低溫煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水工藝研究及工程應用

廖述新，朱文瑜，唐復全，鄭 偉，馬雙忱

(1.湖北能源集團鄂州發(fā)電有限公司，湖北 鄂州 430000；2.成都銳思環(huán)保技術(shù)股份有限公司，四川 成都 610000；3.華北電力大學(保定)，河北 保定 071003)

0 引 言

火電廠煙氣脫硫普遍采用石灰石-石膏濕法，會產(chǎn)生大量的脫硫廢水，且廢水中含有濃度超標的懸浮物、石膏顆粒、硫酸鹽、氯鹽等以及氟化物、COD、重金屬等[1-3]，排放脫硫廢水不進行回用會造成環(huán)境污染。2015年國務院頒布《水污染行動計劃》，2017年環(huán)保部發(fā)布《火電廠污染防治技術(shù)政策》，鼓勵火電廠實現(xiàn)廢水循環(huán)使用。隨著環(huán)保要求的提升，廢水零排放成為主要發(fā)展方向[4-5]。目前對脫硫廢水零排放處理技術(shù)的研究主要有：自然蒸發(fā)技術(shù)、蒸汽蒸發(fā)技術(shù)、膜技術(shù)、煙氣蒸發(fā)技術(shù)和煙氣余熱濃縮技術(shù)。

自然蒸發(fā)技術(shù)適用于干旱地區(qū)，受氣候及季節(jié)影響大，占地面積大、土建費用高[6]。以MED和MVR為代表的蒸汽蒸發(fā)技術(shù)，需要對廢水進行預處理，其成本高、能耗高、易結(jié)垢、流程復雜[7-8]。膜技術(shù)不僅投資和運行費用高，系統(tǒng)運行效果差，還需要與蒸汽蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合[9-11]。以高溫旁路煙氣蒸發(fā)為代表的煙氣蒸發(fā)技術(shù)由于抽取高品質(zhì)熱源，導致鍋爐效率降低，超過167 ℃時廢水中MgCl2分解，影響飛灰的品質(zhì)[12-13]。

低溫煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水技術(shù)克服了以往投資費用高、廢水需要預處理、能耗高、處理效果差等技術(shù)缺陷，采用低溫煙氣在濃縮塔內(nèi)濃縮實現(xiàn)零排放，無需對脫硫廢水進行預處理，流程簡單，無結(jié)垢風險。

目前研究多集中于對低溫煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水零排放技術(shù)的平衡計算和其濃縮過程中溶解鹽的成分及相變特點等基礎性研究，對其工藝條件及其適應性研究較少。為保證成功應用，筆者對該技術(shù)的工藝條件進行研究，并對其核心設備進行CFD模擬。

1 煙氣余熱濃縮工藝

煙氣余熱蒸發(fā)工藝是從除塵器后抽出一部分煙氣，用以蒸發(fā)脫硫廢水，煙氣中水蒸汽達到飽和后回到主煙道，與原煙氣混和后進入脫硫吸收塔。在濃縮塔內(nèi)廢水不斷蒸發(fā)，廢水中的溶解鹽濃度逐漸升高，達到飽和產(chǎn)生結(jié)晶，而后輸送到壓濾機脫水，濾液返回濃縮塔繼續(xù)蒸發(fā)，脫水后的固體廢物可進行利用或以適當方式填埋堆放。其工藝流程如圖1所示。

圖1 煙氣余熱蒸發(fā)廢水零排放工藝流程

2 低溫煙氣余熱工藝條件

2.1 主要工藝條件

低溫煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水零排放工藝的核心部分為煙氣與脫硫廢水發(fā)生傳質(zhì)與傳熱，實現(xiàn)脫硫廢水的不斷濃縮。其主要工藝參數(shù)為煙氣溫度、煙氣流量與蒸發(fā)水量，這3個工藝參數(shù)相互關(guān)聯(lián)。

煙氣進入濃縮塔系統(tǒng)的溫度為92～120 ℃，該溫度由鍋爐排煙系統(tǒng)決定，會影響煙氣的出塔溫度、流量和蒸發(fā)水量。當入塔煙氣溫度增加，流量不變或流量增大，入塔煙氣溫度不變時，均使得進入濃縮塔系統(tǒng)的熱量增多，蒸發(fā)水量增大，煙氣的出塔溫度也會發(fā)生變化。

根據(jù)以上參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，通過已有的低溫煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水零排放技術(shù)平衡計算方法研究，得到相關(guān)參數(shù)。考慮廢水蒸發(fā)過程中鹽濃度對飽和蒸汽壓的影響(沸點上升)，其相關(guān)方程見式(1)～(3)：

(1)

式中，q為系統(tǒng)出力，m3/h；t為時間，h；ρ(H2O)為水的密度，取1 000 kg/m3；WTS0為脫硫廢水全固質(zhì)量分數(shù)，%；MEvapor為濃縮塔蒸發(fā)量，kg/h；M2為除霧器沖洗水量，kg/h；M5為泥餅量，kg/h。

Q1=[MEvaporr+(M1+M2)Cp(H2O)ΔT1]/t，

(2)

式中，Q1為漿液吸熱量，kJ/h；r為水的蒸發(fā)潛熱，取2 338.56 kJ/kg；Cp(H2O)為水的比熱容，取4.2 kJ/(kg·K)；M1為處理前廢水的質(zhì)量流量，kg/h；Cp(H2O)為水的比熱容；ΔT1為廢水的溫差，K。

Q2=qCp·gΔT2，

(3)

式中，Q2為煙氣放熱量，kJ/h；q為煙氣流量，Nm3/h；Cp·g為煙氣比熱容，取1.373 kJ/(Nm3·K)；ΔT2為進出口煙氣溫差，K。

經(jīng)計算得到：以92 ℃煙氣溫度，處理10 m3/h廢水量；則煙氣出口溫度為53 ℃，所需煙氣的流量為52×104Nm3/h。

2.2 濃縮塔選型條件

根據(jù)以上煙氣和廢水的工藝條件，確定濃縮塔的有效高度、濃縮塔的塔徑以確保濃縮塔的性能。由于低溫煙氣余熱濃縮技術(shù)主要借鑒煙氣脫硫塔技術(shù)，濃縮塔的部分結(jié)構(gòu)與尺寸可借鑒脫硫噴淋塔的設計規(guī)定。

2.2.1濃縮塔的塔徑

煙氣流量一定時，煙氣流速決定了濃縮塔的尺寸：

VS=900πD2u0，

(4)

式中，VS為煙氣的體積流量，m3/h；D為濃縮塔的直徑，m；u0為進塔煙氣的流速,m/s。

煙氣流速小，濃縮塔所需的尺寸就越大；增大煙氣流速可以加強氣液兩相截面間湍流，減緩液滴下降速度，利于傳質(zhì)；煙氣流速過大又會降低煙氣與液滴的接觸時間，導致塔效率降低，夾帶液滴量增大，塔內(nèi)壓降增加[14]。通常逆流式噴淋塔的煙氣流速在3.0～4.5 m/s；在DL/T 5196—2016《火力發(fā)電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設計規(guī)程》規(guī)定中指出：含有除霧器的吸收塔的煙氣流速不宜超過3.8 m/s[15]。當煙氣流速超過3.8 m/s時，易導致通過除霧器時二次帶水，除霧效果變差；煙氣流速低于3 m/s時，設備投資增大。因此濃縮塔的煙氣流速為3.5 m/s。

2.2.2濃縮塔的有效高度

dhvap=vrdt，

(5)

(6)

(7)

Qr=Cp,mn0ΔT3+Δnqr，

(8)

ΔnM=Δm，

(9)

(10)

(11)

液滴在塔內(nèi)的停留時間與濃縮塔塔高、液滴運動速度、煙氣流速和蒸發(fā)速率有關(guān)。液滴運動速度在濃縮塔內(nèi)不斷變化，從噴嘴噴出后的速度最大，隨著煙氣的蒸發(fā)和煙氣的阻力作用，速度逐漸變小；液滴運動速度的變化影響液滴的停留時間。

煙氣流速為3.5 m/s，忽略浮力作用，曳力系數(shù)為Cd=0.772，噴出時液滴的初始速度為25 m/s，初始液滴粒徑為2 mm，煙氣的熱傳導系數(shù)為0.031 3 W/(m·K)，煙氣傳熱溫差75 ℃，汽化潛熱為2 366 kJ/kg時，液滴的停留時間為0.76 s。設計的濃縮塔蒸發(fā)區(qū)高度為5.8 m。

3 濃縮塔模擬

根據(jù)以上確定的濃縮塔設計參數(shù)，設計低溫煙氣蒸發(fā)量為10 m3/h時脫硫廢水濃縮塔，并對其進行模擬。通過物料和能量平衡計算以及濃縮過程中沸點上升(濃縮液飽和蒸氣壓降低)情況，確定煙氣入塔參數(shù)、濃縮塔尺寸及噴嘴布置(表1)；借助計算流體動力學(CFD)軟件對濃縮塔的性能加以分析論證，確保成功應用。

3.1 模擬方法

濃縮塔內(nèi)煙氣與漿液的流動是典型的氣液兩相流。單位體積內(nèi)液相體積分數(shù)占比小，塔內(nèi)流場模擬基于歐拉—拉格朗日方法，將氣相視作連續(xù)相采用歐拉法處理，液滴視作離散相采用拉格朗日法處理，并考慮連續(xù)相與離散相間的雙相耦合[16]。液滴軌跡及傳熱過程利用Fluent中的DPM模擬計算，即將離散相運動方程分成2部分：顆粒間相互碰撞的作用力方程和流體對每個顆粒的作用力方程。

計算中，漿液池液面視為靜止液面，以漿液池液面為0 m，進行流場模擬的高度標注。

3.2 模型構(gòu)建設計

模型計算中采用的設計參數(shù)見表1。

近些年的相關(guān)研究均表明了聲源定位的準確性和抗干擾性是聲源定位的重點難點,另外,如若能夠?qū)⑾到y(tǒng)集成在嵌入式平臺亦將會大大增加其使用的便攜性[7]。因此本文改進了傳統(tǒng)的廣義互相關(guān)算法,設計了基于線性預測殘差的廣義互相關(guān)算法,以增強系統(tǒng)的準確性和抗噪性,并設計了基于TMS320DM368的嵌入式聲源定位系統(tǒng)。

表1 流場模擬設計參數(shù)

模型構(gòu)件設計就是對模型進行網(wǎng)格劃分，模型各部分形狀較為規(guī)整，除少部分區(qū)域(如方圓節(jié)、擋水檐等部分)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格外，大部分區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)目約100萬。在模型中對除霧器進行簡化，采用多孔介質(zhì)模型模擬。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1濃縮塔內(nèi)流場和溫度場分布模擬計算結(jié)果

從濃縮塔截面流線圖(圖2)中可以看出，煙氣進入濃縮塔后，流動方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在煙氣上升過程中，噴淋層和噴嘴合理布置可對塔內(nèi)煙氣流動起到很好的整流作用。

圖2 濃縮塔截面流線

從速度分布圖(圖3)可以看出，煙氣進入濃縮塔后，整體流速下降較快，入口兩側(cè)流速較低，高速射流形成的低壓區(qū)會導致在濃縮塔兩側(cè)以及靶區(qū)形成較明顯的渦流。煙氣在上升過程中，煙道入口遠端的氣流速度較大；在濃縮塔出口，煙氣流速局部增加。整體來看，煙氣流場變化均勻。

圖3 濃縮塔截面速度分布

圖3還展示了沿濃縮塔的高度方向上，煙氣速度分布變化。煙氣入口上方(6 500 mm高度處)至第1層噴淋層前(7 500 mm高度處)，整體煙氣流動向煙道入口遠端偏移；經(jīng)過2層噴淋層后(11 000 mm 高度處)，截面上煙氣速度大小趨于一致，且速度方向為豎直向上。沿濃縮塔的高度方向上，煙氣流動均勻，證明了設計濃縮塔的有效高度與煙氣流速合理。

從濃縮塔煙氣溫度分布圖(圖4)可以看出，濃縮塔內(nèi)的煙氣溫度由下到上降低。整個濃縮塔的煙氣溫度分布較為均勻，尤其在出口處最為均勻，變異系數(shù)CV值小于1%。

圖4 濃縮塔截面溫度分布

3.3.2濃縮塔內(nèi)液滴濃度計算結(jié)果

從2層噴淋層下方液滴濃度分布圖5所示，可以清晰地看到塔內(nèi)設有上下2層噴淋層，第1層噴淋層其液滴濃度分布不太均勻，但經(jīng)過第2層噴淋使得液滴在塔內(nèi)的濃度分布變得均勻。

圖5 濃縮塔截面液滴濃度分布

由圖5可知，在濃縮塔上部截面的液滴濃度分布均勻，液滴與煙氣接觸充分，有利于液滴的蒸發(fā)。

通過CFD軟件對濃縮塔的流場模擬，證明所確定的煙氣流速、濃縮塔的有效高度、噴嘴型式、尺寸、布置方式以及設計的2層噴淋層合理，能夠?qū)崿F(xiàn)煙氣與廢水在濃縮塔內(nèi)均勻分布，保證濃縮效率。

4 工程化應用

以濃縮塔模擬為依據(jù)，設計并建造了鄂州發(fā)電有限公司低溫煙氣蒸發(fā)脫硫廢水零排放工程并實現(xiàn)了濃縮塔的工程化應用。

4.1 鄂州電廠脫硫廢水零排放項目情況

項目上建設了2臺機組脫硫廢水零排放裝置，設計出力為處理廢水20 m3/h；其濃縮塔參數(shù)見表2。

表2 鄂州電廠三期脫硫廢水零排放濃縮塔參數(shù)(單塔)

4.2 脫硫廢水裝置開車運行及驗收情況

鄂州電廠三期低溫煙氣蒸發(fā)脫硫廢水零排放裝置已經(jīng)開車運行，在運行過程中對蒸發(fā)效果通過脫硫廢水的濃縮倍率(裝置運行到不同階段的廢水離子濃度與原脫硫廢水的離子濃度之比)來表示。濃縮塔的運行穩(wěn)定還需要通過濃縮塔的煙氣溫度來論證。濃縮塔的漿液離子當量濃度變化情況如圖6所示，濃縮塔的煙氣溫度和壓力見表3。

圖6 濃縮塔漿液離子濃度變化

由圖6可知，當濃縮時間小于204 h時，各離子當量濃度總體上隨系統(tǒng)運行時間的增加而升高。在此期間，系統(tǒng)補水、除霧器沖洗、結(jié)晶鹽析出、煙氣擋板開度的調(diào)整等運行操作，會使離子當量濃度呈小幅波動。隨著水的不斷蒸發(fā)，濃縮液中鹽的濃度達到飽和溶解度后結(jié)晶析出。濃縮倍率以Cl-的當量濃度計，從其開始時的0.35到運行350 h時達到5.25，濃縮倍率N為：N=5.25/0.35=15。

從表3可知，廢水的蒸發(fā)量與煙氣的進塔溫度和煙氣流量有關(guān)，煙氣將熱量傳遞給廢水，廢水受熱蒸發(fā)。當煙氣進塔溫度由98 ℃提高到117.5 ℃時，煙氣入塔溫度增加了近20 ℃，但出塔溫度沒有同比例增加，僅增加了4.5 ℃；說明濃縮塔保溫狀況良好，根據(jù)熱量平衡可知，煙氣溫度升高，所攜帶的熱能增加，熱量傳遞給廢水，廢水吸熱后蒸發(fā)量顯著增加了38%，由原來的11.74 m3/h增加到了16.24 m3/h；蒸發(fā)的水蒸氣進入煙氣，說明濃縮塔具有很好的傳熱和傳質(zhì)效果。結(jié)合圖6濃縮效果曲線可知，在煙氣溫度98 ℃時，設計的濃縮塔能夠達到蒸發(fā)濃縮的要求(處理能力10 m3/h)。

表3 試運行期間煙氣參數(shù)及廢水處理量

目前該系統(tǒng)在鄂州電廠已經(jīng)平穩(wěn)運行，整套裝置運行過程實現(xiàn)了DCS的自動控制，只在壓濾卸泥環(huán)節(jié)需要人工監(jiān)護，設備狀態(tài)良好，各項指標達到設計要求。目前該系統(tǒng)煙氣流入塔流量為44×104Nm3/h，運行情況如圖7所示。

圖7 鄂州電廠脫硫廢水零排放系統(tǒng)穩(wěn)定運行情況

由圖7可知，進出脫硫廢水零排放裝置的煙氣溫度約為100 ℃和60 ℃，脫硫廢水的處理量為12 m3/h；系統(tǒng)運行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大波動。

5 結(jié) 論

1)通過對工藝研究，以煙氣92 ℃，廢水10 m3/h處理量的情況下所需煙氣流量為52×104Nm3/h。

2)通過對濃縮塔的選型研究，確定了煙氣流速為3.5 m/s，濃縮塔蒸發(fā)區(qū)高度為5.8 m，濃縮塔內(nèi)設置2層噴淋層，每層噴淋層為空心錐形大流量的碳化硅噴嘴。

3)濃縮塔內(nèi)流場分布計算結(jié)果證實：濃縮塔內(nèi)煙氣流場變化均勻，速度分布均勻，溫度分布均勻，濃縮塔內(nèi)液滴顆粒濃度分布均勻；證明了濃縮塔煙氣流速、濃縮塔蒸發(fā)高度以及2層噴淋層和噴嘴間距等設計合理，能夠保證煙氣與液滴的高效的傳質(zhì)與傳熱。

4)低溫煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水在鄂州電廠三期已經(jīng)成功應用并平穩(wěn)運行，濃縮液中鹽濃度達到飽和并結(jié)晶析出，其濃縮倍數(shù)達到了15倍；同時該濃縮塔的運行效率高、技術(shù)先進，可實現(xiàn)脫硫廢水零排放。