脫硫廢水煙氣蒸發處理技術的分析及應用

連鵬，王凱亮

(中國華電科工集團有限公司，北京 100160)

0 引言

傳統的脫硫廢水處理工藝即“三聯箱”技術已經較為成熟，該工藝采用物理化學方法，經過中和、沉降、絮凝和澄清等過程對脫硫廢水進行處理[1]。但是，該工藝不能有效去除廢水中的高濃度氯離子，處理出水為高含鹽廢水，具有強腐蝕性，無法回收利用。如若排入自然水系，將會造成環境污染。

隨著國家環保節能政策的日趨嚴格，特別是2015年國務院發布《水污染行動計劃》(水10條)，國家將強化對各類水污染的治理力度，提出了最嚴格的源頭保護和生態修復制度，全面控制污染物排放，著力節約保護水資源，全力保障水生態安全。

脫硫廢水排放已經是燃煤電廠面臨的嚴重的環保問題，傳統的脫硫廢水處理工藝達到的水質排放標準越來越不符合當下國家嚴格的環保發展形勢，電力企業實現脫硫廢水零排放的需求越來越迫切，減排和近零排放成為必然趨勢。近年來國內脫硫廢水處理領域實施的高鹽廢水蒸發結晶處理技術，多采用高品位能源進行廢水的蒸發干燥、鹽分的回收利用，以實現脫硫廢水零排放。該技術存在嚴重的腐蝕、結垢問題，對設備材質防腐性能要求高，且能耗高，投資、運行成本高，運行控制難度大[2]。

利用煙道煙氣對脫硫廢水進行蒸發處理，相比較高鹽廢水蒸發結晶處理技術的高造價、高能耗和高運行費用相比，可大大降低工程造價、能耗和運行費用，且技術簡單，理論上可以實現脫硫廢水的零排放。因此，受到了越來越多的關注。

1 處理技術分析

1.1 工藝原理

通過廢水與熱煙氣的有效接觸，利用煙道煙氣的熱量將霧化后的脫硫廢水進行蒸發，實現水與鹽的分離，完成最終的固液分離，從而實現脫硫廢水的零排放。蒸氣隨除塵后的煙氣進入脫硫塔，在脫硫塔的噴淋冷卻作用下，水分凝結進入脫硫塔的漿液循環系統。廢水中的污染物轉化為細微結晶顆粒物，隨煙氣中的飛灰一同通過倉泵回收或在除塵系統中被捕獲收集，并隨灰一起外排。

1.2 技術路線

按脫硫廢水的噴射位置不同，利用煙道煙氣蒸發脫硫廢水可分為直接煙道噴霧蒸發技術和旁路煙道噴霧蒸發技術[3]。后者根據廢水霧化方式的不同，又可分為雙流體噴霧蒸發塔和旋轉噴霧蒸發塔。

1.3 關鍵設備

脫硫廢水的霧化效果是煙氣蒸發處理技術的核心，直接關系到廢水能否完全蒸發及電廠煙道和除塵器的安全運行。

1.3.1 噴槍

雙流體噴槍是直接煙道噴霧蒸發和雙流體噴霧蒸發塔最核心的部分。雙流體噴槍配置氣流式霧化噴嘴，利用高速流動的氣體和液體之間的相互作用來將脫硫廢水霧化。

雙流體噴槍噴嘴結構簡單，磨損??；對低黏度或高黏度液體均可霧化，適用范圍廣；操作壓力低；霧化粒徑細；可控性較好，通過控制氣液比可控制霧滴大小的優點。

此外，由于脫硫廢水具有較強的腐蝕性，故噴嘴材質必須具備耐腐蝕特性。

1.3.2 旋轉霧化器

旋轉霧化器是旋轉噴霧蒸發塔最核心的部分。脫硫廢水送至高速旋轉的霧化器時，由于離心力的作用，廢水伸展為薄膜或被拉成細絲，在霧化器邊緣破裂分散為液滴，液滴的大小取決于旋轉速度和漿液量。旋轉霧化器能夠保證在液體流量不發生很大變化時，霧化霧滴的粒徑分布不發生顯著改變。

由于液滴脫離霧化器的相對速率高，達到160～200 m/s，傳質系數較大。同時，每升霧化廢水可以形成200 m2的表面積，霧化效果好。因此，保證了脫硫廢水在旋轉噴霧蒸發塔中能夠快速蒸發干燥。

旋轉霧化器除具有高可靠性、易維護、耐磨、霧化均勻等優點外，其噴霧量的調節范圍廣，對煙氣溫度、煙氣成分、煙氣量等變化適應性強，能快速響應機組工況的變化。

2 直接煙道噴霧蒸發

直接煙道噴霧蒸發技術是將脫硫廢水通過雙流體噴槍進行霧化后噴入除塵器入口煙道，利用煙氣余熱使之瞬間蒸發[3]。廢水蒸發后產生的結晶鹽附著在煙氣中的粉煤灰上，在除塵系統中被捕獲收集，并隨灰一起排出。水蒸氣隨除塵后的煙氣進入脫硫塔，在脫硫吸收塔內冷凝成新鮮水循環利用。直接煙道噴霧蒸發流程如圖1所示，圖中SCR為選擇性催化還原法。

圖1 直接煙道噴霧蒸發系統

該工藝需要脫硫廢水在進入除塵器電極前完全蒸發，并且控制煙氣溫度高于酸露點溫度，否則會對除塵器電極板造成腐蝕。因此需要對廢水在煙道內的蒸發過程進行比較精確的控制。

霧化后的脫硫廢水能否在進入除塵器之前完全蒸發，受到煙道的結構及長度、煙氣溫度、霧化粒徑等因素的影響[4]。

2.1 煙道結構及長度

除塵器之前的直煙道段應達到足夠的長度，應能保證霧化廢水在1s內完全氣化，而且霧化噴嘴的安裝位置應通過計算流體動力學(CFD)模擬分析進行精確控制。

2.2 煙氣溫度

煙道中煙氣溫度越高，霧化廢水的蒸發速度越快。應保證煙氣溫度不低于130 ℃。

2.3 霧化粒徑

霧化粒徑越小，液滴的比表面積越大，蒸發所用時間越少，蒸發的速率也就越快。液滴到達煙道壁前已經完全蒸發，可以有效地防止粘壁現象的發生。反之，霧化粒徑越大，殘留未完全蒸發的液滴越多，與煙道壁面碰撞的液滴也越多。脫硫廢水霧化粒徑應小于50 μm。

3 旁路煙道噴霧蒸發

利用旁路煙道噴霧蒸發技術設置獨立的蒸發塔。從空預器前端煙道引接旁路煙道，引入高溫煙氣至蒸發塔，通過煙氣調節閥控制由煙道引出的煙氣流量。將脫硫廢水霧化后噴入蒸發塔，利用煙氣熱量使霧化后的廢水瞬間蒸發。結晶鹽隨粉煤灰通過倉泵回收或在除塵系統中被捕獲收集，并隨灰一起排出。水蒸氣隨除塵后的煙氣進入脫硫塔，在脫硫吸收塔內冷凝成新鮮水循環利用。

3.1 雙流體噴霧蒸發塔

雙流體噴霧蒸發塔采用雙流體噴槍，通過壓縮空氣的作用對脫硫廢水進行霧化處理[5]。

煙氣引自SCR脫硝之后空預器之前的煙道，煙氣溫度為350～400 ℃，抽取煙氣量約占總煙氣量的5%。預處理之后的廢水由高壓泵引至噴霧蒸發塔，采用雙流體噴槍將其霧化噴射到高溫煙氣中，廢水中的水分快速蒸發，增濕降溫后的煙氣注入除塵器前主煙道。廢水中的Cl-、Ca2+、SO42+、Mg2+、重金屬離子等各種污染物瞬間蒸發干燥結晶形成細微顆粒物，隨粉塵在除塵器中被捕集下來，水蒸氣進入脫硫吸收塔循環利用，流程如圖2所示。

圖2 雙流體噴霧蒸發塔系統

3.2 旋轉噴霧蒸發塔

旋轉噴霧蒸發塔采用旋轉霧化器[6]，通過高速旋轉產生的離心力作用對脫硫廢水進行霧化處理。

引接空預器前的一部分鍋爐熱煙氣經蒸發塔頂部的氣體分布器均勻進入噴霧蒸發塔內，脫硫廢水經蒸發塔頂部的旋轉霧化器霧化成平均粒徑約10～60 μm的細霧滴噴入蒸發塔內。在蒸發塔內霧滴與熱煙氣充分接觸，廢水迅速蒸發，水分進入煙氣中。霧滴中的鹽分結晶析出混入原煙氣的粉塵中，大部分隨煙氣進入后續除塵器，由后續除塵器收集，其余落入蒸發塔底端被收集轉運。處理后的煙氣排入電除塵器前的主煙道中。流程如圖3所示。

圖3 旋轉噴霧蒸發塔系統

4 技術路線比較分析

采用脫硫廢水煙氣蒸發處理技術可以實現脫硫廢水的零排放。同時，HCl等氣態物的產生會增加脫硫廢水的外排量及增加煙道腐蝕的風險。

4.1 直接煙道噴霧蒸發和旁路煙道噴霧蒸發

直接煙道噴霧蒸發技術利用的煙氣煙溫較低，廢水蒸發速率較慢，需要的蒸發距離較大(約15 m)，可消納廢水量小，存在廢水蒸發不完全造成霧滴掛壁、煙道腐蝕、增加煙道結垢、積灰等風險，有影響鍋爐正常穩定運行的可能性。旁路煙道噴霧蒸發技術利用的煙氣煙溫高，具有以下優點。

(1)脫硫廢水經過蒸發塔蒸發結晶后，煙氣濕度增加，降低粉煤灰的比電阻，可以提高除塵器的除塵效率。

(2)脫硫廢水氯鹽含量高，少量氯的溢出有利于汞的氧化，有協同除汞貢獻。

(3)不影響主機組操作，易于實現在役機組改造。作為獨立單元對主煙道沒有影響，出口溫度等于或略高于除塵器入口煙氣溫度。

(4)受機組負荷變化影響較小，運行簡單，對鍋爐運行的適應性較高，安全可靠性較高。

(5)空預器前高溫煙氣的抽取量控制在5%以下，廢水噴霧蒸發后對空氣預熱器進、出口煙溫影響很小。噴霧后空氣預熱器一次、二次風溫有略微降低，但波動范圍基本在噴霧前的波動范圍內，對鍋爐熱效的影響較小(小于0.5%)。

4.2 雙流體噴霧蒸發塔和旋轉噴霧蒸發塔

雙流體噴霧蒸發塔塔徑小，建設費用低，布置更為方便。

雙流體噴槍在煙道內一般按直線布置，每個噴嘴產生扇形霧區，每個扇形疊加覆蓋，易造成與煙氣混合的不均勻。旋轉霧化器依靠高速旋轉的噴霧盤產生均勻的圓錐形霧區，與煙氣混合較充分。

雙流體噴槍采用壓縮空氣為動力，且消耗量較大，一般需單獨增加空壓機設備。旋轉霧化器采用電機驅動，省去了壓縮空氣系統，系統更加簡單。而且，通過調節霧化器轉速可以調整霧化特性，操作更為簡單。

雙流體噴槍靜止的布置在煙道內，噴射口易結塊而堵塞噴嘴，維護工作量較大。旋轉霧化器處于高速旋轉中，不易產生堵塞，維護工作量小。

雙流體噴槍霧化脫硫廢水，脫硫廢水宜經過預處理(如軟化等)。旋轉霧化器可直接對懸浮物濃度小于25%的廢水進行霧化，適用范圍廣。綜上，各技術(不含廢水預處理)比較見表1。

表1 脫硫廢水煙氣蒸發處理技術比較分析表

目前，脫硫廢水煙氣蒸發處理技術在國內的工程應用見表2。

表2 國內脫硫廢水煙氣蒸發處理技術應用業績表

5 結論

脫硫廢水煙氣蒸發處理技術在建造和運行成本方面具有良好的競爭優勢，同時沒有固體廢棄物產生，是極具市場前景的技術路線。

燃煤電廠應根據自身的實際情況進行技術路線的優化選擇。條件允許的情況下，可優先選用安全可靠性較高的旁路煙道噴霧蒸發技術實現脫硫廢水的零排放。

為提高脫硫廢水煙氣蒸發系統的可靠性，保證系統的長期安全穩定運行，提出如下建議。

(1)在采用雙流體噴槍時，為避免脫硫廢水中的高鹽分析出，從而堵塞噴槍噴嘴，建議對廢水進行軟化預處理，以脫除廢水中容易結垢的鈣、鎂離子。

(2)煙氣溫度的降低應控制在高于酸露點或者空預器出口溫度以上，從而避免煙氣的冷凝或未蒸發液體的夾帶。

(3)可考慮在煙道內或蒸發塔內設置貼壁風，以減緩或避免脫硫廢水的粘壁，從而對煙道產生結垢、腐蝕等不利影響。