蒸发工艺在脱硫废水零排放中的应用
1、概述
目前国内火力发电厂烟气脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫方式的比较多。湿法脱硫需要定期一部分废水排出系统，以维持系统的平衡。这部分脱硫废水水质成分较复杂，具有高浊度、高腐蚀性和高含盐量及难处理的特点。湿法脱硫工艺中为维持系统稳定运行，避免氯浓度超标造成设备材料腐蚀及保证石膏品质，需要定期排放产生的废水。脱硫废水排放是以控制吸收塔内Cl-质量浓度在10-20g/L为宜。脱硫废水的水质和水量主要受石灰石品质、燃煤种类及工艺补水水质的影响。由于脱硫废水水质的特殊性，废水处理难度较大，给燃煤电厂实现废水“零排放”带来了巨大挑战。表1为某电厂脱硫废水水质主要指标的一些数据。
2、脱硫废水零排放技术路线
国内目前实施的脱硫废水零排放技术主要由三部分组成：废水预处理软化、水量浓缩、固化结晶处理。其中预处理软化通过投加化学药剂以去除水中的钙、镁硬度，降低后续系统的污堵和结垢。主要为石灰-碳酸钠、氢氧化钠-碳酸钠软化法。前者由于药剂成本低且能更好地去除SO42-，运用更普遍。水量浓缩的目的是减少废水量，降低后续蒸发固化系统的投资和运行成本，其主要分为热法浓缩和膜浓缩两种。热浓缩工艺主要还分多效蒸发（MED）和机械蒸汽再压缩（MVR）工艺。而膜浓缩包括反渗透、电渗析、正渗透等膜法减量技术。固化结晶处理是对软化浓缩后的废水进行蒸发，使废水中的水分汽化回收，盐分固化成结晶盐后外排处置，从而最终实现脱硫废水零排放。目前针对固化处理中的蒸发结晶和烟道蒸发两种工艺，业内人士对两者的看法还存在一些分歧。下文对两种工艺路线进行了对比。
2.1 蒸发结晶工艺
脱硫废水蒸发结晶工艺是热法结晶技术对预处理后的高盐废水中的可溶性盐进行最终固化处理的一种方式。主要为多效（MED）和机械蒸汽再压缩（MVR）两种形式。经预处理软化过的脱硫废水，一般进行浓缩减量后送入蒸发结晶单元。废水中盐分结晶后以混盐或工业纯盐的方式析出，蒸发出来的蒸馏水可厂内回用。为实现结晶盐资源化利用，蒸发单元前端可设置纳滤分盐工艺。利用纳滤膜对一价和二价盐的选择性截留作用，分离出废水中的氯化钠并最终结晶出工业级产品。
蒸发过程中的能耗：MED由于后一级加热器采用前一效蒸发产出的二次蒸汽作为热源，系统能耗主要是首效生蒸汽的消耗。而MVR工艺的热源是经压缩机升温增压后的二次蒸汽，系统除首次启动需消耗少量生蒸汽外，正常运行时无蒸汽消耗，因此能耗主要来自压缩机的电耗。针对MED及MVR的能耗，表1进行了对比。
2.2 烟道蒸发工艺
脱硫废水烟道蒸发技术是将脱硫废水经雾化器雾化后，借助烟气余热实现蒸发。蒸发产生的水蒸汽随烟气带走，结晶盐随粉煤灰一起被电除尘器捕捉去除。
基于脱硫废水水量和水质特点，为避免喷嘴污堵，同时受烟气余热蒸发可承受的负荷限制，在脱硫废水处理工艺前端往往需设置“预处理+浓缩系统”，从而确保喷入烟道的水量和水质符合喷入烟道条件。
烟道蒸发按其蒸发位置的不同，分为主烟道余热蒸发和高温旁路烟道蒸发。
2.2.1 主烟道余热蒸发。
主烟道蒸发主要是利用气液两相流喷嘴对预处理后的废水进行雾化，并将其喷洒在空气预热器与除尘器之间的烟道内。在高温烟气的作用下，烟道内的废水在喷入的瞬间被快速蒸发，蒸发后溶解性盐分固化到灰分中。该技术在国外的研究较早，也有一些电厂的应用案例。相比而言，目前国内对该技术的研究仍处于探索期，缺乏对工艺运行条件及各因素间相互作用的深入研究。在国内的一些案例中，存在结晶盐堆积在烟道底部，堵塞烟道的问题。
烟道蒸发要求精确控制烟温高于对应条件下的酸露点，否则易造成除尘器电极板的腐蚀。同时为保证水分彻底蒸发，不会发生碰壁及触底现象，就需对雾化液滴与烟气之间的运动、传质、传热规律进行深入研究，但目前该领域研究还是基于软件模拟分析，实际经验仍不足。同时主烟道余热蒸发还受限于烟道结构。例如当雾化液滴为60μm时，液滴完全蒸发需要的时间不足1s。如按烟气流速15m/s算，完全蒸干液滴需要的有效烟道长度满足十几米的距离。而实际电厂由于低低温技术的普及，导致有效烟道长度减小，使主烟道蒸发工艺应用受限。
烟道蒸发后，固体盐被电除尘器捕集后进入灰分中。而电厂粉煤灰多与矿渣和石灰石等物质一起用于配制混凝土及水泥等，按粉煤灰20%-40%的配比所制得粉煤灰硅酸盐水泥中氯离子含量超过GB175-2007《通用硅酸盐水泥》中规定的氯离子质量分数小于0.06%的要求，影响水泥的使用。表2计算了某电厂按烟道蒸发工艺处理6t/h脱硫废水，并将所得粉煤灰以最低配比20%掺到硅酸盐水泥中。以此制得的粉煤灰硅酸盐水泥中氯离子含量达到0.0604%，超过了行业标准。且由于烟气中含有HCl，实际氯离子含量会更高。
2.2.2 旁路烟道蒸发。
为避免主烟道堵塞带来的机组安全运行问题，后期提出了旁路烟道喷洒技术。其原理是利用高效雾化喷嘴将预处理或经浓缩后的高浓度含盐废水在外置蒸发塔内雾化，抽取空预器前部分高温烟气（约350°C）于蒸发塔内蒸发废水。蒸发产生的水蒸气和结晶盐随烟气一起并入空预器与低低温省煤器之间烟道。结晶盐随粉煤灰一起被除尘器捕捉去除；水蒸气随烟气进入脱硫塔，在脱硫塔被冷凝后间接补充脱硫工艺用水，从而实现脱硫废水零排放。
由于该工艺是引空预器前端烟道内高温烟气蒸发脱硫废水，因此会影响原有锅炉厂设计的热平衡，降低锅炉效率，并造成煤耗升高。例如浙能长兴电厂300MW机组处理3t/h脱硫废水，消耗3%～5%的高温烟气，造成锅炉效率降低0.3%。以某电厂600MW机组为例，蒸发系统烟气消耗及系统如表3所示。系统蒸发6t/h的脱硫废水，需消耗机组3%左右的高温烟气，由此会降低空气预热器的负荷，造成机组运行煤耗增加。
3、结论
总的来说，蒸发结晶工艺能回收高品质蒸馏水，并获得可资源化利用的结晶盐，但其投资运行成本高。若要在湿法脱硫火电厂脱硫废水零排放项目中进行规模化推广，相关工程公司和科研院所需通过合理选择和优化蒸发结晶前端工艺，即预处理软化及水量浓缩工艺，来降低和优化脱硫废水零排放工艺的整体运行成本，以提高系统运行经济性。相比蒸发结晶，烟道蒸发工艺设备简单，运行投资费用低。但该工艺在国内目前还处在探索期，大规模工业运用之前仍需考虑并解决诸多问题，尤其是对锅炉热效率的影响和蒸发不彻底造成的设备腐蚀以及粉煤灰品质影响等等。（来源：上海泓济环保科技股份有限公司）