烟道蒸发脱硫废水零排放的优化应用研究

林 炜

(浙江天畅环境科技有限公司，浙江 杭州 310012)

随着烟气超低排放要求的全面落实，湿法脱硫工艺广泛地应用于烟气治理中[1]，随之带来的脱硫废水二次污染源的产生正日益成为焦点，而国家近几年进一步收紧政策使得企业不得不开始考虑脱硫废水零排放处理问题。传统的脱硫废水三联箱处理工艺具有投资大、运行费用高、部分污染物难达标、且还有少量废水产生等问题[2-3]。目前的脱硫废水零排放工艺主要采用预处理+末端处理，其中末端处理主要是通过蒸发将脱硫废水实现零排放[4]。浓缩烟道蒸发脱硫废水零排放工艺是在烟道蒸发基础上优化而来的一种湿法脱硫废水处理工艺，本文通过将其应用于嘉兴新嘉爱斯热电厂的220 t/h锅炉上，分析了该技术优化特点、对烟气各相关系统运行的影响以及废水处理费用，以为烟道蒸发脱硫废水处理工艺优化提供依据。

1 湿法脱硫废水概述

湿法脱硫系统产生的废水具有以下特性[5-7]：水质特性变化大，且不稳定；腐蚀性强，pH值为5～6，偏酸性，氯离子(Cl-)含量高，为5～20 g/L；悬浮物SS含量较高，为10～60 g/L，且变化大；硬度大，含大量的金属离子(Ca2+、Mg2+等)，总量为20～50 g/L；化学需氧量(COD)超标，在脱硫废水中，还原态的无机物连二硫酸盐是形成化学耗氧的主要原因，其可生化性差；重金属(Hg、Cr、Pb、Ni、Cd)含量高等。脱硫废水经传统工艺(三联箱)处理后可以去除废水中的悬浮物、重金属、部分钙镁，但排放的废水中有些指标仍然难以达到《火电厂石灰石-石膏法湿法脱硫废水水质控制指标》(DL/T997—2006)标准的要求，主要为Cl-、SS、COD、氟化物等[8-9]，不能排入市政污水管道。

有些电厂特别是中小型的机组，由于脱硫废水量少，利用废水处理系统处理脱硫废水的经济性较低，经常将脱硫废水输送至灰场或煤场进行喷洒处理[10]。这种利用空旷的场区进行脱硫废水自然蒸发的处置方式虽然可以降低场区扬尘，但最终脱硫废水中的污染物将随着煤再一次进入到锅炉系统中，由于场区的喷洒为开放式，对污染物的流向较难约束，可能会对地下水或空气造成再次的污染。因此，采用该处置方式时需要考虑其对周边环境造成的影响。为了实现真正意义的脱硫废水零排放，目前针对脱硫废水的末端处理方式主要有蒸发结晶和烟道蒸发两种处理工艺。

1. 1 蒸发结晶工艺

在高温状态下对工艺废水进行蒸发，除结晶水外所有水分均以水蒸气形式排出，经冷凝后形成纯净的蒸馏水回用，废水中的盐类和污染物经过浓缩结晶形成固体产物。此类产物一般是被送往垃圾处理厂填埋或将其回收作为有用的化工原料[11-12]。蒸发结晶处理工艺对水质的适应能力较好[13]，但因能耗较高导致其处理成本高、经济性较差，同时结晶出的盐很难作为工业盐在市场流通，进而容易产生新的固体废物。

1. 2 烟道蒸发工艺

将末端废水雾化后喷入除尘器入口前烟道内，利用烟气余热将雾化后的废水蒸发，也可以引出部分烟气到喷雾干燥器中，利用烟气的热量对末端废水进行蒸发处理[14-15]。在烟道雾化蒸发处理工艺中，废水中的水分以水蒸气的形式进入脱硫吸收塔内，冷凝后形成蒸馏水，进入脱硫系统循环利用[16-17]。同时，末端废水中的溶解性盐在废水蒸发过程中结晶析出，并随烟气中的灰一起在除尘器中被捕集。目前烟道蒸发处理工艺主要有主烟道蒸发技术和旁路烟道蒸发技术和旁路喷雾干燥蒸发技术[18]，这三种烟道蒸发技术在工艺原理、水质适应能力、处理能力、运行费用和技术缺陷方面的对比，详见表1。

表1 烟道蒸发技术对比

2 烟道蒸发技术的优化应用案例分析

嘉兴新嘉爱斯热电有限公司的脱硫废水零排放工艺采用了浓缩烟道蒸发技术，该工艺与以往的烟道蒸发工艺的不同在于将旁路蒸发浓缩与烟道蒸发相叠加，在除尘器后引一部分低尘热烟气进入蒸发浓缩塔，充分利用了烟气的余热将脱硫废水浓缩，并把高湿烟气引回除尘器后与原烟气混合进入脱硫塔；混合后的烟气温度降低、湿度增加，可节省后续工艺水的耗量；浓缩后的废水再由喷射系统喷洒入除尘器前烟道，在烟道里二次加热蒸发，随烟气进入除尘器，结晶体和污染物与飞灰一起由除尘器捕集，最终与飞灰一起处置。该浓缩烟道蒸发技术流程图，见图1。

图1 浓缩烟道蒸发技术流程图Fig.1 Flow chart of the technology in concentration and flue evaporation

嘉兴新嘉爱斯热电有限公司2#锅炉为220 t/h额定蒸发量，配套一炉一塔湿法脱硫工艺，常规的脱硫废水产生量约为1.0 t/h，考虑到脱硫废水间歇外排和操作人员运行排班情况，脱硫废水处理量按3.5 t/h设计。该脱硫废水零排放工程项目新上一台旁路增压风机及蒸发塔，废水经蒸发浓缩后，脱硫废水量降低至0.5～0.7 t/h，含固量为5%～10%。浓缩废水经喷射系统喷洒于除尘器前部烟道，后随热烟气蒸发，污染物随除尘器捕集混合灰收集外运，工艺简便、无二次污染源产生。嘉兴新嘉爱斯热电有限公司脱硫废水零排放工程项目主要设计参数见表2。

表2 嘉兴新嘉爱斯热电有限公司脱硫废水零排放工程项目主要设计参数

2. 1 低尘蒸发浓缩优化

经过预处理的脱硫废水是低浓度的废水，为了减轻对除尘器的影响，本项目设置了浓缩系统，以提高废水的浓度。由于将低尘热烟气作为蒸发热源，蒸发系统内部的含尘量较少，系统较洁净，不易引起设备结垢、管道堵塞等故障。水蒸气和浓缩废水分两路回除尘脱硫系统，对烟道、除尘器等设备起到了一定的保护作用，不会有大量的高湿烟气混入除尘器前的高粉尘烟道，造成烟道和除尘器内部粉尘结团黏壁；有限的浓缩废水量喷洒不会造成大幅度的温降和湿度的增加，确保了设备的正常运行及可靠的防腐性能。

新建一座蒸发塔，塔内设置两层喷淋层，塔底部浆池内设置搅拌器，脱硫废水通过大流量循环泵不断循环浓缩。在蒸发塔内利用135℃的低尘热烟气与废水进行换热浓缩，水分在高温烟气作用下蒸发，最终进入湿法脱硫塔。随着水分的蒸发，废水的浓度不断升高，废水量大大降低，废水量可以浓缩至原来的1/10。经水质分析，蒸发浓缩前后废水水质的对比表明(见表3)：除了氨氮以外，蒸发浓缩后废水中各种物质的含量均有所提高，而氨氮主要是由于热烟气的吹脱作用部分进入了气相，导致其浓度有所下降。

表3 蒸发浓缩前后脱硫废水水质对比

2. 2 喷射系统优化

烟道蒸发工艺是一种基于喷雾干燥技术的工艺，基本原理是将溶液雾化喷入高温烟道内，废水以雾滴状与高温气体接触，液滴在高温烟气的作用下在烟道内蒸发结晶，废水中的杂质及可溶盐晶体进入干式除尘系统随粉煤灰一起被捕集，一同被收集存储及外排，系统废水经消耗殆尽从而达到脱硫废水零排放的目的。

为了更精确的设备选型和喷枪布置，采用了CFD流场模拟。流场模拟采用标准k-ε模型模拟烟道内的湍流流动[19]，该模型通过对湍流动能k和湍流动能耗散率ε进行半经验的模化来封闭湍流状态下的流动控制方程[20]。

对于脱硫废水的流动，采用离散相模型，即在拉格朗日坐标系下处理液滴相，在欧拉坐标系下处理气相。假设粒子的运动按照随机轨迹模型与气相耦合，粒子在运动过程中与四周进行着动量、热量和物质交换，发生水分蒸发、挥发分析出[21-22]。

对于气相的非预混反应，采用漩涡/动力学模型进行模拟。该模型可以很好地模拟湍流与化学反应的相互作用，在计算化学反应速率时，同时计算湍流耗散速率和阿累尼乌斯速率，继而取其中的较小者。

经CFD流场模拟，可得到不同粒径雾滴和废水喷射速度对考察面温度分布的影响，见图2和图3。

图2 不同粒径雾滴对考察面温度分布的影响Fig.2 Influence diagram of different particle size droplets on the temperature distribution of sinspection urface

由图2可见，雾滴粒径越小，温度分布越均匀，雾滴粒径为50 μm温度分布的均匀性优于雾滴粒径为75 μm的，说明粒径越小雾滴在高温烟道里越容易蒸发，气液两相混合时间越短，温度分布的均匀性越好。

图3 不同废水喷射速度对考察面温度分布的影响Fig.3 Influence diagram of different jet velocity of wastewater on the temperature distribution of inspection surface

由图3可见，喷射速度越快，对附近的影响区域越大，能快速扰动混合，温度均匀性好。

根据流场模拟的结果，喷枪选取双流体喷枪，在压缩空气为0.3～0.4 MPa的作用下，废水的液滴雾化直径可以小于50 μm，喷枪出口处废水喷射速度为21.8 m/s，其有效距离的废水喷射速度为9.4 m/s。在电袋除尘器入口垂直烟道的喷射截面上设置了4组双流体喷枪喷洒浓缩废水，每套喷枪流量为900 L/h，废水与烟气顺流喷射，在烟道里停留时间约为2 s，能使废水完全蒸发。喷枪平面和立面布置图见图4和图5。

图4 喷枪平面布置图(单位：mm)Fig.4 Layout plan of spray gun (unit:mm)

2. 3 设置自清洗过滤系统

为减少系统的堵塞，在管路上设置了自清洗过滤系统。自清洗过滤系统的主体设备为自清洗过滤装置，通过高精度过滤材料对脱硫废水进行固液分离，使废水中粒径>100 μm的颗粒被截留分离出来，出水的含固率降低至1 %以下。自清洗过滤系统采用DCS逻辑自动控制，可定时或定压进行自动反冲洗，并以定压为优先原则，确保系统压力小于0.05 MPa，反冲洗排液进入脱硫系统的脱水系统。自清洗过滤器内部过流部件材质为PP，滤芯材质为PE，系统反冲洗间隔时间可视水质情况进行调整。自清洗过滤系统P&ID流程图，见图6。

图5 喷枪立面布置图(单位：mm)Fig.5 Vertical layout of spray gun (unit:mm)

图6 自清洗过滤系统P&ID流程图Fig.6 Flow chart of self-cleaning filtration system P&ID

3 运行影响分析

3. 1 对除尘器的影响

在除尘器前喷洒浓缩废水，提高了烟气湿度，会提高电场的击穿电压，有利于提高电介质强度，降低粉尘比电阻，减小气体黏度，并有利于提高电袋除尘器的除尘效率；若采用的是布袋除尘器，由于是采用浓缩废水而非原水喷洒，蒸发塔内大部分的水汽蒸发并随烟气被带至脱硫塔前烟道，大大降低了喷洒量，运行时浓缩废水喷洒后布袋除尘器入口烟气温度仅降低3～5 ℃，湿度增加0.25%，对布袋除尘器的除尘效率几乎没有影响，更不会引起糊袋。

3. 2 对脱硫水耗的影响

蒸发塔出口的低温高湿烟气将废水中的大量水分带至脱硫塔前与原烟气混合后进入脱硫塔，在脱硫塔内经喷淋、冷却作用后重新生成水进入浆液循环系统，可降低脱硫工艺耗水量。脱硫塔入口烟气温度下降5～10 ℃，烟气湿度增加1%，使水气充分再利用，降低了脱硫系统工艺耗水量。

3. 3 对灰流动性的影响

传统的烟道蒸发技术喷洒量全部集中在除尘器入口，大量高湿烟气进入除尘器系统会增加粉煤灰的湿度，使粉煤灰流动性变差，容易引起输送管路堵塞。但浓缩烟道蒸发技术将会大大降低这种风险，因为含湿烟气将大部分的水分带至脱硫塔前，避开了除尘器系统，降低了对灰湿度的影响，除尘器入口的烟气湿度仅增加了0.25%，对灰湿度的影响可以忽略不计。

3. 4 对粉煤灰品质的影响

本工程项目通过对照分析有、无投运废水的除尘器出灰品质来说明废水对灰分品质的影响。本工程项目废水投运的是2#锅炉，对比参照无废水投运的3#锅炉，可以看出：投运废水零排放系统后，灰分中氯化物、氨氮、氧化钙的含量提升相对较大，其中灰分中氯化物含量是投运前的7.53倍，氧化钙含量是投运前的1.66倍，氨氮含量也有大幅度的提高，见表4。

经计算，废水喷洒后固体总量约占粉煤灰总量的0.67 %，氯化物含量约占粉煤灰岩量的0.2 %。根据《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)标准的要求，水泥中Cl-质量分数不大于0.06 %。因此，脱硫废水经过浓缩蒸发后，粉煤灰用于制作水泥时，掺混比例不应高于30 %。根据灰分检测结果，未投运废水时灰分中氧化钙的质量分数为14.5%，投运废水后灰分中氧化钙的质量分数为24.1%，所以本锅炉投运炉内脱硫时Ca/S比值较大，导致粉煤灰中未反应的脱硫剂较多，本底基数较大，为14.5%。可见，投加的废水导致了灰分中氯化物、氨氮、氧化钙等物质的含量增多，但不影响灰分二次回收利用的品质要求。

3. 5 对设备的影响

独立的旁路蒸发浓缩系统，不会影响主机及现有烟气治理工艺流程。低尘热烟气是较纯净的烟气，绝大部分的杂质和粉尘已被去除，其进入蒸发塔后，蒸发塔、管道结垢堵塞的风险降低，浓缩废水的含固量为5%～10 %，且不断地循环流动，管道堵塞的几率小，此外蒸发塔底部浆液区设置了搅拌器、循环管，不断地扰动，以防止浆液、结晶沉积。废水零排放系统投运后，烟气温降小，除尘器入口温度仅降低3～5℃，烟气温度约130℃，高于酸露点15～20℃，几乎不对设备腐蚀产生影响。

3. 6 运行成本

本工程项目废水零排放系统处理量为3.5 t/h，系统无需额外热源，能耗低,其运行费用见表5。

由表5可知，每吨废水的处理费用仅为12.8 元，低于常规的烟道蒸发工艺。

4 结 论

将经过除尘器后的低尘热烟气浓缩脱硫废水再进行烟道蒸发的脱硫废水零排放工艺，使浓缩废水和湿烟气分道回除尘脱硫系统，减少了系统的故障率，优化了脱硫废水零排放工艺。

(1) 系统的喷射区布置均匀，喷射末端速度9.4 m/s及粒径为50 μm均有利于废水蒸发，废水停留时间达到了2 s以上。设置的自清洗过滤系统可实现自动控制，降低了管道堵塞风险，确保了系统的运行安全和可控性。

(2) 对除尘器入口烟气的温湿度产生影响，温降3～5℃，湿度增加0.25%；可提升电除尘器除尘效率，但对布袋除尘器的除尘效率、飞灰的流动性几乎没有影响；高湿低温(55℃过饱和湿烟气)的蒸发塔出口烟气进入脱硫塔前烟道与原烟气混合，降低温度5～10℃，提高入塔烟气的湿度(增加1%)，节约了脱硫系统的工艺耗水量，节省了物耗。

(3) 粉煤灰控制掺灰比例在30 %以下，不影响水泥的品质。浓缩烟道蒸发工艺废水处理的单价较低，为12.8 元/t，低于常规的烟道蒸发工艺，具有明显的竞争优势。