴工藝
煙道直噴工藝一般旨在利用除塵器之前的低溫段煙氣余熱, 圖1是典型的煙道直噴脫硫廢水處理工藝。
圖1 煙道直噴脫硫廢水處理工藝
脫硫廢水經(jīng)過必要預(yù)處理后, 通過壓縮空氣加壓之后, 由霧化噴嘴直接噴入預(yù)熱器之后、除塵器之前的煙道內(nèi), 霧化液滴隨煙氣蒸發(fā)汽化, 結(jié)晶析出鹽塵, 一起進(jìn)入除塵器。此時(shí)煙氣溫度較低, 一般被認(rèn)為是余熱利用, 對鍋爐效率幾乎沒有影響, 投資和運(yùn)行成本較低。煙道直噴的風(fēng)險(xiǎn)主要來自噴嘴堵塞、煙道腐蝕和結(jié)垢等。
2.2 旁路蒸發(fā)工藝
與煙道直噴工藝不同, 旁路蒸發(fā)工藝通過建造獨(dú)立的噴霧干燥塔來實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的霧化蒸發(fā)。圖2是典型的旁路蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝。
圖2 旁路蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝
脫硫廢水經(jīng)必要的預(yù)處理之后, 由噴嘴從上方噴入單獨(dú)設(shè)置的噴霧干燥塔, 形成霧化液滴, 與引自預(yù)熱器前的高溫?zé)煔庠诟稍锼?nèi)相遇, 霧化液滴汽化并結(jié)晶析出鹽塵, 一起從干燥塔出口進(jìn)入預(yù)熱器后、除塵器前的煙道內(nèi)。
由于設(shè)置了獨(dú)立的干燥塔, 脫硫廢水的霧化蒸發(fā)過程在干燥塔內(nèi)完成, 因此主煙道的腐蝕和結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)可以排除。但由于使用預(yù)熱器前高溫?zé)煔? 因此旁路蒸發(fā)對鍋爐的效率有一定的影響。與煙道直噴相比, 旁路蒸發(fā)的接受程度更高一些。
2.3 耦合煙氣蒸發(fā)工藝
耦合煙氣蒸發(fā)工藝旨在結(jié)合煙道直噴利用低溫?zé)煔庥酂岷团月氛舭l(fā)安全性較高的優(yōu)勢, 利用低溫?zé)煔馀月氛舭l(fā)進(jìn)行脫硫廢水的濃縮, 利用高溫?zé)煔馀月氛舭l(fā)進(jìn)行濃縮液的結(jié)晶。圖3是典型的煙氣濃縮與結(jié)晶耦合脫硫廢水處理工藝。
圖3 煙氣濃縮與結(jié)晶藕合脫硫廢水處理工藝
該工藝由2個(gè)旁路煙氣蒸發(fā)工藝耦合而成, 并分別設(shè)置了獨(dú)立的濃縮塔和干燥塔。濃縮塔的熱源煙氣是低溫?zé)煔? 引自除塵器和脫硫引風(fēng)機(jī)之后。脫硫廢水首先進(jìn)入濃縮塔, 在低溫?zé)煔獾募訜嵯抡舭l(fā)濃縮, 汽化后隨煙氣送回主煙道一并進(jìn)入脫硫塔。濃縮塔底部的濃縮液則被進(jìn)一步送入干燥塔完成結(jié)晶固化。干燥塔的引送風(fēng)模式和運(yùn)行模式與2.2節(jié)介紹的旁路蒸發(fā)一致, 霧化結(jié)晶形成的鹽塵也被除塵器截留。
耦合煙氣蒸發(fā)工藝有效避免了主煙道的腐蝕與堵塞風(fēng)險(xiǎn), 對鍋爐效率的影響也更低。但使用了2個(gè)煙氣蒸發(fā)塔, 工藝比較復(fù)雜, 投資成本相對較高, 濃縮塔煙氣增壓所需要的額外能耗也不可忽視。
2.4 煙氣蒸發(fā)對鍋爐效率的影響
脫硫廢水的含鹽量與海水相當(dāng), 汽化潛熱約為2.30 kJ/g, 因此從絕對能耗看, 每蒸發(fā)1 m3脫硫廢水約相當(dāng)于消耗100 kg標(biāo)煤, 以發(fā)電煤耗300 g/ (kW·h) 換算, 則約相當(dāng)于333 kWh的電量。
在煙氣蒸發(fā)工藝中, 以低溫?zé)煔庾鳛闊嵩吹闹眹娀蚺月饭に嚳梢哉J(rèn)為是余熱利用, 對鍋爐效率基本沒有影響。而以高溫?zé)煔庾鳛闊嵩吹呐月氛舭l(fā)對鍋爐效率會產(chǎn)生一定影響。以1臺1 GW機(jī)組為例, 假設(shè)脫硫廢水排量為10 m3/h, 從熱值看全水量高溫?zé)煔庹舭l(fā)約需要每小時(shí)消耗燃煤1 000 kg, 即煤耗損失為1 g/ (kW·h) 。如果再假設(shè)高溫?zé)煔鉃?00℃, 而100℃以下即為無法利用的廢熱, 則對煤耗的實(shí)際影響會稍低, 約為0.7 g/ (kW·h)。
煙氣蒸發(fā)工藝對鍋爐效率的實(shí)際影響需要根據(jù)具體工藝和水量來進(jìn)行具體估算。需要說明的是, 煙氣蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝具有較高絕對能耗的原因在于該工藝無法回收冷凝潛熱。與之形成對照的是, 蒸發(fā)結(jié)晶工藝可以高效回收冷凝潛熱, 因此絕對能耗幾乎低1個(gè)數(shù)量級。
2.5 煙氣蒸發(fā)對粉煤灰利用的影響
煙氣蒸發(fā)處理脫硫廢水過程中, 霧化結(jié)晶后的鹽塵進(jìn)入煙道并被除塵器捕捉, 從而進(jìn)入粉煤灰。脫硫廢水中含有大量的氯離子, 而氯離子可能對粉煤灰的利用產(chǎn)生潛在影響。仍然以1臺1 GW機(jī)組為例, 假設(shè)脫硫廢水排量為10 m3/h, 脫硫廢水中的氯離子的質(zhì)量濃度假設(shè)為10 g/L, 則氯離子的總量為100 kg/h。而以發(fā)電煤耗300 g/ (kW·h) 計(jì)算, 該機(jī)組的燃煤用量為300 t/h, 粉煤灰的產(chǎn)量按20%計(jì)算, 即60 t/h。因此, 如果脫硫廢水中的鹽全部進(jìn)入粉煤灰, 則粉煤灰中氯離子的含量凈增加約0.17%。
雖然GB/T 1596-2017并沒有限定粉煤灰中氯離子的含量, 但國標(biāo)GB 50010-2010要求混凝土中氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.05%～0.30%[20,21]。如果煙氣蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝被大量工業(yè)應(yīng)用, 在粉煤灰的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中限定氯離子含量將是大概率事件。
3 蒸發(fā)結(jié)晶工藝
蒸發(fā)結(jié)晶工藝采用傳統(tǒng)水處理的思路來處理脫硫廢水。經(jīng)過多年的實(shí)踐與發(fā)展, 蒸發(fā)結(jié)晶工藝的具體路線也經(jīng)歷了一些演變, 特別是軟化方法和膜濃縮的進(jìn)步, 有效降低了蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水處理工藝的投資和運(yùn)行成本。
