脱硫废水处理旋转雾化蒸发技术
为降低SO2排放，中国绝大多数火电机组都进行了超低排放改造，其中约有90%以上的机组采用了石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺。该工艺在高效脱除烟气SO2的同时，也会向外排出脱硫废水，该废水具有高盐、高悬浮物、高氯和高硬度等特点，是火电厂最难处理的废水。2017年原环保部连续发布了《火电厂污染防治技术政策》和《火电厂污染防治可行技术指南》，鼓励采用蒸发干燥或蒸发结晶等工艺处理脱硫废水，实现废水零排放。
旋转雾化蒸发技术是一种对脱硫废水实现蒸发干燥的技术，该技术设置与空预器并联的蒸发塔，通过高速旋转的方式将废水雾化为数十微米的雾滴，并抽取空预器之前的部分高温烟气（300~400℃），雾滴和烟气进入蒸发塔后快速完成传热传质，实现脱硫废水的零排放。近年来，不少学者通过流场模拟和实验的方法研究了废水的雾化和蒸发特性，考察了蒸发产物的特征和迁移转化规律，分析了废水蒸发对除尘、脱硫等系统的影响，这些研究为脱硫废水旋转雾化蒸发技术的完善和推广奠定了理论基础。浙能长兴电厂、山西临汾热电和华电扬州电厂等火电厂也先后开展了相应的工程示范，成功实现了脱硫废水零排放。通过这些技术研究和工程实践，旋转雾化蒸发技术逐步得到了业内的高度认可，目前已成为实现脱硫废水零排放的主流技术之一。然而，关于该技术对废水水质和烟气参数的适应性却少有报道，尚有待进一步研究。
本文开展不同水质指标和烟气参数下的废水蒸发实验，主要考察旋转雾化蒸发技术对废水盐含量、pH值、悬浮物含量、烟气温度和粉尘浓度等参数的适应性，并分析能够优化蒸发效果的方法。
1、装置与方法
1.1 实验装置
脱硫废水旋转雾化蒸发系统如图1所示，主要包括全自动燃煤锅炉、空气电加热器、缓冲罐、喷雾干燥塔（即雾化蒸发塔）、烟道和废水输送装置等。通过全自动燃煤锅炉、空压机和空气电加热器，可调节烟气温度和烟气量。通过气溶胶发生器、钢瓶气等装置可向烟气添加适量粉尘颗粒及SO2等，产生与电厂烟气物性相近的模拟烟气。喷雾干燥塔塔径和塔高分别为1.6 m和6.0 m，其顶部布置有旋转雾化器以及蜗壳式烟气分布器，在干燥塔出口烟道和底部出口设有灰分采样孔。废水干燥的工艺流程为：全自动燃煤锅炉产生的热烟气与经空气电加热器加热的空气在缓冲罐中混合，经SCR反应器之后进入干燥塔顶部的烟气分布器，脱硫废水经水泵输送至干燥塔顶部的旋转雾化器并被雾化为细雾滴，雾滴与烟气分布器出口的热烟气接触进行传热蒸发，蒸发析出的盐分与热烟气中的粉尘混合在一起（下文统称为灰分），部分颗粒由塔底灰斗排出，其余颗粒随塔出口烟气排出。系统的热烟气量可在300~900 m3/h（标准状态，下同）之间调节，烟气温度可在280~380 ℃之间调节，废水处理量可在30~120 L/h之间调节。
1.2 测试方法
实验过程中主要测试干燥塔底与塔出口固体颗粒（灰分）的含水率。塔出口烟气中固体颗粒依据GB/T 16157―1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》，采用WJ60B型皮托管平行全自动烟尘采样器，在等速采样条件下由加装于采样枪中的玻璃纤维滤筒采集。塔底固体颗粒在一组实验结束后打开塔底灰斗阀门用塑封袋收集并保存。样品的采集均在系统运行稳定之后进行，采集后取部分灰样称重，用烘箱在120 ℃下烘干30~60 min，再次称重计算其含水率。
烟气中HCl含量参照HJ 549―2016《环境空气和废气氯化氢的测定离子色谱法》，采用 NaOH溶液采集样品，然后采用离子色谱仪（ICS-2100）测试吸收液中Cl−。
2、结果与讨论
2.1 技术的适应性
2.1.1 废水含盐量
以某电厂脱硫废水为基础，通过向其中添加MgCl2和Na2SO4，将废水含盐量（TDS）调整为30000~200000 mg/L。控制烟气温度为345 ℃、气液比为12000 m3/ m3（即每1 m³废水对应的标准状态下的烟气体积），将上述调制的废水分别喷入蒸发塔，研究废水含盐量对蒸发产物含水率的影响，结果如图2所示。
在工程应用中，当灰分含水率低于2%时，灰分呈干粉状，粘性低，不易板结，流动性好，可通过气力输灰系统输送至灰库，最终与粉煤灰一起回收利用，从而实现废水零排放。从图2可以看出，当废水含盐量从30000 mg/L增加到200000mg/L，蒸发产物（灰分）含水率均未超过2%，可满足废水零排放的技术要求，这表明旋转雾化蒸发技术对废水含盐量有很强的适应性，不仅适用于常规的脱硫废水（含盐量一般为10 000~60 000mg/L），也适用于浓缩后的废水（含盐量一般不超过200000 mg/L）。需要注意的是，脱硫废水中往往含有较高浓度的氯离子（一般为20000mg/L以下），具有一定的腐蚀性。因此，废水输送管道须采用耐腐蚀管道（如钢橡复合管等），旋转雾化器与废水接触的部分也须采用耐腐蚀的哈氏合金或钛合金等材料制作，可有效防止废水对管道及设备的腐蚀。
从图2还可以看出，蒸发塔出口灰分和塔底灰分的含水率均随着废水含盐量升高而升高，废水含盐量对水分蒸发存在不利影响。这是由于含可溶性盐的废水蒸发可大致分为等速蒸发和降速蒸发两个阶段。等速蒸发是水分在液滴表面的蒸发，在蒸发过程中液滴逐渐变小，内部逐渐形成颗粒，最终颗粒表面形成一层硬壳，颗粒内部水分到达表面的扩散过程受限，变得难以蒸发；降速蒸发是颗粒内部水分通过扩散作用到达表面，发生缓慢蒸发的过程。含盐量高的废水会在蒸发过程中形成更多的硬壳，增大水分扩散和蒸发阻力，导致废水蒸发产物含水率升高。而且，在一定的雾化器转速下，随着废水含盐量的升高，旋转雾化器出口雾滴的平均粒径会有所增大，这也是废水含盐量对水分蒸发存在不利影响的原因。此外，蒸发塔底部灰分的含水率均低于出口灰分，这是由于塔底部采用的是非连续性排灰，进入塔底部灰斗的蒸发产物在其中仍将停留一段时间（实验中取决于每次实验的时间，工程中取决于仓泵输灰间隔），而灰斗的温度约为140~170 ℃，在该温度下固体颗粒中的水分仍会继续蒸发。
2.1.2 废水悬浮物含量
以某电厂脱硫废水沉淀后的上清液为对照，同时也向该废水原水添加粉煤灰和石膏颗粒，配制成悬浮物（SS）含量分别为3%、6%、10%的脱硫废水。控制烟气温度为345 ℃、气液比为12000m3/ m3，将上述废水分别喷入蒸发塔，研究废水悬浮物含量对蒸发产物含水率的影响，结果如图3所示。
从图3可以看出，当悬浮物含量为0~10%时，塔底灰分含水率均低于2%，只有悬浮物含量达到10%时，塔出口灰分含水率才超过2%，旋转雾化蒸发技术对废水悬浮物含量有很强的适应性。由于脱硫废水悬浮物含量一般只有1%~6%，旋转雾化蒸发技术可适用于大多数实际废水零排放。值得一提的是，当废水中含有较大颗粒物时，可能会引起雾化器喷嘴的堵塞。因此，在工程应用中，一方面可设置滤网将大颗粒物从废水中滤除，或设置沉淀池将其沉降分离；另一方面，可定期将清洗水输送入雾化器，对喷嘴等进行清洗，能有效防止雾化器喷嘴发生堵塞。
从图3还可以看出，蒸发塔出口灰分和塔底灰分的含水率均随着废水悬浮物含量升高而升高，废水悬浮物含量对水分蒸发存在不利影响。有研究表明，废水悬浮物含量越高，旋转雾化器产生的液滴粒径越大，这可能是其不利于水分蒸发的原因之一。此外，悬浮物含量的升高也会导致液滴在降速蒸发过程中形成更多颗粒，阻碍颗粒内部水分向表面扩散的过程，最终减缓水分的蒸发速率。
2.1.3 废水pH值
以某电厂脱硫废水为基础，将其pH值调至弱酸性（pH=3）、中性（pH=7）和弱碱性（pH=10）。控制干燥塔入口烟气温度为340 ℃、气液比为12000 m3/m3，将上述废水分别喷入蒸发塔，研究废水pH值对蒸发产物含水率及气态Cl释放率的影响，结果如图4所示。
从图4可以看出，当废水pH值为3、7和10时，塔底灰分和塔出口灰分含水率均未超过2%，并且无显著变化，表明旋转雾化蒸发技术对废水pH值有很强的适应性。这是由于废水pH值的变化会引起其中H+和OH−含量的改变，但不会影响废水蒸发需要的热量和干燥过程。
值得一提的是，由于废水中Cl含量很高（一般为10000~20000 mg/L），在蒸发过程中，废水中的Cl会以气态HCl的形式进入烟气，最终回到脱硫塔和脱硫废水，形成Cl在废水和烟气中的内循环，这对烟气脱硫系统是不利的。从图4可以看出，随着pH值的升高，Cl的气态释放率由15%左右降低至5%左右，pH值对HCl的释放有着显著影响。因此，在实际工程中，建议将废水pH值调整至弱碱性后进行蒸发，可避免过多的Cl进入废水和烟气之间的内循环，降低烟气脱硫系统的能耗和成本。
2.1.4 烟气温度
控制蒸发气液比为12000 m3/m3，分别将蒸发塔塔入口烟气温度调整为280 ℃、300 ℃、320 ℃、340 ℃和360 ℃。将某电厂脱硫废水喷入蒸发塔，研究烟气温度对蒸发产物含水率的影响，结果如图5所示。
从图5可以看出，随着烟气温度的升高，塔出口灰分和塔底灰分的含水率均显著降低，烟气温度的升高有利于废水的蒸发，与文献的研究成果相符。当烟气与液滴之间的温差越大时，扩散泳力和热泳力作用越强，传质传热作用越强，废水液滴的蒸发速率越快，蒸发效果会越好。当气液比为12000 m3/m3时，300 ℃及以上的烟气均可确保废水的蒸发效果（蒸发产物含水率<2%），300 ℃以下的烟气则不能使废水蒸发完全。
2.1.5 烟气粉尘浓度
采用气溶胶发生器及螺旋加料器在热烟气中添加燃煤飞灰，配制粉尘质量浓度分别约为0、10、20、30 g/m3的含尘烟气。控制入口烟气温度为345 ℃、气液比为12000 m3/m3。将脱硫废水喷入蒸发塔，研究烟气粉尘浓度对蒸发产物含水率的影响，结果如图6所示。
从图6可以看出，当烟气粉尘质量浓度为0~30 g/m3时，塔出口灰分和塔底灰分含水率均低于2%，表明旋转雾化蒸发技术对烟气粉尘含量有很强的适应性。当粉尘质量浓度为0~20 g/m3时，蒸发产物的含水率变化不大，而当粉尘质量浓度超过20 g/m3后，蒸发产物的含水率随之显著增大。这可能是由于更多的烟气粉尘与废水蒸发产生的湿颗粒形成混合颗粒，减小了颗粒与热烟气的换热面积，降低了其蒸发速率。
2.2 蒸发优化
尽管脱硫废水旋转雾化蒸发技术对废水水质和烟气参数有着很强的适应性，但随着废水含盐量、悬浮物含量以及烟气粉尘浓度等的升高，废水蒸发效果会逐渐减弱。在一些较为极端的情况下（如前述几项参数均较高或烟气温度过低等情况），可能会导致水分蒸发不完全的现象发生（灰分含水率>2%）。为进一步优化废水蒸发效果，进一步研究了气液比和旋转雾化器转速等因素对废水蒸发的影响。
2.2.1 气液比
控制烟气温度为340 ℃，将气液比分别设置为8500 m3/m3、10000 m3/m3、12000 m3/m3和15000m3/m3。将脱硫废水喷入蒸发塔，研究气液比对蒸发产物含水率的影响，结果如图7所示。
从图7可以看出，塔出口灰分和塔底灰分的含水率均随气液比增大而显著降低，气液比的增大有利于废水的蒸发，与文献的研究结果相符。随着气液比的增大，虽然蒸发单位体积废水所需的热量不变，但更多的高温烟气可提供更为充足的热能，加快了水分蒸发速率。当烟气温度为340 ℃时，气液比≥10000 m3/m3可使废水完全蒸发，气液比<10000 m3/m3将无法确保废水蒸发效果。在实际工程中，可通过增大气液比提升废水的蒸发效果。
2.2.2 雾化器转速
控制蒸发塔入口烟气温度为340 ℃、气液比为12000 m3/m3，设置旋转雾化器转速分别为10800r/min、12600 r/min、15000 r/min和18000 r/min。将某电厂脱硫废水喷入蒸发塔，研究雾化器转速对蒸发产物含水率的影响，结果如图8所示。
从图8可以看出，随着雾化器转速增大，蒸发塔出口灰分含水率显著降低，塔底灰分含水率无显著变化。这是由于雾化器转速越快，废水液滴粒径越小，比表面积越大，有利于液滴与烟气之间的传热传质，提高了蒸发速率。在实际工程中，可以通过增大雾化器转速提升废水的蒸发效果。
综上所述，当蒸发产物含水率超过2%时，可通过增大气液比和雾化器转速进一步优化废水的蒸发效果。然而，过高的气液比会引起煤耗上升，过高的雾化器转速也会引起电耗上升。当蒸发产物含水率远小于2%时，可适当降低气液比和雾化器转速，从减少运行能耗的角度对系统进行优化。需要注意的是，废水的蒸发效果同时受到诸多因素的影响，如烟气参数、废水水质、气液比和雾化器转速等。在对气液比和雾化器转速进行调整时，应综合考虑其他影响因素。首先，可基于废水蒸发的能量守恒过程（即进入蒸发塔的焓等于离开蒸发塔的焓），计算理论上的气液比和雾化器转速。其次，在废水蒸发系统运行过程中，可定期对烟气参数、废水水质和系统运行参数进行监测，在理论计算所得气液比的基础上，对其取值做出进一步的优化，一方面确保废水蒸发效果，另一方面降低系统能耗。
3、结论
（1）脱硫废水旋转雾化蒸发技术对废水含盐量、悬浮物含量、烟气温度和烟气粉尘含量有很强的适应性。当废水含盐量高达200000 mg/L，悬浮物含量高达6%，烟气温度不低于300 ℃，或烟气粉尘质量浓度高达30 g/m3时，蒸发塔出口和底部灰分的含水率均低于2%，废水蒸发效果良好。
（2）废水pH值对水分蒸发效果无显著影响，但会影响到Cl−以气态HCl释放的比率。当废水pH值达到10时，可将HCl释放率控制在5%左右。在工程应用中，建议将废水pH值调整为碱性后再进行蒸发。
（3）废水蒸发效果同时受到烟气参数、废水水质、气液比和雾化器转速等多因素影响，在综合考虑其他因素的基础上，可通过调整气液比和雾化器转速的方式对废水蒸发进行优化。（来源：大唐环保科技研究院，大唐环境产业集团股份有限公司， 大唐电力设计研究院）