火電廠廢熱蒸發(fā)濃縮脫硫廢水中試零排放實驗研究

王可輝，蔣 芬，徐志清，趙 軍，王 飛，顧小紅

(中國國電北京朗新明環(huán)保科技有限公司南京分公司，南京 210019)

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火電廠廢熱蒸發(fā)濃縮脫硫廢水中試零排放實驗研究

王可輝，蔣 芬，徐志清，趙 軍，王 飛，顧小紅

(中國國電北京朗新明環(huán)保科技有限公司南京分公司，南京 210019)

現(xiàn)行常規(guī)處理的火電廠脫硫廢水，設(shè)備故障率高、難以去除重金屬離子和無法除去氯離子等諸多缺點。實驗利用電廠余廢熱對脫硫廢水進行常溫蒸發(fā)，對實驗前后水質(zhì)測試可知，實驗減量濃縮效果顯著，該技術(shù)的熱交換過程溫升小，蒸發(fā)過程全部發(fā)生在蒸發(fā)單元的氣相和液相的界面，基本消除了結(jié)垢風(fēng)險，對系統(tǒng)進水水質(zhì)要求低，可根據(jù)電廠脫硫廢水的實際情況僅需簡單調(diào)整pH值即可進行蒸發(fā)處理，節(jié)省了大量的藥劑費用，由于屬于常溫常壓范圍，大大降低了高含鹽量條件下的設(shè)備腐蝕風(fēng)險，減少了設(shè)備制造成本，使廢水零排放技術(shù)的大規(guī)模推廣成為可能。

脫硫廢水；常溫蒸發(fā)；零排放

石灰石—石膏濕法煙氣脫硫因其技術(shù)成熟，適應(yīng)性強成為我國當(dāng)前火電廠煙氣脫硫的主流工藝。濕法脫硫工藝脫硫時，脫硫吸收塔內(nèi)漿液反復(fù)循環(huán)利用，塔內(nèi)可溶鹽漿液不斷濃縮，為確保脫硫性能和維持系統(tǒng)內(nèi)的氯離子平衡，需要不斷補充、更新漿液，此過程中需要排放含有大量重金屬離子的廢水，此部分排放的廢水即為 “脫硫廢水”[1]。廢水中主要含有懸浮物、硫酸鹽、過飽和亞硫酸鹽以及重金屬等雜質(zhì)[2]，很多是國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格要求控制的第一類污染物[3]，采用普通方法處理這部分廢水很難達標(biāo)排放，針對脫硫廢水處理提出新型的處理方法顯的尤為重要，尤其是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)對環(huán)保要求更高，往往要求高含鹽廢水“零排放”。

現(xiàn)有火電廠廢水零排放工藝主要有多效蒸發(fā)技術(shù)、機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)(MVR)等技術(shù)[4]，投資和運行維護成本高，一般工業(yè)企業(yè)難以承受。另一方面能耗高、結(jié)垢風(fēng)險大、運行維護困難，進一步增加了企業(yè)的生產(chǎn)運行成本和運行人員的勞動強度。嚴(yán)重制約了零排放技術(shù)的推廣和應(yīng)用。因此，開發(fā)投資省、能耗低、維護量少的火電廠廢水零排放集成技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢。

為解決廢水零排放項目中存在的技術(shù)瓶頸，南京朗新明與國電江蘇某電廠合作，對所研發(fā)的高含鹽廢水低溫強化自然蒸發(fā)濃縮處理技術(shù)開展工業(yè)性中試，以驗證該技術(shù)在電廠高含鹽廢水、脫硫廢水零排放處理方面的可行性和適應(yīng)性。

1 工藝原理及說明

高含鹽廢水低溫強化自然蒸發(fā)濃縮技術(shù)是利用常溫常壓下不飽和濕空氣的水汽容納裕量進行自然蒸發(fā)的一種新型蒸發(fā)濃縮技術(shù)。該技術(shù)利用工業(yè)企業(yè)余熱廢熱(如循環(huán)冷卻水、

汽輪機乏汽等)作為熱源，通過獨特的系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)常溫常壓下的自然蒸發(fā)。系統(tǒng)工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 強化自然蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)工藝流程簡圖

國電江蘇某電廠靠近長江邊上，水資源豐富，鍋爐出水經(jīng)過凝汽器冷卻通過虹吸井直排長江，不重復(fù)利用，直排的虹吸井的冷卻水屬于低品熱源，隨季節(jié)變化溫度在20～40℃，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，循環(huán)水溫度不可能低于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境水溫度[5]，此部分低品熱源雖然溫度不高，但是要能把此部分熱源利用起來將為電廠節(jié)約大量的能源。

本實驗熱源取自虹吸井中冷卻直排水，熱水經(jīng)熱水泵提升到列管式換熱器對脫硫廢水進行換熱，換熱完廢水經(jīng)過出水管再次回到虹吸井，不影響虹吸井的正常運行，經(jīng)過換熱器換熱的脫硫廢水經(jīng)蒸發(fā)池進行降溫蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)，在常溫常壓下進行自然蒸發(fā)濃縮，試驗工藝流程如圖2所示，試驗現(xiàn)場裝置如圖3所示。

圖2 中試裝置工藝流程

圖3 現(xiàn)場試驗裝置圖片

強化自然蒸發(fā)裝置中試運行參數(shù)見表1。

表1 中試裝置運行參數(shù)

2 試驗材料及方法

2.1 試驗分析儀器

試驗分析儀器主要有DR5000紫外分光光度計、T-70自動滴定儀、PE optima8000等離子體發(fā)射光譜儀、AC120S電子天平、LC-223電熱恒溫烘箱。

2.2 脫硫廢水水質(zhì)

國電江蘇某電廠脫硫采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫吸收塔漿液運行一段時間后，定期排放一部分漿液至石膏脫水系統(tǒng)中，石膏旋流站上清液經(jīng)過廢水旋流站的二級旋流后，利用脫硫廢水提取系統(tǒng)提取出需要處理的脫硫廢水，此部分脫硫廢水未經(jīng)過任何處理直接排到電廠的工業(yè)水池，廢水主要特征：呈弱酸性、懸浮物高、顆粒物細(xì)小等。現(xiàn)場實拍圖片如圖4所示。

圖4 電廠工業(yè)水池中的脫硫廢水

電廠脫硫廢水水質(zhì)分析見表2。

表2 電廠脫硫廢水水質(zhì)分析 mg/L

2.3 實驗過程

低溫強化自然蒸發(fā)裝置蒸發(fā)單元由三部分組成：余熱利用單元、蒸發(fā)單元、濃縮液分離單元。實驗數(shù)據(jù)通過PLC控制柜實時顯示并記錄，實驗過程如下。

(1)利用熱水泵將虹吸井中的廢熱水提升到列管式換熱器中，廢熱水進水溫度經(jīng)過溫度計實測20～26℃(水溫有小范圍波動)，換熱完廢水溫度15～18℃，換熱溫差6℃左右，換熱完廢水經(jīng)過出水管返回到虹吸井中，不影響虹吸井的正常運行。

(2)國電江蘇某電廠脫硫廢水在吸收塔漿液排放至石膏脫水系統(tǒng)制作石膏過程中，石膏旋流站上清液經(jīng)過廢水旋流站的二級旋流后，利用脫硫廢水提取系統(tǒng)提取出需要處理的脫硫廢水。此部分脫硫廢水未經(jīng)過任何處理直接排到電廠的工業(yè)水池，工業(yè)水池中的脫硫廢水經(jīng)過潛水提升泵打到實驗裝置的原水箱中(水箱容積2 500 L)，通過重力溢流至蒸發(fā)池中，經(jīng)過強制循環(huán)渣漿泵，將蒸發(fā)池中的脫硫廢水送到換熱器中，經(jīng)過換熱后再送回蒸發(fā)池中，如此循環(huán)往復(fù)。經(jīng)過溫度計實測脫硫廢水換熱完溫度約為21℃，經(jīng)過蒸發(fā)池蒸發(fā)降溫后溫度約為16℃，溫降范圍在5℃左右。

(3)隨著水分的不斷蒸發(fā)，系統(tǒng)中的脫硫廢水含鹽量不斷增大，這部分濃水在濃縮分離箱中不斷濃縮，當(dāng)達到過飽和狀態(tài)時有部分晶體從濃水中析出，上清液返回至蒸發(fā)池中繼續(xù)蒸發(fā)。

(4)PLC控制柜實時顯示并記錄進出水量、液位變化情況，在不考慮其他因素影響的情況下，通過電磁流量計上總的來水和PLC控制柜上的數(shù)據(jù)記錄綜合算出每小時蒸發(fā)水量。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 濃水水質(zhì)分析

原水經(jīng)過運行一段時間后，蒸發(fā)池中脫硫廢水濃度不斷增加，脫硫廢水濃縮水的水質(zhì)檢測如表3所示。

表3 蒸發(fā)池中濃水水質(zhì) mg/L

由表2和表3中的數(shù)據(jù)可知，TDS的濃縮倍數(shù)大約為8倍，考慮到在污泥濃縮箱中硫酸鈣的沉淀析出，濃水中的硫酸根和鈣離子會有部分減少，濃水中的Cl-濃度不斷增大，由于Cl-具有較強的穿透性和腐蝕性，蒸發(fā)濃縮設(shè)備必須是防腐性材料，否則運行一段時間設(shè)備就會出現(xiàn)故障。

3.2 高含鹽濃水加藥沉淀分析

實驗過程中取部分濃縮水放置6 h，觀察發(fā)現(xiàn)沉淀效果并不明顯，無明顯的固液分離界面，對其中的濃水加入混凝劑和絮凝藥劑沉淀發(fā)現(xiàn)懸浮物沉降效果明顯，有很明顯的礬花，對于后面濃縮后的濃水可以考慮加入適量藥劑進行沉淀，有利于將除濃水中的懸浮固形物析出，過濾出固行懸浮物，對于后面的濃鹽水送到蒸發(fā)器可以減少蒸發(fā)系統(tǒng)的結(jié)垢風(fēng)險。濃水加藥后效果如圖5所示。

圖5 濃水加藥后效果

3.3 蒸發(fā)水量

本實驗?zāi)壳霸谇锒咀畈畹沫h(huán)境下進行，電廠地處長江邊上，冬季溫度低，環(huán)境濕度大，選取某天的蒸發(fā)水量如圖6所示，由實驗結(jié)果可知穩(wěn)定運行狀態(tài)下70 min左右蒸發(fā)一噸廢水，基本達到設(shè)計時的蒸發(fā)水量。

圖6 穩(wěn)定運行時的蒸發(fā)水量

3.4 系統(tǒng)結(jié)垢腐蝕情況分析

實驗運行一個半月左右的時間發(fā)現(xiàn)換熱效率下降比較明顯，起機后換熱溫升比較慢，初步分析可能換熱器管壁有堵塞結(jié)垢現(xiàn)象，用8%濃度的鹽酸對換熱器進行沖洗，同時把壓力進行適當(dāng)提高，對換熱器內(nèi)壁進行高壓沖洗1 h，之后沖洗起機運行，調(diào)整到之前運行參數(shù)，設(shè)備運行正常。

3.5 運行成本分析

強化自然蒸發(fā)裝置正常運行時除了電耗，幾乎沒有其它的額外能耗，按照處理噸水計，電機總功率56.5 kW，電廠廠用電按照0.43元每度計算的話，一個小時的運行成本56.5×0.43=24.209元，一天運行成本：56.5×0.43×24=583.08元，年運行成本56.5×0.43×24×365=212 824.2元。

4 結(jié)論

(1)通過開展工業(yè)性實驗可知，低溫強化自然蒸發(fā)裝置很好的利用了電廠的余熱廢熱資源，能耗低。正常運行能耗主要是水泵和風(fēng)機的運轉(zhuǎn)，和清洗換熱器少量的藥劑消耗，無需新鮮蒸汽，可為電廠節(jié)約大量的能源。

(2)該技術(shù)的熱交換過程溫升小，蒸發(fā)過程全部發(fā)生在蒸發(fā)單元的氣相和液相的界面，基本消除了結(jié)垢的風(fēng)險，因此對系統(tǒng)進水水質(zhì)要求低，可根據(jù)電廠脫硫廢水的實際情況僅需簡單調(diào)整pH值即可以進行蒸發(fā)處理，不需要嚴(yán)格的軟化預(yù)處理，節(jié)省了大量的藥劑費用。

(3)低溫強化自然蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)蒸發(fā)過程在20～40℃條件下發(fā)生，屬于常溫常壓范圍，大大降低了高含鹽量條件下的設(shè)備腐蝕風(fēng)險，減少了設(shè)備制造成本，使廢水零排放技術(shù)的大規(guī)模推廣成為可能。

(4)運行維護方便。系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕風(fēng)險降低，且沒有高溫高壓設(shè)備、復(fù)雜的污泥脫水設(shè)備和加藥設(shè)備，因此低溫強化自然蒸發(fā)結(jié)晶處理系統(tǒng)運行維護簡單，可實現(xiàn)無人值守設(shè)計。后面工程應(yīng)用時后面的的濃鹽水可以選擇強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶器，對其進行蒸發(fā)結(jié)晶處理，由于前面濃縮使來水水量大量減少，相比于將脫硫廢水直接進行蒸發(fā)結(jié)晶處理能耗成本降低很多，經(jīng)濟效益顯著。

(5)目前經(jīng)蒸發(fā)單元蒸發(fā)出去的水量每小時大概有1 t，后期可以考慮在蒸發(fā)池頂部增加一套冷凝水回收裝置，將蒸發(fā)出去的水汽冷凝回收再利用。

[1]王敏琪. 火電廠濕式煙氣脫硫廢水特性及處理系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]楊明杰.脫硫廢水設(shè)計方案及經(jīng)濟性分析[C]．山東電機工程學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集，2011．

[3]楊明杰.脫硫廢水設(shè)計方案及經(jīng)濟性分析[J]．給水排水，2012，38(1): 54-55．

[4]王 丹，蔣道利. 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)在高含鹽廢水零排放領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國井礦鹽,2014,45(10):7-10.

WANG Dan, JIANG Dao-li. The application of evaporation crystallization technology in zero discharge area of high salt wastewater[J]．China Well and Rock Salt，2014，45 (10)：7-10．

[5]王 楓.電廠循環(huán)水余熱利用方案研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2009.

[6]國家環(huán)保總局.水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)[M].北京：國環(huán)科學(xué)出版社，2002.

(本文編輯：趙艷粉)

Industrial Zero Discharge by Evaporating and Concentrating Desulfurized Wastewater with Waste Heat in Coal-Fired Power Plant

WANG Ke-hui, JIANG Fen, XU Zhi-qing, ZHAO Jun, WANG Fei, GU Xiao-hong

(Nanjing Branch, Beijing Lucency Enviro-Tech Co., Ltd., Nanjing 210019, China)

The existing conventional treatment of desulfurized wastewater in coal-fired power plant, is defective in high equipment failure rate and difficulty to remove heavy metal ions and chloride ion. This experiment evaporated desulfurized wastewater at room temperature by using power plant waste heat. The water quality test before and after the experiment varified the remarkable experimental effect, reducing small temperature rise during heat exchange. The evaporation process all occurred on gas phase-liquid phase interface of the evaporation unit, basically eliminating scale risks. With the low water quality requirements of the system, wastewater van be evaporated by simply adjusting pH value according to the actual situation of power plant desulfurized wastewater, therefore, saving a lot of drug costs. The normal temperature and atmospheric pressure greatly reduces the equipment corrosion risk under the condition of high salt content, decreases the equipment manufacture cost, and makes it possible to widely promote the wastewater zero discharge technology.

desulfurized wastewater; room temperature evaporation; zero emission

10.11973/dlyny201506025

王可輝(1987)，男，碩士，從事火電廠脫硫廢水排放新技術(shù)研發(fā)。

X701.3

B

2095-1256(2015)06-0854-04

2015-07-08

發(fā)電技術(shù)