火电厂脱硫废水“零排放”工程改造方案浅析

杜志新

（国投北部湾发电有限公司，广西 北海 536017）

引言

2006年国家发展和改革委员会发布《火力发电厂废水治理设计规程》（DL/T 5046-2006）。2007年11月颁布了《国家环境保护“十一五”规划》，明确要求在钢铁、电力、化工、煤炭等重点行业推广废水循环利用，努力实现废水少排放或“零排放”。2015年4月，国务院颁布印发《水污染防治行动计划》，以加大水污染防治力度，保障国家水安全。

燃煤电厂现有的脱硫废水处理系统，可在一定程度上去除废水中的重金属、SS、硬度离子等杂质，水质有所改善；但废水中高浓度氯离子无法去除，且硬度离子去除不彻底，处理后的脱硫废水存在很强的腐蚀性，废水无法回用至电厂脱硫系统或其他系统，若直接排放将严重污染环境。随着国家相关政策法规对环保要求的趋严，电厂脱硫废水“零排放”已势在必行，现有的脱硫废水处理系统已无法满足国家相关政策法规及“零排放”的环保、环评要求。因此，脱硫废水处理系统必须进行改扩建。

现行的传统火力发电企业的脱硫废水处理一般采用中和沉降絮凝箱方法，该工艺为传统的三联箱处理工艺，其工艺流程为：混凝沉淀法处理，经中和、絮凝、反应、沉淀、分离等方法对脱硫废水进行预处理，污泥进行压滤外运，处理后的脱硫废水一般达标排放或干灰加湿、灰场喷淋等简单回用。

1 国内外脱硫废水“零排放”处理方法概况

1.1 蒸发结晶法

废水蒸干系统是将脱硫废水通过高温蒸发，蒸发过程可采取不同的工艺，如多效蒸馏、多级闪蒸、蒸汽压缩等。经蒸发后，得到含有结晶固形物的浓缩液，通过干燥雾化或离心分离，将晶体分离出来。由于蒸发结晶出的固体物为杂盐混合物，没有销路，故分离出来的晶体杂盐再设法填埋。

该方法目前在国内外均有运用，整个处理过程需消耗大量的蒸汽和电能。该方法的投资和运行成本高、能耗偏高，增加的设备设施的维护量较大，并需要有较大的建设空间。此外，结晶分离出来的盐类固化物需进一步处置，存在固体废弃物的处理问题，并存在设备内结垢的弊端，导致未能广泛推广。

1.2 烟道蒸发法

该方法将经过常规处理的脱硫废水用泵送至除尘器的前烟道，经压缩空气将脱硫废水在除尘器前烟道内雾化。由于除尘器前烟道中的烟气温度较高，喷入烟道的雾化脱硫废水会迅速在高温烟道中蒸发，废水中的杂质以固体物的形式和粉煤灰一起随烟气进除尘器，经除尘器捕捉，随粉煤灰一起外排。

该方法通过利用锅炉烟气余热蒸发的方法将脱硫废水中的水和杂质分离，做到了脱硫废水“零排放”。该方法在日本、美国、捷克等已有成功运行案例，废水处理量可达20m3/h。

烟道蒸发法的投资较少，运行成本较低，但需要对锅炉、汽机、脱硫设备、除尘设备、煤质等进行系统性的研究及核算，根据运行参数、烟气量、烟气温度等进行详尽的系统设计，否则可能会对相关设备造成不利影响，进而影响“零排放”的经济性。

2 四种改扩建方案论证

2.1 方案一：多效蒸发结晶法

原三联箱+预处理+蒸发+结晶。改造原有的三联箱处理系统，新建预处理系统，处理废水达到可蒸发结晶条件，新建废水蒸发系统、结晶系统。

某电厂脱硫废水处理采用多效蒸发结晶法建造处理能力为20m3/h脱硫废水“零排放”系统，采用四级多效蒸发技术，热源采用电厂蒸气。脱硫废水水质见表1，工艺流程如图1。

表1 某电厂典型脱硫废水水质

图1 某电厂脱硫废水蒸发结晶处理工艺

该项目总投资约为9750万元，总占地3万平方米，蒸发结晶处理工艺不仅占地面积大、投资成本高，其运行成本也较高，每吨水的处理成本高达286.6元。

2.2 方案二：原三联箱+树脂软化+反渗透+正渗透+蒸发结晶膜处理

改造原有三联箱处理系统，新建树脂软化系统、反渗透系统、正渗透系统、蒸发结晶膜系统。

某水处理工程公司采用该工艺新建脱硫废水“零排放”处理工程。主体工艺为“三联箱”+树脂软化+反渗透+正渗透+蒸发结晶膜处理。项目建设总投资8500万元，总占地面积约1000m2。脱硫废水处理系统的运行成本为吨水处理成本高达123.5元。

2.3 方案三：外置式烟气蒸发结晶，原三联箱+软化+双膜法+外置式烟气蒸发结晶

改造原有三联箱处理系统，新建软化处理系统、双膜法处理系统、外置式烟气蒸发结晶系统。

外置式烟气蒸发结晶系统：脱硫废水经两级软化系统和双膜法减量系统回收70%的淡水，剩余30%的浓水通双流体雾化装置在外置式高效蒸发结晶器内进行雾化结晶，结晶器引用空气预热器前端的高温烟气对脱硫废水进行快速蒸发结晶，结晶器出口并入空气预热器后端的主烟道内，实现脱硫废水的“零排放”。

脱硫废水外置式烟气蒸发“零排放”技术，采用三大系统、九大模块，包括脱盐前系统（除重模块、除固模块和除硬模块）、脱盐系统（淡化减量模块、蒸发结晶模块、气固分离模块）、电控系统（电气模块、监测模块、控制模块）。外置式烟道引入烟道高温烟气，无需其它热源，属余热利用；做到脱硫废水完全回收利用，应用于脱硫系统，节省相同数量的脱硫工艺用水，减少电厂水耗量，可实现电厂脱硫废水“零排放”。其处理工艺如图2。

废水处理系统简单，工程投资省、运行能耗低、处理费用小。投资额度约3000余万元，占地500m2每吨水的处理费用59.7元；经济性比较合理。

2.4 方案四：外置式双烟气蒸发结晶

图2 外置式烟气蒸发结晶系统

外置式蒸发脱硫废水“零排放”技术为：1）一级蒸发（浓缩塔系统）：由除尘器后的烟道上引一路烟气（烟气温度维持在80℃～150℃），烟气经烟道接入浓缩塔系统，废水旋流器产生的脱硫废水（取消三联箱）经浓缩泵送入浓缩塔内形成自循环，与热烟气在浓缩塔内充分换热进行一级蒸发，浓缩塔出口烟气温度维持在50℃～70℃，出口烟气通过烟道接入后续脱硫处理系统。浓缩后的浓水经水处理系统进入二级蒸发。2）二级蒸发（四段法蒸发炉）：由锅炉空预器前引300℃～400℃烟气或热一次风作为二级蒸发的热源。热烟气经烟道接入四段法蒸发炉中，浓水经水处理系统处理后形成的喷射液由泵送至在蒸发炉内进行二级蒸发，从而实现脱硫废水的完全蒸干，蒸发炉出口烟气温度控制在110℃～150℃，蒸干盐被收集系统收集。

两级蒸发脱硫废水“零排放”技术特点：两级蒸发技术，取消原有脱硫系统中废水处理系统（三联箱工艺），污泥量大幅降低，由污泥产生的危废量同步减少；废水浓缩无膜浓缩系统，无钙镁离子结垢问题；浓缩塔取代传统预处理（水质软化+膜浓缩），废水浓缩无需水质软化，无加药费，投资和运行费用大幅降低；浓缩塔利用除尘器后净烟气的余热进行浓缩，蒸发出的净水随烟气进入脱硫吸收塔，降低脱硫塔补水量，节水、节能效果明显。

该废水处理系统更加简单，工程投资省、运行能耗低、处理费用少。投资额为1800余万元，占地面积小，吨水处理费用29.7元，性价比较高，但业绩较少。

3 方案经济性比较

4种工艺方案的经济性分析比对见表2。

综合比较，外置式烟气蒸发结晶工艺可充分利用现有设施满足新增水量扩建要求，可实现对脱硫废水100%完全回收利用，节省相同数量的脱硫工艺用水，减少电厂耗水量；同时外置式烟气余热蒸发结晶工艺建设投资成本较少、有运行业绩、运行成本较低、占地面积较小、运行风险较低，此外该处理工艺运行稳定，运行控制自动化程度高，对工艺难点的处理有应对措施，对电厂其它系统无影响，实用性强。两级烟气外置式蒸发脱硫废水“零排放”技术，尚处于开发研制阶段，暂无使用业绩，因此，两级软化系统+双膜法+外置式烟气余热蒸发结晶处理工艺，目前为优先选择方案。

表2 脱硫废水处理方案经济性分析比对表

4 重点方案工艺路线

外置式烟气余热蒸发结晶工艺的技术路线可实现真正意义上的“零排放”，脱硫废水经预处理系统处理后进入双膜减量处理系统；经双膜法处理产生70%淡水直接回用至脱硫系统或工业水系统，双膜法产生30%浓水通过双流体雾化喷枪使废水在外置烟道内雾化，外置烟道引入烟道内高温烟气，此烟气具有巨大的热容量，雾化的水滴与高温烟气迅速进行传热、传质、蒸发，蒸发形成结晶物与水蒸汽进入静电除尘器实现气固分离，结晶物附着在灰分上，水蒸汽进入脱硫岛系统冷凝，间接回收。外置式烟气蒸发结晶系统见图3。

图3 外置式烟气蒸发结晶系统

4.1 工艺流程第一部分

工艺流程第一部分包括脱盐前系统，包括除重模块、除固模块和除硬模块。

（1）脱盐前系统主要工艺为两级混凝沉淀，去除水中钙、镁等硬度离子、重金属离子及固体悬浮物等污染因子。包括除重模块、除固模块和除硬模块。

（2）除重模块：中和废水中H+，调节废水pH至碱性，废水中和后的弱碱性氛围，有利于进一步针对重金属离子进行络合与结晶沉淀；将大部分重金属离子以氢氧化物的形式完全沉淀出来；将部分酸根、卤族离子中和为相应的无机盐；去除废水中镁离子、硫酸根离子。

（3）除固模块：该系统通过两级混凝沉淀工艺，并选用PAC和PAM两种高效絮凝剂配合使用，可最大程度地使已结晶析出的无机盐、重金属络合物及SS等细小矾花积聚成为较大颗粒，以便于在废水进入沉淀池后更快地沉降，废水在沉淀池实现固液分离，澄清液进入后续减量处理系统，沉淀污泥通过排泥泵排入污泥收集池，最后进入污泥处理系统进行干化处理。

（4）除硬模块：其主要反应机理为：

4.2 工艺流程第二部分

工艺流程第二部分为脱盐系统，包括淡化减量模块、蒸发结晶模块、气固分离模块。

（1）淡化减量模块：采用先进技术双膜法（见图4），主要组成为超滤与海水淡化膜设备。废水经过预处理后进入淡化超滤与海水淡化膜浓缩后，淡水回用至脱硫系统，浓水进入蒸发结晶模块。超滤与反渗透联合使用的技术俗称双膜法，双膜法属于膜分离技术的一种，用于污水深度处理回用工程。

图4 双膜法

工艺特点：1）超滤采用先进的耐污染的柱式超滤膜，对RO膜进行保护；2）技术成熟，系统自动化程度高，操作方便，产水水质稳定；3）适应于较大范围的进水水质，既适用于苦咸水、海水的处理，又适应于高含盐废水处理；4）系统适合更小的基建空间需要，占传统处理空间的25%～50%，可分组安装；5）系统抗污染能力强，可减少运行药剂，运行成本低。

脱硫废水经软化处理及海水淡化膜处理后，产生浓水与淡水，淡水出水水质达到工业用水水质，可以回用至工业水系统；废浓水进入蒸发结晶模块。

（2）蒸发结晶模块（见图5）：应用“迅速喷雾蒸发”（RSE）技术，含盐废水通过管道雾化设备进入烟道，形成细小的水滴；在蒸发室的热空气中，水滴迅速蒸发，水和盐分等杂质分离；雾化装置将浓水雾化为适合的液滴，便于雾化的水滴与高温烟气在设计时间内迅速进行传热、传质、蒸发，防止液滴在除尘器内产生未汽化的水，对除尘器极线、极板产生黏结。锅炉烟气的排烟温度控制在烟气酸露点以上。

图5 蒸发结晶模块

根据能量守恒估算完全蒸发废水水滴所需要的烟气量，计算得到所需的烟道蒸发器台数。然后通过流体力学（CFD）计算技术确定喷嘴的布置位置、角度等技术参数。通过使用CFD软件Fluent对废水雾化喷入烟道后，烟气与废水雾滴之间的运动、传热、传质进行数值模拟。

该系统的技术特点：1）系统最佳的烟气混合效果；2）确定液滴雾化粒径，雾化装置的配置及最佳的雾化效果；3）雾化装置的结构及材质，保证液滴雾化粒径；4）蒸发时间控制，确定雾化液滴完全蒸发距离；5）蒸发温度控制，喷水量精确控制。

不同烟气含湿量条件下温度与飞灰电阻率的关系曲线见图6。

图6 不同烟气含湿量条件下温度与飞灰电阻率的关系曲线

（3）气固分离模块：浓水经过蒸发结晶模块后产生的结晶物与水蒸汽随烟气进入气固分离模块，该模块中的结晶物在静电除尘器气流中荷电，在电场的作用下与气流分离，随粉煤灰进入灰斗排出，同时水蒸汽有效降低烟气比电阻，提高除尘效率。高品质的水蒸汽进入脱硫吸收塔中，被吸收塔内大量的喷淋浆液吸收利用，可取代吸收塔相同的蒸发水量，节约用水，达到脱硫废水完全回收利用的目的。

4.3 废水处理目标

脱硫废水经预处理系统处理后进入双膜法处理系统进行深度处理，回收率≥70%，处理后产水出水达到工业用水水质要求，具体水质见表3。

表3 回用水水质一览表

双膜法系统处理后的浓水，利用外置蒸发结晶处理技术，在无需其它热源的情况下，在烟道热源进行雾化处理，实现电厂脱硫废水真正意义上的“零排放”。

5 高效节能废水结晶器的选型及设计

燃煤机组产生的脱硫废水量，经双膜法减量处理浓缩后可减少70%，单台炉SCR出口2个烟道，每个烟道加装一套高效节能废水结晶器。其具体安装方式见图7。

图7 高效节能蒸发结晶器安装示意图

6 相关影响分析

6.1 对机组的影响

高效节能蒸发结晶器引入SCR出口300℃以上的高温烟气，实现浓水完全蒸发后，控制烟气温度降至120℃左右。核算引入SCR烟气量为燃煤系统烟气的1%～2%，对系统影响可以忽略不计。

6.2 对粉煤灰的影响

锅炉产生的粉煤灰经脱盐预处理系统后，水中的污染物绝大部分以氯化钠形式存在，核算量约为0.0099t/h，占粉煤灰的0.035%，低于《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）氯离子限量的要求：即水泥中的氯离子含量不大于0.06%。因此，对粉煤灰几乎不产生任何影响。

6.3 对静电除尘器的影响

由于喷入的脱硫废水提高了烟气含湿量，粉煤灰电阻率成倍降低，同时废水蒸发过程吸收热量，使得除尘器前的烟气温度降低，进而降低除尘器中烟气的流速，延长烟气在除尘器中的停留时间和降低烟气对粉煤灰的拖曳力，因此，粉煤灰的脱除率明显提高，除尘器效率显著提升。

6.4 低负荷或雨季的影响

该方案采用PLC系统智能控制。在烟道内，设置有工业级烟道温度感应器及流程侦测设备。雾化装置的配置、喷水量通过计算机控制，根据烟温、烟气量控制雾化水量，确保外置烟道出口废水完全蒸发结晶，确保后续系统安全运行；锅炉在低负荷条件下，脱硫负荷减少，烟气量同步减少，系统内Cl-离子及其它物质浓缩量会同时减少，脱硫废水的产生量明显减少，设计废水缓冲罐，容纳在此期间不能处理的废水，在负荷高及烟温较高时，提高雾化处理量。根据烟气量、烟气温度、进水水质等参数，精确计算出可以接收的喷雾水量范围，进行系统设计。

7 结语

两级软化系统+双膜法+外置式烟气蒸发结晶技术是目前的主流技术，具有运行稳定、成本较低等诸多优点，但脱硫废水“零排放”的终极解决方案为两级蒸发炉技术，其优点是投资和运行成本低、工艺简单、设备体积小、占地面积小、不留任何固废。