近年來, 國家關于水污染控制的法規政策不斷趨嚴。2015年, 國務院頒布《水污染防治行動計劃》, 強調狠抓工業污染防治。2016年, 國務院發布《控制污染物排放許可證實施方案》, 要求率先對火電和造紙行業核發排污許可證。2017年, 環保部頒發《火電廠污染防治技術政策》, 鼓勵電廠實現脫硫廢水不外排。
隨著國家和地方環保政策的收緊, 許多電廠都在水污染控制方面感受到了合規性壓力, 特別是一些在環評中明確承諾廢水不外排的新建電廠。作為電廠最難處理和最主要的末端濃水, 脫硫廢水的零排放處理受到越來越多的關注, 處理工藝也在不斷演變。本文將在介紹和評述現有脫硫廢水零排放處理工藝的基礎上, 重點介紹和討論新型常溫結晶分鹽零排放脫硫廢水處理技術的工藝原理、技術優勢和中試結果, 為工業應用與推廣提供參考。
1 脫硫廢水零排放工藝概述
目前脫硫廢水零排放處理有2條基本路徑, 即煙氣蒸發工藝和蒸發結晶工藝。煙氣蒸發工藝是通過霧化噴嘴將脫硫廢水噴入煙道或者旁路煙道內, 霧化后被煙氣加熱蒸發成水汽, 溶解性鹽結晶析出后隨煙塵一起被除塵器捕集, 進入粉煤灰。
蒸發結晶工藝則是采用傳統水處理工藝, 利用蒸汽、熱水或者煙氣等熱源, 蒸發脫硫廢水, 冷凝水回用, 廢水中的溶解鹽被蒸發結晶干燥后裝袋外運進行綜合利用或者處置, 避免產生二次污染。
一般認為, 在不考慮對主系統影響的情況下, 煙氣蒸發工藝的投資和運行成本較低, 而蒸發結晶工藝的投資和運行成本更高。但隨著蒸發結晶工藝的不斷優化, 二者之間的差距正在逐步縮小。
2 煙氣蒸發工藝
煙氣蒸發工藝分為煙道直噴工藝、旁路蒸發工藝以及衍生出來的煙氣濃縮與結晶耦合工藝等。
2.1 煙道直噴工藝
煙道直噴工藝一般旨在利用除塵器之前的低溫段煙氣余熱, 圖1是典型的煙道直噴脫硫廢水處理工藝。
圖1 煙道直噴脫硫廢水處理工藝
脫硫廢水經過必要預處理后, 通過壓縮空氣加壓之后, 由霧化噴嘴直接噴入預熱器之后、除塵器之前的煙道內, 霧化液滴隨煙氣蒸發汽化, 結晶析出鹽塵, 一起進入除塵器。此時煙氣溫度較低, 一般被認為是余熱利用, 對鍋爐效率幾乎沒有影響, 投資和運行成本較低。煙道直噴的風險主要來自噴嘴堵塞、煙道腐蝕和結垢等。
2.2 旁路蒸發工藝
與煙道直噴工藝不同, 旁路蒸發工藝通過建造獨立的噴霧干燥塔來實現脫硫廢水的霧化蒸發。圖2是典型的旁路蒸發脫硫廢水處理工藝。
圖2 旁路蒸發脫硫廢水處理工藝
脫硫廢水經必要的預處理之后, 由噴嘴從上方噴入單獨設置的噴霧干燥塔, 形成霧化液滴, 與引自預熱器前的高溫煙氣在干燥塔內相遇, 霧化液滴汽化并結晶析出鹽塵, 一起從干燥塔出口進入預熱器后、除塵器前的煙道內。
由于設置了獨立的干燥塔, 脫硫廢水的霧化蒸發過程在干燥塔內完成, 因此主煙道的腐蝕和結垢風險可以排除。但由于使用預熱器前高溫煙氣, 因此旁路蒸發對鍋爐的效率有一定的影響。與煙道直噴相比, 旁路蒸發的接受程度更高一些。
2.3 耦合煙氣蒸發工藝
耦合煙氣蒸發工藝旨在結合煙道直噴利用低溫煙氣余熱和旁路蒸發安全性較高的優勢, 利用低溫煙氣旁路蒸發進行脫硫廢水的濃縮, 利用高溫煙氣旁路蒸發進行濃縮液的結晶。圖3是典型的煙氣濃縮與結晶耦合脫硫廢水處理工藝。
圖3 煙氣濃縮與結晶藕合脫硫廢水處理工藝
該工藝由2個旁路煙氣蒸發工藝耦合而成, 并分別設置了獨立的濃縮塔和干燥塔。濃縮塔的熱源煙氣是低溫煙氣, 引自除塵器和脫硫引風機之后。脫硫廢水首先進入濃縮塔, 在低溫煙氣的加熱下蒸發濃縮, 汽化后隨煙氣送回主煙道一并進入脫硫塔。濃縮塔底部的濃縮液則被進一步送入干燥塔完成結晶固化。干燥塔的引送風模式和運行模式與2.2節介紹的旁路蒸發一致, 霧化結晶形成的鹽塵也被除塵器截留。
耦合煙氣蒸發工藝有效避免了主煙道的腐蝕與堵塞風險, 對鍋爐效率的影響也更低。但使用了2個煙氣蒸發塔, 工藝比較復雜, 投資成本相對較高, 濃縮塔煙氣增壓所需要的額外能耗也不可忽視。
2.4 煙氣蒸發對鍋爐效率的影響
脫硫廢水的含鹽量與海水相當, 汽化潛熱約為2.30 kJ/g, 因此從絕對能耗看, 每蒸發1 m3脫硫廢水約相當于消耗100 kg標煤, 以發電煤耗300 g/ (kW·h) 換算, 則約相當于333 kWh的電量。
在煙氣蒸發工藝中, 以低溫煙氣作為熱源的直噴或旁路工藝可以認為是余熱利用, 對鍋爐效率基本沒有影響。而以高溫煙氣作為熱源的旁路蒸發對鍋爐效率會產生一定影響。以1臺1 GW機組為例, 假設脫硫廢水排量為10 m3/h, 從熱值看全水量高溫煙氣蒸發約需要每小時消耗燃煤1 000 kg, 即煤耗損失為1 g/ (kW·h) 。如果再假設高溫煙氣為300℃, 而100℃以下即為無法利用的廢熱, 則對煤耗的實際影響會稍低, 約為0.7 g/ (kW·h)。
煙氣蒸發工藝對鍋爐效率的實際影響需要根據具體工藝和水量來進行具體估算。需要說明的是, 煙氣蒸發脫硫廢水處理工藝具有較高絕對能耗的原因在于該工藝無法回收冷凝潛熱。與之形成對照的是, 蒸發結晶工藝可以高效回收冷凝潛熱, 因此絕對能耗幾乎低1個數量級。
2.5 煙氣蒸發對粉煤灰利用的影響
煙氣蒸發處理脫硫廢水過程中, 霧化結晶后的鹽塵進入煙道并被除塵器捕捉, 從而進入粉煤灰。脫硫廢水中含有大量的氯離子, 而氯離子可能對粉煤灰的利用產生潛在影響。仍然以1臺1 GW機組為例, 假設脫硫廢水排量為10 m3/h, 脫硫廢水中的氯離子的質量濃度假設為10 g/L, 則氯離子的總量為100 kg/h。而以發電煤耗300 g/ (kW·h) 計算, 該機組的燃煤用量為300 t/h, 粉煤灰的產量按20%計算, 即60 t/h。因此, 如果脫硫廢水中的鹽全部進入粉煤灰, 則粉煤灰中氯離子的含量凈增加約0.17%。
雖然GB/T 1596-2017并沒有限定粉煤灰中氯離子的含量, 但國標GB 50010-2010要求混凝土中氯離子的質量分數不高于0.05%～0.30%[20,21]。如果煙氣蒸發脫硫廢水處理工藝被大量工業應用, 在粉煤灰的相應標準中限定氯離子含量將是大概率事件。
3 蒸發結晶工藝
蒸發結晶工藝采用傳統水處理的思路來處理脫硫廢水。經過多年的實踐與發展, 蒸發結晶工藝的具體路線也經歷了一些演變, 特別是軟化方法和膜濃縮的進步, 有效降低了蒸發結晶脫硫廢水處理工藝的投資和運行成本。
