脫硫廢水煙道蒸發熱源的選擇

李飛

摘 要：煙道蒸發是實現脫硫廢水零排放的有效措施，其蒸發熱源的選擇關系到系統的安全性和經濟性，對系統運行具有重要意義。本文從理論和實際應用的角度總結了廢水蒸發熱源的選取原則，并結合某典型600MW機組案例分析了省煤器入口、SCR脫硝反應器入口、空預器入口和電除塵器入口煙氣作為廢水蒸發熱源的合理性和可行性。結果表明，省煤器入口、SCR脫硝反應器入口和電除塵器入口的煙氣不宜作為脫硫廢水的蒸發熱源；空預器入口煙氣是廢水最佳蒸發熱源，設置與空預器并聯的煙道旁路可減少廢水蒸發的殘留物對空預器本體的影響。

關鍵詞：脫硫廢水 零排放 煙道蒸發 蒸發熱源

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0112-02

石灰石-石膏濕法脫硫工藝因脫硫效率高和技術適應性強等優點被廣泛應用于國內各類型燃煤機組，工藝以鈣基為脫硫劑，在其與煙氣充分接觸的過程中，煙氣中的二氧化硫被轉化為亞硫酸根或硫酸根進入脫硫廢水，同時原煙氣中的重金屬和氯元素等也進入了廢水，隨著廢水的循環反復利用，污染物的濃度被不斷提高，導致脫硫廢水水質極其復雜，成為了另一處理難題。總體而言，燃煤機組脫硫廢水中的污染物質主要包括懸浮物、重金屬（如Pb、Hg、Cr和Cd等）以及氯元素（含量高達1～2萬mg/L），排放會對生態和環境造成重大的污染。

目前，多數電廠采用三聯箱的化學沉淀工藝去除脫硫廢水污染物，但該方法運行費用高，無法去除氯根，難以實現廢水的零排放。2015年，國務院在《水污染行動計劃》中要求嚴格加強工業廢水污染防治力度，脫硫廢水的零排放成為了業內關注的熱點。為了實現廢水的零排放，近年來國內主要采用的技術可分為蒸發結晶和煙道蒸發兩類。其中，煙道蒸發是指將脫硫廢水噴射入鍋爐尾部煙道，利用排煙余熱將水分蒸發，殘留的固體顆粒物隨煙氣進入電除塵器被捕捉，該技術由于工藝流程簡單、成本較低受到了業內廣泛的關注。在實際應用中，蒸發熱源的選擇關系到系統的安全性和經濟性，對系統運行具有重要意義。本文從理論和實際應用的角度分析了廢水蒸發熱源的選取原則，以某典型600 MW機組為案例分析了省煤器入口、SCR脫硝反應器入口、空預器入口和電除塵器入口煙氣作為蒸發熱源的合理性和可行性，并提出了相應的建議。

1 蒸發熱源的選取原則

在典型的燃煤機組鍋爐尾部煙道系統中，煙氣一般會依次經過省煤器、SCR脫硝反應器、空氣預熱器、電除塵器和脫硫塔等設備，如圖1所示。其中，省煤器用于加熱鍋爐給水，空氣預熱器用于加熱鍋爐進風。脫硫廢水蒸發熱源的選取主要需考慮系統安全性、熱能充足和能量分級利用等原則。

1.1 系統安全性

系統安全性主要是指脫硫廢水蒸發設備投運后，不可影響機組其他設備的正常運行，如空預器、電除塵器、煙道和風機等。廢水在煙道中蒸發后可能導致的問題主要有：（1）低溫腐蝕：廢水蒸發吸收煙氣熱量，當煙氣溫度降低到其酸露點以下時，其中的酸性物質會附著于煙道內壁和設備內部，造成低溫腐蝕，影響正常運行和設備壽命。（2）SCR催化劑中毒：廢水在煙道中蒸發后，其攜帶的堿金屬和堿土金屬等若與SCR催化劑接觸，會導致其中毒甚至失活，影響機組脫硝效率和催化劑壽命。（3）電除塵器故障：當廢水在煙道中蒸發不完全時，殘留的水分會隨煙氣進入電除塵器，影響其正常運行，甚至引起設備故障。

1.2 熱能充足

熱能充足是指煙氣攜帶的熱能需在既定的空間（時間）內將所有脫硫廢水蒸發。對于現役機組而言，空間是節能減排技改工程的主要限制因素，而充足的熱能是廢水能在既定空間內完全蒸發的必要條件。近年來，國內燃煤機組長期處于低負荷運行，其排煙溫度較額定工況有著不同程度的降低。在蒸發熱源選取的時候，務必考慮機組變負荷情況下煙氣的參數，確保廢水蒸發設備在系統多種工況下均能正常運行。

1.3 能量分級利用

能量分級利用主要是出于節能和經濟性的考慮，一般而言，將高品位的熱能用于加熱相應高參數的工質可提高能量利用率。如圖1所示，對于典型的燃煤機組而言，高溫煙氣首先被用于加熱鍋爐給水，其次在經過SCR脫硝反應器后再次被用于加熱鍋爐進風（一次風和二次風）。等量的廢水蒸發雖然需要相等的煙氣熱能，但若消耗高溫煙氣攜帶的高品質熱能，勢必會降低鍋爐效率，增加機組煤耗。因此，在滿足系統安全和熱能充足的前提下，需盡量利用更低溫煙氣的熱能蒸發脫硫廢水，以提高系統熱經濟性。

2 案例分析

因為脫硫廢水蒸發后產生的固體顆粒物必須由電除塵器捕捉，所以蒸發熱源只能在電除塵器之前選擇。以某典型600MW燃煤機組為例，表1列舉了其3個典型工況下鍋爐尾部煙氣各段的溫度（包括省煤器入口、SCR入口、空預器入口和電除塵器入口等4段）。

在30%～100%THA工況下，省煤器入口煙氣溫度高達351℃～451℃，該段煙氣熱能品質最高，足以蒸發脫硫廢水。但由于該段煙氣被用于加熱鍋爐給水，其蒸發廢水的熱能損失會造成鍋爐效率的顯著下降。

SCR脫硝反應器入口煙氣溫度約為262℃～353℃，熱能充足，但廢水蒸發后形成結晶鹽與固體雜質會引起SCR催化劑中毒，會導致脫硝效率下降，并降低催化劑壽命。

空預器的入口煙氣溫度約為261℃～352℃，足以蒸發脫硫廢水，但該段煙氣用于加熱鍋爐進風，蒸發消耗煙氣熱能會引起鍋爐一次風、二次風溫度的降低，增大機組煤耗。此外，廢水蒸發產生的結晶鹽（如氯鹽）等雜質可能引起空預器的堵塞和腐蝕。

電除塵器入口煙氣溫度為98℃～125℃。因該段煙道位于空預器之后，煙氣熱量未用于加熱其他工質，所以用于蒸發脫硫廢水不會引起機組煤耗的增高，是理論上的最佳蒸發熱源。馬雙忱等人用數值模擬和實驗的方法分別研究了煙氣溫度和廢水液滴蒸發的關系，其模擬結果表明當液滴平均粒徑為100μm時，煙氣溫度必須高于140℃時廢水才可完全蒸發；其實驗結果表明，煙氣溫度達到180℃以上時廢水才能有效蒸發。電除塵器前煙氣溫度較低，因此不宜選作廢水蒸發熱源，尤其是在全國燃煤機組長期處于低負荷運行的背景下，煙氣溫度進一步降低，廢水蒸發系統的安全風險非常大。

綜上所述，綜合考慮系統運行安全性、熱能的充足性和能量分級利用原則，空預器之前的煙氣為最佳蒸發熱源，該段煙氣在機組各負荷下熱能充足，雖然會造成鍋爐效率的降低，但運行的可靠性非常高。為了降低廢水蒸發產生的結晶鹽等固體顆粒物對空預器造成不良影響，可以設置與空預器并聯的煙道旁路蒸發廢水。如圖2所示，可在空預器入口處引部分高溫煙氣進入煙道旁路上安裝的廢水蒸發器，將脫硫廢水霧化噴射于蒸發器內，利用高溫煙氣余熱將水分蒸發，產生的結晶鹽和固體雜質隨旁路煙氣回到空預器之后的主煙道，最終進入電除塵器被捕捉。

3 結語

本文從理論和實際應用的角度總結了廢水蒸發熱源的選取原則，并結合某典型600MW機組案例分析了省煤器入口、SCR脫硝反應器入口、空預器入口和電除塵器入口煙氣作為廢水蒸發熱源的合理性和可行性，總結如下：（1）省煤器入口、SCR脫硝反應器入口和電除塵器入口的煙氣不宜作為脫硫廢水的蒸發熱源；（2）空預器入口煙氣是廢水最佳蒸發熱源，可設置與空預器并聯的旁路減少廢水蒸發的殘留物對空預器本體的影響。

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