燃煤機(jī)組脫硫廢水零排放物料-能-水耦合機(jī)制及優(yōu)化

陳程，陳鑫，徐鳳，吳斌，李元媛，陸規(guī)

（1 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京211102； 2 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206； 3 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽合肥230022）

引 言

我國(guó)水資源匱乏、環(huán)境問題突出，節(jié)約水資源與環(huán)境保護(hù)關(guān)系到我國(guó)能否可持續(xù)化發(fā)展。燃煤機(jī)組是耗水大戶，也是污水排放大戶。在燃煤電廠排放的廢水中，濕法脫硫排出的廢水屬于火電廠最難處理的末端廢水之一[1-3]。目前電廠主要采用石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)，該技術(shù)產(chǎn)生的脫硫廢水需要定期排放。脫硫廢水主要處理方法是常規(guī)的化學(xué)沉淀法，使用該處理方法后脫硫廢水滿足國(guó)標(biāo)GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的第二類一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。隨著脫硫工藝水水質(zhì)的變差，目前在用的脫硫廢水系統(tǒng)較難達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。2015 年起《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《排污許可證管理暫行規(guī)定》等系列政策相繼發(fā)布，對(duì)脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高。2017 年《火電廠污染防治技術(shù)政策》發(fā)布，鼓勵(lì)火電廠實(shí)現(xiàn)廢水的循環(huán)使用不外排，目前燃煤機(jī)組主要的解決途徑是蒸發(fā)干燥處理工藝[4-10]。

脫硫廢水水質(zhì)呈弱酸性，具有氯離子濃度高、硬度大、易結(jié)垢等特點(diǎn)[11]。廢水中還含有環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中要求控制的第一類污染物重金屬，必須單獨(dú)處理。其中懸浮物含量高, 細(xì)顆粒物比例大，易造成膜過濾裝置污堵；廢水中的Ca2+、Mg2+、使廢水硬度高，易結(jié)垢；脫硫廢水呈酸性，氯離子濃度高，腐蝕性強(qiáng)。上述特征造成了脫硫廢水的處理極具挑戰(zhàn)[12]。

脫硫廢水傳統(tǒng)處理工藝采用加藥、混凝、澄清、調(diào)pH 處理，即通常說(shuō)的“三聯(lián)箱”處理工藝，通過該工藝處理后的脫硫廢水各項(xiàng)指標(biāo)低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)限值[13]。但廢水中含鹽量、硫酸根、硬度等仍非常高，在廠內(nèi)難以找到將其全部回用的場(chǎng)所。隨著國(guó)家與地方環(huán)保政策愈加嚴(yán)格，脫硫廢水作為終端廢水必須進(jìn)行深度處理，實(shí)現(xiàn)廢水零排放要求[14-17]。脫硫廢水零排放處理的難度非常大，主要有以下技術(shù)難點(diǎn)[18-20]：（1）廢水污染組分受煤種、脫硫系統(tǒng)用水水質(zhì)、排放周期等因素的影響，同一電廠因排放頻次變化、煤質(zhì)變化、用水水質(zhì)波動(dòng)，差別也很大；（2）脫硫廢水為間斷排放，造成水量波動(dòng)較大；（3）廢水硬度非常高，極易對(duì)后續(xù)的膜濃縮或蒸發(fā)系統(tǒng)造成結(jié)垢，加藥軟化運(yùn)行成本較高；（4）廢水中氯離子含量非常高，受脫硫塔運(yùn)行控制影響較大，氯離子容易造成處理系統(tǒng)腐蝕。

因此，除了傳統(tǒng)的“三聯(lián)箱”化學(xué)處理工藝，最終要實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放，還需進(jìn)行濃縮和固化。廢水濃縮過程通常有膜法濃縮和熱法濃縮。膜法濃縮工藝包括反滲透、電滲析和正滲透等方法。而熱法濃縮包括煙氣或蒸汽余熱閃蒸濃縮、晶種法MVR 降膜蒸發(fā)等[21-25]。蒸發(fā)固化方面，可以采用蒸汽熱源，也可采用煙氣熱流進(jìn)行煙道干燥?？傮w而言，目前主要的脫硫廢水固化工藝有四種：（1）低溫?zé)煹佬D(zhuǎn)霧化蒸發(fā)結(jié)晶[18]；（2）旁路煙氣噴霧蒸發(fā)結(jié)晶；（3）多效蒸發(fā)（MED）濃縮和高溫旁路煙氣蒸發(fā)結(jié)晶相結(jié)合；（4）低溫?zé)煔庥酂釢饪s和高溫?zé)煔馀月氛舭l(fā)結(jié)晶相結(jié)合的方法。在這個(gè)過程中涉及物料-能源-水平衡等綜合過程，三者之間的耦合規(guī)律是衡量脫硫廢水零排放技術(shù)“受益比代價(jià)”的重要指標(biāo)。此外，固化效果與系統(tǒng)集成與優(yōu)化密切相關(guān)，目前主要的研究方法是性能估算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試[26-30]，缺乏理論研究方法。

本文通過構(gòu)建整個(gè)燃煤電廠熱力系統(tǒng)虛擬仿真模型，綜合考慮了能量流、物料流、水平衡和燃燒、脫硫過程的化學(xué)反應(yīng)等。該模型能夠真實(shí)反映燃煤機(jī)組生產(chǎn)過程的水-能-物料耦合關(guān)系。通過計(jì)算，對(duì)比分析了三種不同脫硫工藝路線的優(yōu)劣。在此基礎(chǔ)上，提出了新的脫硫工藝并驗(yàn)證其有效性。相關(guān)研究可以為燃煤機(jī)組脫硫廢水零排放及深度節(jié)水提供理論分析及優(yōu)化方法。

1 燃煤電廠廠級(jí)尺度耦合模型

本文采用Aspen Plus 對(duì)燃煤電廠進(jìn)行廠級(jí)尺度的建模，構(gòu)建的模型包含四大系統(tǒng)，即鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、煙氣治理系統(tǒng)（選擇性催化反應(yīng)脫硝、靜電除塵、濕法脫硫）、脫硫廢水處理系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖1所示。鍋爐的爐膛由煤熱解反應(yīng)器、Gibbs 反應(yīng)器和分離器構(gòu)成。鍋側(cè)由空氣預(yù)熱器、省煤器、鍋爐水冷壁、過熱器和再熱器組成。其中，煤熱解反應(yīng)器將煤粉分解成C、H、O、N、S 等單質(zhì)，隨后進(jìn)入Gibbs 反應(yīng)器發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出熱量。熱量通過省煤器、鍋爐水冷壁、過熱器和再熱器傳給鍋爐給水加熱至高溫高壓蒸汽。高溫高壓蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)高壓缸系統(tǒng)、中壓缸系統(tǒng)和低壓缸系統(tǒng)。在高壓缸做完功后經(jīng)過高壓加熱器進(jìn)行回?zé)?，高壓缸設(shè)置2級(jí)抽汽，其排汽再熱后進(jìn)入中壓缸，中壓缸設(shè)置2 級(jí)抽汽；低壓缸共設(shè)置4 級(jí)抽汽。此外，選用物流分流模塊模擬抽汽分離過程，選用物流混合模塊模擬疏水逐級(jí)回流過程，選用換熱模塊模擬加熱器。模型參數(shù)采用600 MW 超臨界機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，表1 為模型模擬參數(shù)與實(shí)際電廠運(yùn)行參數(shù)的對(duì)比，與實(shí)際參數(shù)差異較小，說(shuō)明本文建立的廠級(jí)尺度熱力學(xué)模型具有可靠性。

圖1 燃煤機(jī)組廠級(jí)尺度熱力學(xué)耦合模型Fig.1 Plant-scale thermodynamic coupling model for coal units

表1 600 MW電廠模型驗(yàn)證Table 1 Validation of 600 MW power plant model

2 現(xiàn)有脫硫廢水工藝及“物料-能-水”耦合機(jī)制

本文采用上述模型計(jì)算對(duì)比現(xiàn)有幾種常見脫硫廢水的處理工藝過程的優(yōu)劣。目前常用的脫硫廢水方案如圖2所示，主要包括：

（1）低溫/旁路煙氣干燥技術(shù)

如圖2（a）所示，低溫/旁路煙氣蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)（旁路煙氣+干燥）是早期電廠普遍采用的脫硫廢水處理技術(shù)。該方法主要有幾種形式。一是直接在除塵器之前的煙氣管道，采用旋流噴灑的方式將脫硫廢水霧化。該技術(shù)利用霧化技術(shù)將脫硫廢水霧化成細(xì)小液滴，噴入空氣預(yù)熱器與除塵器之間的煙道，利用煙氣的余熱加熱廢水液滴使其蒸發(fā)，廢水蒸發(fā)后剩余的細(xì)小固體顆粒被煙氣帶走，被除塵器捕捉。二是在預(yù)熱器前旁路出管道，將脫硫廢水噴入旁路管道，加熱蒸發(fā)干燥，再進(jìn)入主煙氣管道與煙氣混合。三是加裝干燥塔，用旁路煙氣提供熱量。這類方法處理能力有限，不能滿足零排放需求。同時(shí)，脫硫廢水中的大顆粒物質(zhì)可能會(huì)造成雙流體霧化器噴嘴的堵塞與磨損，造成噴嘴霧化效果下降。此外，廢水水質(zhì)成分的變化可能對(duì)煙氣后續(xù)處理產(chǎn)生影響，而且受流場(chǎng)分布影響，部分脫硫廢水在完全蒸發(fā)前即已經(jīng)與煙道壁面接觸，導(dǎo)致煙道腐蝕穿孔、煙道結(jié)垢難清理等；在空氣預(yù)熱器前或除塵器前直噴廢水，均需要有足夠煙道長(zhǎng)度給予足夠的蒸發(fā)時(shí)間。因此，本工藝路線對(duì)主機(jī)運(yùn)行的安全性有較大影響。

圖2 脫硫廢水處理技術(shù)路線圖Fig.2 Desulfurization Wastewater Treatment Technology Roadmap

本文以600 MW 機(jī)組的旁路煙氣干燥塔工藝方案為例，脫硫廢水總量約為28 t·h-1，脫硫廢水的參數(shù)如表2所示，當(dāng)煙氣分流比率為0.06時(shí)，即主管道煙氣旁路出6%的煙氣用于干燥塔內(nèi)的廢水，廢水中水分含量從15.9 t·h-1降低至6.7 t·h-1，約有9 t·h-1的水分被蒸干，處理后的廢水中大部分為固體顆粒，被主煙氣管道煙氣帶走，被除塵器捕捉。

從表2 可以看出，脫硫廢水的干燥效果與煙氣的量密切相關(guān)，而該系統(tǒng)的旁路煙氣來(lái)自脫硝之后，一級(jí)省煤器之前。同時(shí)，旁路出煙氣后進(jìn)入空氣預(yù)熱器的煙氣量也減少，也會(huì)影響到進(jìn)入鍋爐內(nèi)的空氣的溫度，必然也會(huì)影響燃燒效率。圖3 展示不同旁路煙氣比例對(duì)廢水濃縮倍率（n）、機(jī)組發(fā)電量（P）以及多耗煤量的影響。從圖中可以看出，脫硫廢水的濃縮倍率隨著煙氣比例的增大呈先增大后減小的變化規(guī)律，其增大的原因是加熱量增大。但隨著煙氣量進(jìn)一步增大，煙氣中的水分進(jìn)入脫硫廢水中，造成“水”含量的增大。由于旁路高溫?zé)煔鉄o(wú)法加熱一級(jí)省煤器和空氣預(yù)熱器，因此該方案會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量的減小，在分流比為0.3 時(shí)，約有10 MW的發(fā)電功率損失，一級(jí)省煤器出口給水溫度下降3℃，總煤量增加約l t·h-1，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性稍有影響。根據(jù)上述“物料-水-能”耦合分析可知，該工藝具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：①抽取的煙氣溫度高，有利于廢水液滴快速蒸干；②出口煙氣溫度高，與除塵器入口煙溫相符，不會(huì)造成設(shè)備腐蝕；③旁路煙道系統(tǒng)簡(jiǎn)單，節(jié)省地面空間；④受電廠設(shè)備管道走向影響，空間狹小處無(wú)法實(shí)施該工藝；⑤進(jìn)入旁路的煙氣溫度不可調(diào)，只能跟隨負(fù)荷變動(dòng)，廢水調(diào)整量有限。

圖3 高溫?zé)煔夥至髁繉?duì)濃縮倍率和發(fā)電量的影響Fig.3 Effect of high temperature flue gas fractional flow rate on concentration multiplier and power production

表2 干燥塔進(jìn)出口物料Table 2 Drying tower inlet and outlet parameters

（2）低溫?zé)煔庥酂釢饪s+高溫旁路干燥技術(shù)

低溫?zé)煔庥酂釢饪s+高溫旁路干燥技術(shù)（濃縮塔+干燥）是目前在電廠中使用最為廣泛的一種方案，具體如圖2（b）所示，低溫濃縮高溫干燥工藝從脫硫塔出來(lái)的脫硫廢水與抽取的低溫?zé)煔庠诿摿蛩薪佑|換熱，這部分低溫?zé)煔庵饕獊?lái)自除塵器之后的煙氣，溫度大約為120～140℃，低溫?zé)煔庹舭l(fā)部分水分進(jìn)入煙氣中，實(shí)現(xiàn)了脫硫廢水的濃縮減量，濃縮后的廢水經(jīng)水泵進(jìn)入干燥塔，在干燥塔中與高溫?zé)煔饨佑|換熱，完成蒸發(fā)干燥，水分和生成的顆粒物一同進(jìn)入高溫?zé)煔?，被空氣夾帶進(jìn)入除塵器前煙道，被除塵器捕集，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放。濃縮過程的熱量主要來(lái)源于除塵器之后的煙氣，高溫干燥塔主要采用熱二次風(fēng)作為熱源，利用熱量將廢水蒸干。低溫濃縮高溫干燥工藝系統(tǒng)較為復(fù)雜，不僅占地面積大，而且涉及的設(shè)備多，需要建立獨(dú)立的控制系統(tǒng)。該工藝對(duì)于新建機(jī)組適用性高，由于利用了低溫?zé)煔庾鳛闈饪s熱源，減少了高溫?zé)煔獾氖褂昧?，因此能量消耗少，處理廢水能力強(qiáng)。本文構(gòu)建的濃縮干燥的模型如圖4所示。

圖4 低溫濃縮-高溫干燥模型Fig.4 Low temperature concentration-high temperature drying model

表3 為28.45 t·h-1脫硫廢水進(jìn)入濃縮塔和干燥塔之后廢水含量的變化。經(jīng)過濃縮塔之后水分含量從16.9 t·h-1降為5.87 t·h-1，大部分水分被濃縮塔蒸發(fā)。值得注意的是，濃縮塔的熱量來(lái)自除塵器之后的廢熱，因此充分提高了節(jié)能指標(biāo)。干燥塔出來(lái)的煙氣含水率極低，已經(jīng)完全固化。此時(shí)濃縮塔吸收熱量7.68 MW，干燥塔吸收熱量6.08 MW，大大減少了高溫?zé)煔獾南摹Ｓ糜诟稍锼母邷責(zé)煔饨?jīng)過省煤器和空氣預(yù)熱器能夠?qū)ο到y(tǒng)發(fā)電和省煤量有貢獻(xiàn)，減少這部分煙氣的消耗，對(duì)電廠節(jié)能有重要的意義。

1.1 品種選擇不同品種抗病性存在明顯差異，近年來(lái)推廣玉米品種抗病性差，發(fā)病趨重。一般雜交種比其親本自交系或一般品種較抗病;硬粒型玉米較抗病，馬齒型次之，甜玉米較感病;雌穗的苞葉厚、長(zhǎng)、緊密的較抗病，反之包不緊的較易感病。

表3 濃縮-干燥法進(jìn)出口物料變化Table 3 Concentration-drying method of import and export material changes

圖5 為濃縮塔不同的濃縮倍率下，干燥塔所需的高溫?zé)煔饬?，以及系統(tǒng)發(fā)電量和煤耗量的變化。全廠煤耗率b，是全廠發(fā)電過程中的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)之一，為火電廠所消耗的能量與輸出能量之比，單位為g·kW-1·h-1。b=B/P，B為全廠的煤耗量，在生產(chǎn)過程中基本保持不變；P為機(jī)組功率。當(dāng)排擠汽輪機(jī)抽汽后，多余的抽汽進(jìn)入汽輪機(jī)中做功，機(jī)組功率Pe增加。當(dāng)煤耗量B不變時(shí)，功率P越大，煤耗率b越小。從結(jié)果可以看出，濃縮塔的濃縮倍率越高，在達(dá)到相同的排放標(biāo)準(zhǔn)下，干燥塔所需的煙氣量越小。相應(yīng)的，系統(tǒng)的煤耗量也從311 g·kW-1·h-1降低至308 g·kW-1·h-1，煤耗降低了3 g·kW-1·h-1。相比于直接干燥的方案，如圖2（a），先濃縮后干燥的方案充分實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，低溫廢熱將脫硫廢水濃縮，高溫?zé)煔鈱?duì)濃縮液進(jìn)行干燥，充分提高了能量利用效率。

圖5 濃縮倍率對(duì)高溫?zé)煔夥至髁?、發(fā)電功率和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響Fig.5 Effect of concentration rates on high temperature flue gas fraction flow rate,power,and coal consumption

（3）多效蒸發(fā)（MED）濃縮+旁路煙氣干燥技術(shù)

多效蒸發(fā)（MED）濃縮+旁路煙氣干燥技術(shù)（MED+干燥）如圖2（c）所示，該方案是用多效蒸發(fā)技術(shù)代替方案（2）中的濃縮塔。方案（2）中濃縮塔的水分被加熱成蒸汽后從濃縮塔頂部與煙氣混合后排出，而干燥塔的水分也沒法回收，因此該系統(tǒng)造成了大量的水的浪費(fèi)。多效蒸發(fā)技術(shù)是將前效蒸發(fā)器的蒸汽作為后效的加熱介質(zhì)，利用二次蒸汽凝結(jié)放出的熱焓加熱蒸發(fā)器中的廢水，使廢水在流過各效蒸發(fā)器的過程中被不斷蒸發(fā)、濃縮，分成淡水和濃水。通常第一效需要消耗外部蒸汽或煙氣的熱量。多效蒸發(fā)技術(shù)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一方面通過外部熱源加熱蒸發(fā)廢水，處理水量不受機(jī)組負(fù)荷影響；另一方面熱源采用煙氣余熱時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用低。其缺點(diǎn)主要有：如選擇的工藝需避免結(jié)垢，需要適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，藥耗、電耗較高；若采用蒸汽作為蒸發(fā)熱源時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用高；有真空設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是回收下來(lái)的淡水水質(zhì)好，可以直接用于工藝水，例如脫硫塔補(bǔ)水等。

以本文某600 MW 機(jī)組為例，將方案（2）中的濃縮塔系統(tǒng)替換成圖6 的多效蒸發(fā)系統(tǒng)，其中首效入口水為系統(tǒng)脫硫廢水，首效熱量來(lái)源于其他熱源。實(shí)際生產(chǎn)中多采用三效，根據(jù)本文工況，三效的操作溫度分別為60、50、40℃。

圖6 用于脫硫廢水濃縮的多效蒸餾系統(tǒng)模型Fig.6 Model of multi-effect distillation system for desulfurization wastewater concentration

表4 為多效蒸餾進(jìn)出口物料變化，從結(jié)果可以看出，脫硫廢水經(jīng)過多效蒸餾之后，出口濃縮廢水中含水量很低，約有17 t·h-1的水被蒸餾出來(lái)，跟濃縮塔不一樣，多效蒸餾的這部分水水質(zhì)較好，經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后可直接用于脫硫塔工藝補(bǔ)水等生產(chǎn)過程。圖7對(duì)比了多效蒸發(fā)與濃縮塔在不同吸熱量的情況下的濃縮倍率。從圖中可看出，在相同吸熱量下，MED 的濃縮倍率比濃縮塔高，有更好的濃縮效果，表明多效蒸發(fā)的能源利用效率比濃縮工藝高。在本文研究中，采用三效蒸發(fā)的濃縮方法因?yàn)槭苁啄┬囟葮O限的限制，所構(gòu)建的三效系統(tǒng)最多能消納4 MW 的熱量，濃縮倍率極限是2.33，在這一極限下，MED 的濃縮能力受限，但其最大的優(yōu)勢(shì)是能得到可以直接利用的淡水。但該方案的缺點(diǎn)在于，目前多效蒸發(fā)的首效熱量一般來(lái)自汽輪機(jī)抽汽，這樣降低了汽輪機(jī)的做功量，使系統(tǒng)發(fā)電量降低。因此，需要解決這種工藝路線的熱源問題。

表4 多效蒸餾進(jìn)出口物料變化Table 4 Multi-effect distillation import and export material changes

圖7 低溫?zé)煔鉄崃繉?duì)不同濃縮方式的影響Fig.7 Effect of low temperature flue gas heat on different concentration methods

3 新型脫硫廢水零排放工藝及優(yōu)化

3.1 多效蒸發(fā)（MED）濃縮+熱泵+旁路煙氣干燥技術(shù)

針對(duì)上述脫硫廢水零排放工藝的不足，本文提出如圖8 所示的新型脫硫廢水零排放設(shè)計(jì)方案，多效蒸發(fā)（MED）濃縮+熱泵+旁路煙氣干燥技術(shù)（MED+熱泵+干燥）工作原理如下：從脫硫塔出來(lái)的脫硫廢水送入三效閃蒸系統(tǒng)進(jìn)行廢水的濃縮減量，多效閃蒸技術(shù)利用真空降低水的沸點(diǎn)，并多次利用蒸汽，降低能量消耗。首效蒸發(fā)器的熱量來(lái)源于吸收式熱泵，而作為冷源的廢水則蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽，作為下一效的加熱蒸汽，并在下次換熱后冷凝為淡水；吸收式熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器從除塵器與脫硫塔之間的乏汽余熱回收低品位熱量，產(chǎn)生冷劑蒸汽。運(yùn)行時(shí)溴化鋰稀溶液從溶液泵排出經(jīng)溶液熱交換器升溫后進(jìn)入發(fā)生器，噴淋在傳熱管表面,吸收驅(qū)動(dòng)熱源熱量產(chǎn)生蒸氣。發(fā)生器中濃溶液通過溶液熱交換器換熱后進(jìn)入吸收器濃度稀釋放熱，從而完成溴化鋰溶液循環(huán)。而從發(fā)生器蒸發(fā)的蒸氣流經(jīng)冷凝器加熱熱媒后流入蒸發(fā)器吸收低溫余熱，進(jìn)而回到吸收器稀釋溴化鋰溶液，從而完成水循環(huán)。吸收器和冷凝器中兩次放出的熱量都用來(lái)作為首效蒸發(fā)的熱源。經(jīng)過多效閃蒸器濃縮的脫硫廢水經(jīng)水泵送入干燥塔從上至下噴淋，干燥塔抽取部分來(lái)自空氣預(yù)熱器前的高溫?zé)煔鈴南轮辽吓c濃縮液直接接觸進(jìn)行熱交換，蒸發(fā)的水分和結(jié)晶物質(zhì)隨高溫?zé)煔庖煌M(jìn)入主煙氣，結(jié)晶物質(zhì)被除塵器吸收。該方案較傳統(tǒng)方案有如下優(yōu)點(diǎn)：多效蒸發(fā)器濃縮作用強(qiáng)，能夠大幅度減少進(jìn)入固化單元的水量，以減小固化系統(tǒng)的投資、運(yùn)行成本；引入吸收式熱泵，能夠利用除塵器后的煙氣余熱和閃蒸器末效的汽水混合物的熱量，解決了首效需要外來(lái)熱源輸入而引起的成本增加問題，旁路煙道系統(tǒng)的高溫?zé)煔饬繙p少，可以減少對(duì)主機(jī)運(yùn)行安全性的影響。

圖8 新型吸收式熱泵驅(qū)動(dòng)多效蒸餾濃縮干燥脫硫廢水處理工藝Fig.8 Absorption heat pump driven multi-effect distillation concentration drying desulfurization wastewater treatment process

3.2 方案對(duì)比

圖9 入口脫硫廢水預(yù)熱溫度對(duì)系統(tǒng)熱消耗的影響Fig.9 Effect of inlet desulfurization wastewater preheating temperature on system heat consumption

新方案的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能源消耗上。表5對(duì)比了三種脫硫廢水處理工藝與新型的固化效果和能耗。從表中可以看出，采用MED 方案能產(chǎn)生可以直接利用的凝結(jié)水，其中MED+干燥方案凝結(jié)水含量為7208.68 kg·h-1，而MED+熱泵+干燥的凝結(jié)水含量達(dá)13208.57 kg·h-1。在能耗方面，濃縮再干燥總能耗最大，但其中約一半來(lái)自低溫廢熱，因此節(jié)能效果顯著。旁路煙氣直噴固化消耗的高溫?zé)煔饬孔疃?。MED+干燥方案中，MED 的設(shè)計(jì)是跟濃縮干燥方案的濃縮塔達(dá)到相同的濃縮倍率，因此兩個(gè)方案的高溫?zé)煔鉄崃肯囊粯?。相比之下，MED 方案的總消耗熱量比濃縮塔少。但由于MED 一般采用抽汽加熱，沒有低溫廢熱有經(jīng)濟(jì)性。MED+熱泵+干燥塔所需的高溫?zé)煔饬孔钚。瑑H為旁路直噴式的1/5，為目前主流濃縮干燥方案的1/3，在回收水分的同時(shí)，極大降低高溫?zé)煔獾南牧浚瑫r(shí)兼具節(jié)水節(jié)能效果。

表5 四種工藝路線定量對(duì)比Table 5 Quantitative comparison of four process routes

4 結(jié) 論

濕法脫硫排出的廢水屬于火電廠最難處理的末端廢水之一，目前主流的處理方法是化學(xué)法調(diào)制后通過膜法或熱法進(jìn)行固化。本文分析了目前幾種常用熱法脫硫工藝的物料-水-能耦合機(jī)理，對(duì)比其優(yōu)劣，進(jìn)而提出綜合考慮物料-水-能關(guān)系的新型脫硫廢水工藝，主要結(jié)論如下：

（1）傳統(tǒng)脫硫廢水固化技術(shù)中，旁路煙氣干燥工藝對(duì)鍋爐效率和發(fā)電量影響較大，多效蒸發(fā)和高溫干燥次之，多效蒸發(fā)濃縮+熱泵+旁路煙道干燥的方案最節(jié)能，同時(shí)多效蒸餾方案還能回收部分凝結(jié)水，水質(zhì)可達(dá)到直接用于生產(chǎn)的程度。

（2）脫硫廢水熱法固化過程涉及物料-能-水相互影響和制約，本文的物料-能-水耦合廠級(jí)尺度模型能很好描述三者的相互關(guān)系，為新方案的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提供理論分析工具。

（3）本文提出的新型脫硫廢水方案引入吸收式熱泵，能夠利用除塵器后的煙氣余熱和閃蒸器末效的汽水混合物的熱量，解決了首效需要外來(lái)熱源輸入而引起的成本增加問題；同時(shí)通過預(yù)熱方式，利用低品位熱流在MED 首效前先給脫硫廢水預(yù)熱，可使多效蒸發(fā)器濃縮作用強(qiáng)，大幅度減少進(jìn)入固化單元的水量；該方案所需的高溫?zé)煔饬孔钚。瑑H為旁路直噴式的1/5，為目前主流濃縮干燥方案的1/3，在回收水分的同時(shí)，極大降低高溫?zé)煔獾南牧?，同時(shí)兼具節(jié)水節(jié)能效果，可以減少對(duì)主機(jī)運(yùn)行安全性的影響。