燃煤電廠末端廢水調(diào)質(zhì)與干化技術(shù)

1、燃煤電廠末端廢水特性及零排放工藝研究

1.1 末端廢水水質(zhì)特點及處理難點

燃煤電廠工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢水，主要包括經(jīng)常性廢水和非經(jīng)常性廢水。此外，燃煤電廠工業(yè)廢水零排放過程還涉及末端廢水。末端廢水是指燃煤電廠工業(yè)廢水經(jīng)過分類收集、處理及濃縮后，產(chǎn)生的不宜繼續(xù)利用的高含鹽廢水。脫硫廢水、高鹽再生廢水是常見的末端廢水。

濕法煙氣脫硫工藝過程中產(chǎn)生一定量的脫硫廢水。脫硫廢水與火電廠一般工業(yè)廢水相比，水質(zhì)差異較大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）廢水呈弱酸性；

（2）廢水中懸浮物含量高，且顆粒細(xì)小，主要成分為石膏、飛灰等；

（3）廢水中含有大量可溶性的氯化物、氟化物等，腐蝕性強；

（4）廢水中含有鉛、銅、鎘、鎳、汞、鋅、鈷等有害重金屬元素；

（5）從水質(zhì)指標(biāo)看，脫硫廢水中化學(xué)耗氧量（COD）也是超標(biāo)項目之一。

燃煤電廠化學(xué)補給水處理工藝中一般采用離子交換法深度除鹽。在離子交換床體再生過程中會產(chǎn)生大量的酸堿廢水。再生工藝各部分的再生廢水水質(zhì)不盡相同，目前的再生廢水是混合收集，因此水量較大，混合后的含鹽量仍較高，較難回用，其處理也是燃煤電廠水處理的難點。

1.2 末端廢水零排放處理工藝分析

實現(xiàn)末端廢水零排放的技術(shù)路線不外乎有兩種思路：

（1）從廢水中把各種雜質(zhì)提取出來，最終通過蒸發(fā)結(jié)晶，將離子態(tài)的溶解鹽結(jié)晶并達(dá)到固化處理的最終目的；

（2）充分利用灰渣的環(huán)境容量，把末端廢水來自于煤中的雜質(zhì)，轉(zhuǎn)移至灰渣中，實現(xiàn)污染物“從煤中來，到灰中去”。

比較而言，思路1需要運用軟化、納濾、常規(guī)和高壓反滲透膜技術(shù)等多種分離技術(shù)，工藝流程復(fù)雜，設(shè)備種類繁多，投資和運行維護(hù)成本高，可靠性存在諸多不確定性，并且需要消耗高品質(zhì)蒸汽或者電能，不宜推廣；思路2具有顯著優(yōu)點，值得深入研究。如何將廢水中污染物質(zhì)，與粉煤灰可控的、均勻的混合，是思路2要解決的關(guān)鍵問題。本文采用霧化干燥的方式來實現(xiàn)這一目的。

2、末端廢水霧化干燥技術(shù)研究

2.1 霧化方式的選擇

實現(xiàn)液滴和熱煙氣的有效混合，是霧化干燥的關(guān)鍵技術(shù)之一。霧化器是霧化干燥器的關(guān)鍵部件，其影響到產(chǎn)物的質(zhì)量和能量消耗。好的霧化器應(yīng)使霧滴直徑均勻，噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)能力大，能量消耗低，操作方便。常用的霧化器霧化方式有壓力式、氣流式和離心式。

壓力式霧化器通過用泵將料液加壓，并送入噴嘴，噴嘴內(nèi)有螺旋室，液體在其中高速旋轉(zhuǎn)并從出口小孔處呈霧狀噴出。壓力式霧化器結(jié)構(gòu)簡單、造價低、動力消耗低，但操作彈性小，且噴嘴容易腐蝕或磨損，進(jìn)而影響噴霧質(zhì)量。氣流式霧化器通過壓縮空氣在噴嘴處達(dá)到音速并形成很低的壓力，抽送料液由噴嘴成霧狀噴出，其操作彈性較大，但動力消耗較大，裝置的生產(chǎn)能力較小。離心式霧化器將料液送入高速旋轉(zhuǎn)的霧化盤中，在離心力作用下料液被拉伸撕裂并加速從周邊呈霧狀灑出。離心式霧化器操作簡單，對物料的適應(yīng)能力強，操作彈性大，產(chǎn)物粒徑均勻；缺點是對應(yīng)的干燥器直徑較大，霧化器加工難度大，制造價格高。

燃煤電廠末端廢水量大，且水質(zhì)水量波動范圍大，為確保末端廢水完全干燥，廢水需霧化至較小顆粒。比較而言，離心式霧化器最適合于末端廢水零排放處理。

2.2 煙氣分配方式

霧化器噴霧軌跡及煙氣導(dǎo)入形式是影響液滴和煙氣混合的主要因素，而煙氣導(dǎo)入形式與煙氣分配器有關(guān)。煙氣分配器應(yīng)能夠使煙氣均勻地與液滴接觸，防止氣流在塔內(nèi)形成渦流以避免或盡量減少粘壁現(xiàn)象，或迫使煙氣在塔內(nèi)按需要做直線或螺旋線狀流動。

按熱煙氣和霧滴的接觸方式，霧化干燥過程可分為并流干燥、逆流干燥和錯流干燥。其中，離心式霧化器最合適的干燥方式為并流干燥。并流干燥根據(jù)煙氣流入干燥塔內(nèi)的軌跡，煙氣分配器可分為直流型和螺旋型。直流型煙氣流動速度均勻，氣流速度低，不易發(fā)生粘壁現(xiàn)象，但為保證霧滴有足夠的干燥時間，要求干燥塔高度較大。而螺旋型煙氣呈螺旋線流動，干燥時間較長，可以有效利用干燥塔高度。通過調(diào)研比較，為減小干燥塔體積和高度，宜選擇煙氣從塔頂螺旋型煙氣分配器引入的方式。

2.3 含鹽霧滴干燥過程及影響因素分析

和純液滴蒸發(fā)不同，含鹽廢水蒸發(fā)過程經(jīng)歷了溫度上升階段、等速蒸發(fā)階段、硬殼形成階段、沸騰階段及干燥階段，詳見圖1。

含鹽廢水蒸發(fā)過程在前兩個階段與純液滴蒸發(fā)過程一樣。液滴先是在溫度上升階段預(yù)熱升溫。而后在等速蒸發(fā)段物料溫度基本維持恒定，物料中含濕量變化較快，氣體傳給物料的熱量全部用于濕分汽化。和純液滴干化不同，含鹽廢水蒸發(fā)多了硬殼形成階段，本階段液滴外壁的鹽分濃縮形成一個硬殼，阻止了殼內(nèi)液滴的直接沸騰；氣體傳給液滴的熱量部分用于濕分汽化，部分用于物料升溫。當(dāng)外殼完全結(jié)晶后，隨著外壁殼熱量傳遞，物料內(nèi)部水分不斷被吸到外壁蒸發(fā)，溫度變化不大，類似于沸騰，故稱之為沸騰階段。最后在干燥階段，整個液滴不斷縮小，僅存的濕分不斷被汽化，最后形成顆粒物。

表1列舉了影響離心霧化過程的主要因素。料液性質(zhì)、熱煙氣性質(zhì)等物性參數(shù)對霧化過程有明顯影響。

2.4 示范工程末端廢水煙氣干化方式選擇

示范工程干化熱源選擇主要考慮煙溫和對后續(xù)環(huán)保設(shè)備的影響。溫差是傳熱過程的主要驅(qū)動力。引入煙氣溫度越高，傳熱速度越快，干化速率也越快，完全干燥所需的空間小，但能量消耗也越大；反之，引入煙氣溫度越低，傳熱速度越慢，完全干燥需要的空間大。引入煙氣亦不能對后續(xù)煙道造成太大的影響。綜合考慮，脫硝反應(yīng)器前的高溫?zé)煔庖驗橐M(jìn)行NOx脫除，不適合作為干化熱源；空氣預(yù)熱器后煙氣溫度較低，干燥同樣廢水所需煙氣量大，且干化速率低，完全干燥需要更大的空間。因此脫硝后的煙氣，溫度合適，且不影響后續(xù)煙氣的處理，比較適合作為干化用熱源。

煙氣干化方式有直接煙道內(nèi)干化和旁路煙道干化兩種方式。比較而言，煙氣旁路干化對現(xiàn)場煙道條件要求低，可靠性高，不影響機(jī)組主機(jī)運行，建議優(yōu)先選擇煙氣旁路干化作為末端廢水處置方案。

綜上所述，示范工程選擇煙氣旁路干化方式進(jìn)行末端廢水的霧化干化。具體流程為旁路煙氣通過干燥塔上部的蝸殼狀煙氣分配器引入干燥塔，末端廢水經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的離心霧化器后被霧化成粒徑極小的霧滴進(jìn)入干燥塔內(nèi)，霧滴與旁路熱煙氣直接接觸進(jìn)行熱交換，液滴中的水分迅速蒸發(fā)。

3、末端廢水調(diào)質(zhì)及干化示范工程

末端廢水調(diào)質(zhì)及干化示范工程，即煙氣旁路干化系統(tǒng)，于2014年啟動。2016年8月，該系統(tǒng)在浙江某電廠建成并投入運行，截至2017年12月，累計運行了9000h。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

該煙氣旁路干化系統(tǒng)包括干燥塔系統(tǒng)、廢水供給系統(tǒng)、旁路煙道、灰渣輸送系統(tǒng)及配套的測量及控制系統(tǒng)等，如圖2所示。其中，（1）干燥塔系統(tǒng)主要包括干燥塔塔體、塔頂熱空氣分布器、霧化器等。塔頂熱空氣分布器采用蝸殼式煙氣分配器。（2）廢水供給系統(tǒng)主要包括廢水進(jìn)料泵、廢水儲罐、攪拌器、相關(guān)管路及閥門和廢水進(jìn)料過濾器等。（3）廢水調(diào)質(zhì)系統(tǒng)包括加藥箱和加藥泵。通過加藥來調(diào)節(jié)廢水pH。（4）旁路煙道包括干燥塔入口煙道和出口煙道，進(jìn)出口煙道上的煙氣擋板。（5）灰渣輸送系統(tǒng)接入主機(jī)灰渣輸送系統(tǒng)，干燥產(chǎn)生的灰渣進(jìn)入塔底倉泵。（6）測量及控制系統(tǒng)包括各類溫度、壓力、濕度、流量測量儀表及傳感器，以及DCS控制系統(tǒng)。除灰渣輸運系統(tǒng)外，所有系統(tǒng)均接入機(jī)組主機(jī)DCS控制系統(tǒng)。

3.2 控制策略選擇

現(xiàn)有末端廢水處理工藝中，較少使用煙氣旁路干化技術(shù)，也缺乏配套的控制技術(shù)。旁路煙氣干化法熱源依賴于鍋爐煙氣，鍋爐煙氣流量、流速和溫度等工況因素對干燥設(shè)施影響很大。在工況波動較大時，可能發(fā)生水分蒸發(fā)不完全，或煙氣引入量過大情況。前者嚴(yán)重影響末端廢水干燥設(shè)施本體及后續(xù)的煙道、除塵器等設(shè)施的安全，后者則造成嚴(yán)重的能量浪費。故末端廢水煙氣旁路干化技術(shù)，其控制技術(shù)核心是實現(xiàn)煙氣-末端廢水的良好匹配。此外，粉煤灰品質(zhì)等也是控制過程必須考慮的關(guān)鍵。

該煙氣旁路干化系統(tǒng)運行中，一種多參數(shù)協(xié)同控制體系被提出和應(yīng)用。即基于水質(zhì)模型，確定最大末端廢水處理量；結(jié)合酸露點模型，確定煙氣旁路出口的最低溫度；能量平衡模型和關(guān)鍵參數(shù)模型互為補充，自動監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)并實時調(diào)節(jié)末端廢水干化系統(tǒng)。圖3為協(xié)同控制體系的示意圖。

能量平衡模型根據(jù)實測旁路出口煙道煙氣溫度及其所在的控制值區(qū)間，分類別的調(diào)整旁路進(jìn)口煙氣流量或脫硫廢水給料量。采用前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)對整個脫硫廢水旁路蒸發(fā)過程進(jìn)行自動控制和智能調(diào)節(jié)，同時異常工況下設(shè)有保護(hù)措施，充分保障系統(tǒng)安全。關(guān)鍵參數(shù)模型可通過收集分析機(jī)組負(fù)荷和爐膛吹灰信息，確定不同負(fù)荷、吹灰器投運與否條件下，干燥塔廢水噴水量和出口煙氣溫度的對應(yīng)關(guān)系，形成控制曲線或不斷修正控制曲線。實踐中，兩者相互協(xié)調(diào)，互相補充。

3.3 示范工程效果評價

3.3.1 對煙塵濃度的影響

示范工程投運后，后續(xù)環(huán)保設(shè)備（尤其是電除塵器）以及總排口排放指標(biāo)是優(yōu)先關(guān)注的因素。2016年12月20―22日，在干燥塔投運工況，浙江省環(huán)境監(jiān)測中心對總排口及電除塵器進(jìn)行了為期3天的現(xiàn)場測試。測試結(jié)果如表2和表3所示。

由表2和表3可以看出，在實施了有效的控制技術(shù)后，末端廢水煙氣干化系統(tǒng)投運與否，對電除塵器出口和總排口煙塵濃度無明顯影響。

3.3.2 最大出力以及累計處理廢水量

表4為不同負(fù)荷下，煙氣旁路干化系統(tǒng)最大末端廢水處理能力試驗結(jié)果。進(jìn)口煙氣擋板開度55%~65%，以出口煙溫120℃為控制指標(biāo)時，330MW負(fù)荷時，最大廢水處理能力大于4.0t/h；250MW負(fù)荷時，最大廢水處理能力大于3.0t/h；165MW負(fù)荷時，最大廢水處理能力大于2.0t/h。考慮到進(jìn)口煙氣擋板開度還可以適當(dāng)增大，實際各負(fù)荷下還有一定的處理能力冗余。

3.3.3 經(jīng)濟(jì)性評價

該末端廢水煙氣干化系統(tǒng)，運行成本主要包括設(shè)備電耗、調(diào)試藥劑費用及引出熱煙氣折算的煤耗增加費用，如表5所示。

以旁路干化系統(tǒng)年運行5000h、廠用電0.4元/(kW?h)、霧化器及泵電功率36kW計，設(shè)備年電耗約7.2萬元；以藥劑價格3000元/t、調(diào)質(zhì)脫硫廢水需調(diào)質(zhì)劑8t/年計，藥劑費用約為2.4萬元/年；處理3.4t/h末端廢水，增加的標(biāo)準(zhǔn)煤耗約為1.39g/(kW?h)。以此為基礎(chǔ)計算，年運行5000h、廢水處理量3t/h情況下，年增加標(biāo)準(zhǔn)煤耗1980t，以標(biāo)煤價格900元/t計，煤耗增加費用為178萬元/年。運行總成本約為188萬元/年。其投資成本在780萬元左右。比較濃縮蒸發(fā)結(jié)晶的廢水處理方式，在工程投資和設(shè)備運行上都有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

4、結(jié)語

本文分析了末端廢水理化特性，并梳理了末端廢水零排放工藝思路；在比選霧化方式和煙氣分配方式的基礎(chǔ)上，研究了含鹽霧滴的干燥過程，并分析了其影響因素，提出了一種煙氣旁路干化技術(shù)路線；建成了末端廢水調(diào)質(zhì)及干化裝置，研究了其控制技術(shù)，并對其工程效果及運行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評估。該示范工程效果明顯，出力可靠，經(jīng)濟(jì)性高。（來源：浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江浙能長興發(fā)電有限公司，浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室）