脫硫廢水是濕法煙氣脫硫吸收塔的排水, 其組成由燃煤、脫硫石灰石和脫硫系統(tǒng)工藝補(bǔ)水的組成共同決定。傳統(tǒng)脫硫廢水的處理以達(dá)標(biāo)排放為目的, 一般采用包括中和、沉淀、絮凝的三聯(lián)箱工藝, 目標(biāo)是除掉懸浮物、重金屬等主要污染物, 達(dá)到DL/T997-2006規(guī)定的出口控制水質(zhì)要求。

近年來(lái), 國(guó)家關(guān)于水污染控制的法規(guī)政策不斷趨嚴(yán)。2015年, 國(guó)務(wù)院頒布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》, 強(qiáng)調(diào)狠抓工業(yè)污染防治。2016年, 國(guó)務(wù)院發(fā)布《控制污染物排放許可證實(shí)施方案》, 要求率先對(duì)火電和造紙行業(yè)核發(fā)排污許可證。2017年, 環(huán)保部頒發(fā)《火電廠污染防治技術(shù)政策》, 鼓勵(lì)電廠實(shí)現(xiàn)脫硫廢水不外排。

隨著國(guó)家和地方環(huán)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(guī)性壓力, 特別是一些在環(huán)評(píng)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(lái)越多的關(guān)注, 處理工藝也在不斷演變。本文將在介紹和評(píng)述現(xiàn)有脫硫廢水零排放處理工藝的基礎(chǔ)上, 重點(diǎn)介紹和討論新型常溫結(jié)晶分鹽零排放脫硫廢水處理技術(shù)的工藝原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和中試結(jié)果, 為工業(yè)應(yīng)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(fā)工藝和蒸發(fā)結(jié)晶工藝。煙氣蒸發(fā)工藝是通過(guò)霧化噴嘴將脫硫廢水噴入煙道或者旁路煙道內(nèi), 霧化后被煙氣加熱蒸發(fā)成水汽, 溶解性鹽結(jié)晶析出后隨煙塵一起被除塵器捕集, 進(jìn)入粉煤灰。

蒸發(fā)結(jié)晶工藝則是采用傳統(tǒng)水處理工藝, 利用蒸汽、熱水或者煙氣等熱源, 蒸發(fā)脫硫廢水, 冷凝水回用, 廢水中的溶解鹽被蒸發(fā)結(jié)晶干燥后裝袋外運(yùn)進(jìn)行綜合利用或者處置, 避免產(chǎn)生二次污染。

一般認(rèn)為, 在不考慮對(duì)主系統(tǒng)影響的情況下, 煙氣蒸發(fā)工藝的投資和運(yùn)行成本較低, 而蒸發(fā)結(jié)晶工藝的投資和運(yùn)行成本更高。但隨著蒸發(fā)結(jié)晶工藝的不斷優(yōu)化, 二者之間的差距正在逐步縮小。

2 煙氣蒸發(fā)工藝

煙氣蒸發(fā)工藝分為煙道直噴工藝、旁路蒸發(fā)工藝以及衍生出來(lái)的煙氣濃縮與結(jié)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(jīng)過(guò)必要預(yù)處理后, 通過(guò)壓縮空氣加壓之后, 由霧化噴嘴直接噴入預(yù)熱器之后、除塵器之前的煙道內(nèi), 霧化液滴隨煙氣蒸發(fā)汽化, 結(jié)晶析出鹽塵, 一起進(jìn)入除塵器。此時(shí)煙氣溫度較低, 一般被認(rèn)為是余熱利用, 對(duì)鍋爐效率幾乎沒(méi)有影響, 投資和運(yùn)行成本較低。煙道直噴的風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自噴嘴堵塞、煙道腐蝕和結(jié)垢等。

2.2 旁路蒸發(fā)工藝

與煙道直噴工藝不同, 旁路蒸發(fā)工藝通過(guò)建造獨(dú)立的噴霧干燥塔來(lái)實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的霧化蒸發(fā)。圖2是典型的旁路蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝。

圖2 旁路蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝

脫硫廢水經(jīng)必要的預(yù)處理之后, 由噴嘴從上方噴入單獨(dú)設(shè)置的噴霧干燥塔, 形成霧化液滴, 與引自預(yù)熱器前的高溫?zé)煔庠诟稍锼?nèi)相遇, 霧化液滴汽化并結(jié)晶析出鹽塵, 一起從干燥塔出口進(jìn)入預(yù)熱器后、除塵器前的煙道內(nèi)。

由于設(shè)置了獨(dú)立的干燥塔, 脫硫廢水的霧化蒸發(fā)過(guò)程在干燥塔內(nèi)完成, 因此主煙道的腐蝕和結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)可以排除。但由于使用預(yù)熱器前高溫?zé)煔? 因此旁路蒸發(fā)對(duì)鍋爐的效率有一定的影響。與煙道直噴相比, 旁路蒸發(fā)的接受程度更高一些。

2.3 耦合煙氣蒸發(fā)工藝

耦合煙氣蒸發(fā)工藝旨在結(jié)合煙道直噴利用低溫?zé)煔庥酂岷团月氛舭l(fā)安全性較高的優(yōu)勢(shì), 利用低溫?zé)煔馀月氛舭l(fā)進(jìn)行脫硫廢水的濃縮, 利用高溫?zé)煔馀月氛舭l(fā)進(jìn)行濃縮液的結(jié)晶。圖3是典型的煙氣濃縮與結(jié)晶耦合脫硫廢水處理工藝。

圖3 煙氣濃縮與結(jié)晶藕合脫硫廢水處理工藝

該工藝由2個(gè)旁路煙氣蒸發(fā)工藝耦合而成, 并分別設(shè)置了獨(dú)立的濃縮塔和干燥塔。濃縮塔的熱源煙氣是低溫?zé)煔? 引自除塵器和脫硫引風(fēng)機(jī)之后。脫硫廢水首先進(jìn)入濃縮塔, 在低溫?zé)煔獾募訜嵯抡舭l(fā)濃縮, 汽化后隨煙氣送回主煙道一并進(jìn)入脫硫塔。濃縮塔底部的濃縮液則被進(jìn)一步送入干燥塔完成結(jié)晶固化。干燥塔的引送風(fēng)模式和運(yùn)行模式與2.2節(jié)介紹的旁路蒸發(fā)一致, 霧化結(jié)晶形成的鹽塵也被除塵器截留。

耦合煙氣蒸發(fā)工藝有效避免了主煙道的腐蝕與堵塞風(fēng)險(xiǎn), 對(duì)鍋爐效率的影響也更低。但使用了2個(gè)煙氣蒸發(fā)塔, 工藝比較復(fù)雜, 投資成本相對(duì)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(fā)對(duì)鍋爐效率的影響

脫硫廢水的含鹽量與海水相當(dāng), 汽化潛熱約為2.30 kJ/g, 因此從絕對(duì)能耗看, 每蒸發(fā)1 m3脫硫廢水約相當(dāng)于消耗100 kg標(biāo)煤, 以發(fā)電煤耗300 g/ (kW·h) 換算, 則約相當(dāng)于333 kWh的電量。

在煙氣蒸發(fā)工藝中, 以低溫?zé)煔庾鳛闊嵩吹闹眹娀蚺月饭に嚳梢哉J(rèn)為是余熱利用, 對(duì)鍋爐效率基本沒(méi)有影響。而以高溫?zé)煔庾鳛闊嵩吹呐月氛舭l(fā)對(duì)鍋爐效率會(huì)產(chǎn)生一定影響。以1臺(tái)1 GW機(jī)組為例, 假設(shè)脫硫廢水排量為10 m3/h, 從熱值看全水量高溫?zé)煔庹舭l(fā)約需要每小時(shí)消耗燃煤1 000 kg, 即煤耗損失為1 g/ (kW·h) 。如果再假設(shè)高溫?zé)煔鉃?00℃, 而100℃以下即為無(wú)法利用的廢熱, 則對(duì)煤耗的實(shí)際影響會(huì)稍低, 約為0.7 g/ (kW·h)。

煙氣蒸發(fā)工藝對(duì)鍋爐效率的實(shí)際影響需要根據(jù)具體工藝和水量來(lái)進(jìn)行具體估算。需要說(shuō)明的是, 煙氣蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝具有較高絕對(duì)能耗的原因在于該工藝無(wú)法回收冷凝潛熱。與之形成對(duì)照的是, 蒸發(fā)結(jié)晶工藝可以高效回收冷凝潛熱, 因此絕對(duì)能耗幾乎低1個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.5 煙氣蒸發(fā)對(duì)粉煤灰利用的影響

煙氣蒸發(fā)處理脫硫廢水過(guò)程中, 霧化結(jié)晶后的鹽塵進(jìn)入煙道并被除塵器捕捉, 從而進(jìn)入粉煤灰。脫硫廢水中含有大量的氯離子, 而氯離子可能對(duì)粉煤灰的利用產(chǎn)生潛在影響。仍然以1臺(tái)1 GW機(jī)組為例, 假設(shè)脫硫廢水排量為10 m3/h, 脫硫廢水中的氯離子的質(zhì)量濃度假設(shè)為10 g/L, 則氯離子的總量為100 kg/h。而以發(fā)電煤耗300 g/ (kW·h) 計(jì)算, 該機(jī)組的燃煤用量為300 t/h, 粉煤灰的產(chǎn)量按20%計(jì)算, 即60 t/h。因此, 如果脫硫廢水中的鹽全部進(jìn)入粉煤灰, 則粉煤灰中氯離子的含量?jī)粼黾蛹s0.17%。

雖然GB/T 1596-2017并沒(méi)有限定粉煤灰中氯離子的含量, 但國(guó)標(biāo)GB 50010-2010要求混凝土中氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.05%～0.30%[20,21]。如果煙氣蒸發(fā)脫硫廢水處理工藝被大量工業(yè)應(yīng)用, 在粉煤灰的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中限定氯離子含量將是大概率事件。

3 蒸發(fā)結(jié)晶工藝

蒸發(fā)結(jié)晶工藝采用傳統(tǒng)水處理的思路來(lái)處理脫硫廢水。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與發(fā)展, 蒸發(fā)結(jié)晶工藝的具體路線也經(jīng)歷了一些演變, 特別是軟化方法和膜濃縮的進(jìn)步, 有效降低了蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水處理工藝的投資和運(yùn)行成本。