电厂脱硫废水零排放技术对比分析*

谢志文,冯永新,赵 宁,林廷坤,陈 拓

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 广州 510000；2.广东电科院能源技术有限责任公司,广东 广州 510000)

目前,大多数的燃煤电厂均采用石灰石-石膏湿法脱硫技术,该技术虽然具有脱硫效率高、系统运行稳定可靠等优点,但该技术产生了大量的脱硫废水[1]。脱硫废水一般呈现弱酸性,其中含有大量悬浮物、重金属离子及可溶性盐分等,其中Cl-的浓度可达10000-20000mg/L,已成为废水处理的难题[2]。

国务院在2015 年4 月发布了《水污染防治行动计划》,该行动计划中对于工业废水的处理部分提出了更为严格的要求。环保部在2017 年1 月发布了《火电厂污染防治技术政策》,该政策中明确规定了火电厂对于水污染的防治应遵循分类处理、一水多用的原则,并且鼓励火电厂实现废水的循环使用不外排。因此,探索更为有效的零排放技术势在必行。

1 脱硫废水水质特征

应用石灰石-石膏湿法脱硫技术时,为了确保脱硫塔内浆液循环系统的物料平衡,同时也为了确保脱硫效率及产出石膏的品质,必须定期的从脱硫装置中排出一部分废水,即脱硫废水。脱硫废水的水质特点如下[3]：(1)呈弱酸性,pH 值在4～6 之间；(2)悬浮物含量高,其中包含石膏颗粒物、SiO2、硫酸盐等；(3)重金属离子含量高,其中包含汞离子、铅离子、铬离子、砷、硒等；(4)易结垢性离子含量高,其中包含钙离子、镁离子、硅等；(5)腐蚀性离子含量高,其中含有硫酸根离子、氯离子等,氯离子含量在5000～20,000mg/L[4]；(6)水质波动较大,脱硫废水水质与电厂使用的煤种、脱硫工艺技术及运行方式等多种因素相关。因此,为了实现脱硫废水零排放的要求,需根据不同种类污染物的特征进行以下的分段处理：预处理、浓缩减量和蒸发固化。

2 脱硫废水预处理

为避免在处理过程中出现设备结垢的现象,需对脱硫废水中的Ca2+、Mg2+、SiO2等易结垢性离子进行处理。预处理的方法有石灰-碳酸钠法、氢氧化钠-碳酸钠法。相比较石灰-碳酸钠法,氢氧化钠-碳酸钠法需要药剂量较少,且对Ca2+、Mg2+去除率较高,但对于SO42+去除率较低[5]。此外,经湿法脱硫系统后的烟气可起到代替碳酸钠的作用,用于去除脱硫废水中的Ca2+[6],虽然该方法成本较低,但该技术不成熟,未见工程实例。

3 浓缩减量

为了进一步除去水中的溶解性固体,在预处理后对废水进行浓缩减量,主要的浓缩减量技术有膜浓缩、热法浓缩等技术。浓缩减量可有效回收水资源,同时降低了需要继续处理的废水量,降低了后续蒸发固化成本。

3.1 膜浓缩

现阶段,火电厂常用的脱硫废水浓缩减量技术主要是膜浓缩处理工艺。常见的膜浓缩技术有：反渗透(RO)、正渗透(FO)、电渗析(ED)和膜蒸馏(MD)等。

反渗透(RO)是渗透的逆过程,反渗透以压力差为驱动力,推动溶液中的溶质在半透膜的过滤作用下与溶剂分离,可去除水溶液中大于98%的溶解盐离子和大于99%的胶体、微生物等。反渗透过程具有净化效率高、运行稳定、能耗较低等优点[7]。目前该技术已广泛应用在工业废水处理、生活污水处理、海水淡化等领域。

正渗透技术以渗透压差为驱动力,推动溶液中的水通过选择性渗透膜自发的从高水化学势溶液流向低水化学势溶液。在脱硫废水处理过程中,水通过选择性渗透膜从脱硫废水部分流向吸取液部分。正渗透技术具有低能耗、高回收率、低污染、不易结垢等优点[8],但是,汲取液的选择与回收利用也成为该技术的难点。

3.2 热法浓缩技术

目前废水浓缩蒸发减量技术主要有多效强制循环蒸发系统(MED)、立管降(升)膜机械蒸汽压缩蒸发系统(立管MVC、MVR)、卧式喷淋机械蒸汽压缩蒸发系统(卧式MVC)等。蒸发系统通过加热废水,水分在高温下大量汽化,使其浓缩减量、结晶析出,蒸发后经冷凝的水回收利用。在脱硫废水处理方面,热法浓缩具有以下2 点显著优势[9]：(1)热法浓缩对于进水水质要求低。一方面,这意味着热法浓缩可以较好的适应脱硫废水水质变化大,成分复杂的特点,有利于系统的稳定运行；另一方面,较好的水质适应性使得浓缩模块的前置预处理模块加药量减少。(2)可以实现淡水的高效回收利用。一方面,热法浓缩工艺可以最高回收90%的淡水；另外,热法浓缩的淡水水质明显高于膜法,回收的淡水可以直接送至化水车间超滤水箱加以利用。

3.3 低温烟气旁路蒸发浓缩技术

除了上述常用浓缩技术外,还有采用在除尘器与脱硫塔之间引入旁路烟气对脱硫废水进行蒸发浓缩,烟气与废水在浓缩塔内直接接触换热,浓浆液通过压滤机进行固液分离[10]。国电成都金堂电厂2×600MW 燃煤机组采用该技术进行中试,其拥有两套脱硫系统,废水最大排量为12m3/h,烟气余热蒸发装置按单台机组半负荷排放量设计,设计处理废水量为1.5t/h,烟气用量约为4.5 万Nm3/h,浓缩塔直径为2.5m,高度约16m。江苏泰州电厂2 号机(1000MW)也采用了该浓缩技术方案。该浓缩技术利用低温烟气余热浓缩脱硫废水,不需要消耗其他热源,但需在脱硫塔附近专门构建一座浓缩塔,投资费用较高,且大量水分蒸发进入烟气,有可能影响后续湿法脱硫系统水平衡。目前该浓缩方案应用案列较少。

4 末端高盐废水固化处理

脱硫废水末端固化常用的方法有蒸发结晶、烟道(主烟道、旁路烟道)蒸发技术等,脱硫废水中的液态水经高温蒸发汽化成水蒸气,随烟气回到湿法脱硫系统中作为脱硫补水,废水中的盐分杂质高温固化成结晶盐,经灰斗排出后进行分类利用,从而达到脱硫废水零排放的目的。

4.1 蒸发结晶

蒸发结晶工艺利用膜法或者热法对废水进行处理产生净水和浓水,浓水利用结晶器进一步处理产生蒸馏水和盐,目前成熟应用的蒸发结晶技术主要有多效蒸发(MED)、蒸汽机械再压缩(MVR)、热力蒸汽压缩(TVR)、低温常压蒸发(NED)。MED 和MVR 在国内电力行业均有应用实例,NED 在国内电力行业无应用实例,但在石化行业有应用实例。国内废水零排放运行较好的火力发电厂如广东河源电厂采用了MED 技术,三水电厂采用了MVR 技术。

此工艺路线有实际应用案例,蒸发结晶系统在化工食品药品行业应用广泛,工艺路线较成熟。但是能耗较高,而且为了保证蒸发结晶系统不结垢,需对废水进行深度去除硬度处理,药品消耗较多,因此该工艺须结合其它的浓缩工艺设置处理方案。

4.2 烟道蒸发法

烟道蒸发法可分为主烟道蒸发法和旁路烟气蒸发法,旁路烟气蒸发又根据不同的工艺路线分为旁路烟道蒸发法和旋转雾化塔蒸发法等。

4.2.1 主烟道蒸发法

主烟道蒸发的基本原理是将脱硫废水与压缩空气经双流体喷嘴雾化后,喷入空气预热器和除尘器之间的主烟道,利用空气预热器后的热烟气将脱硫废水完全蒸发,废水中的盐类及杂质转化成固体结晶物随烟气在除尘器中被补集,蒸发后的水蒸气随烟气进入脱硫系统冷凝后作为脱硫补水,从而实现脱硫废水的零排放[11]。

主烟道蒸发法在电厂原有系统上无需加设大型设备,相比于蒸发结晶技术,投资成本较低,且占地面积较小；同时,该技术利用空气预热后的低温热烟气作为脱硫废水的蒸汽源,不会影响机组煤耗。但该技术在实际应用中也存在着很大问题,因脱硫废水呈弱酸性且其中含有大量氯离子,蒸发效果不佳时会引起下游烟道积灰、堵塞和腐蚀等问题,甚至还会影响后续除尘器等设备的运行稳定性；同时,喷嘴也易发生结垢现象；该技术对于预处理要求较高,增设相应设备也会增加工艺流程的复杂性；另外,大部分机组在空气预热器和电除尘之间增设了低低温省煤器(MGGH),导致安装空间受限。

目前,内蒙古华能上都发电厂4 号机组(600MW)采用此技术实施脱硫废水零排放工程,据实际应用报道,未对后续除尘器及脱硫系统带来不利影响。

4.2.2 旁路烟道蒸发法

旁路烟道蒸发法的基本原理是将脱硫废水与压缩空气经双流体喷嘴雾化后,喷入到与空气预热器并联的旁路烟道中,利用抽取自空气预热器之前的热烟气将脱硫废水完全蒸发,废水中的盐类及杂质转化成固体结晶物随烟气经过旁路烟道后在除尘器中被捕集,蒸发后的水蒸气随烟气进入脱硫系统冷凝后作为脱硫补水,从而实现脱硫废水的零排放。旁路烟道蒸发法取用空气预热器前的高温热烟气作为脱硫废水的蒸汽源,可以确保废水快速高效蒸干[12],但该技术取用了空气预热器前的高温热烟气,会影响锅炉热效率,增加煤耗；同时,该技术依然存在着喷嘴结垢的风险,也会造成旁路烟道的积灰,因此需要对喷嘴进行定期的清洗和更换；且需要对脱硫废水进行预处理和浓缩,增设相应设备也会增加工艺流程的复杂性。

目前,山西省大唐阳城电厂已完成旁路烟道蒸发工艺的中试试验,电厂装机容量为一台350MW,处理水量为2t/h,采用技术路线为“双碱软化+双膜法浓缩+高温旁路烟道蒸发”,系统脱盐率可达97%,淡水回收率可达60%。

4.2.3 旋转喷雾蒸发

旋转喷雾蒸发的基本原理是将脱硫废水经旋转雾化器雾化后,喷入到旁路干燥塔中,利用抽取自空气预热器之前的热烟气将脱硫废水完全蒸发,废水中的盐类及杂质转化成固体结晶物后,一部分随烟气经干燥塔出口烟道后在除尘器中被捕集,另一部分落入干燥塔底的灰斗中,蒸发后的水蒸气随烟气进入脱硫系统冷凝后作为脱硫补水,从而实现脱硫废水的零排放。旋转喷雾蒸发的关键就是旋转雾化器,旋转雾化器可将废水溶液雾化成平均直径为10μm-120μm 的小雾滴,高温热烟气经过气体分布器后与小液滴充分混合,使水分被迅速蒸发。通过调节烟气流量、脱硫废水流速、雾化器转速等,使脱硫废水雾滴在到达干燥塔壁面之前已被完全蒸干,防止粘壁现象的发生。旋转喷雾蒸发工艺流程较为简单,投资及运行费用相对较低；该技术对废水适应性较强且无需对废水进行预处理；另外,旋转喷雾干燥塔独立于主系统外,对主系统影响较小且方便维修。但该技术在工程上依然存在着一系列的问题,如何降低煤耗、电耗以及对干燥塔内部的流场优化和废水蒸发特性方面依然需要进一步探究。

目前,山西临汾热电有限公司1 号锅炉采用旋转喷雾蒸发技术,机组满负荷的工况下,抽取3-5%的高温烟气量,处理脱硫废水的能力为5t/h。机组运行半年后,喷雾干燥塔内部仅有少量干燥及松散的积灰,未发生腐蚀与结垢的现象,运行状态良好。

5 结论与展望

脱硫废水零排放技术的核心在于末端废水零排放技术,根据脱硫废水水量及水质的不同,选择适宜的软化预处理和浓缩减量技术,可减轻末端高盐废水处理负荷。软化预处理技术中,石灰石-碳酸钠法和氢氧化钠-碳酸钠法已较为成熟,但烟气代替碳酸钠法因其极低的运行成本而极具发展前景；在膜浓缩法中,反渗透技术是目前较为成熟的技术,但膜蒸馏法具有接近100%的脱盐率,极具发展前景；在末端高盐废水处理中,蒸发结晶法虽有可回收水资源和结晶盐的优势,但该技术所需占地面积较大且投资运行费用较高；烟道蒸发法中,旋转喷雾蒸发因其效率高、水质适应性高、无需预处理且对主系统几乎无影响的优势,极具发展前景。

目前,我国脱硫废水零排放工程依然处于探索阶段,很多技术因其独有的优势需要对其进行更深一步的研究。因此,如何将各技术的优势最大化以及根据不同的脱硫废水排放情况进行工艺组合,实现高效经济的废水零排放及结晶盐的综合利用,将是脱硫废水零排放需要关注的问题。