高鹽廢水調(diào)質(zhì)后在余熱煙氣中的蒸發(fā)應(yīng)用
文章作者: 宏森環(huán)保
脫硫廢水作為燃煤電廠終端的高鹽廢水，利用余熱煙氣蒸發(fā)工藝是實(shí)現(xiàn)高鹽廢水零排放的技術(shù)路線之一。通過摻配化學(xué)工業(yè)品來獲得穩(wěn)定特性的高鹽廢水，并進(jìn)行pH值調(diào)質(zhì)，對比研究調(diào)質(zhì)后的高鹽廢水對后續(xù)煙風(fēng)系統(tǒng)的溫降、氯鹽分配、SO3脫除率及酸露點(diǎn)、結(jié)垢的運(yùn)行特性等，從而獲得最優(yōu)的廢水調(diào)質(zhì)方案。
我國廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求日益嚴(yán)格，尤其是2015年4月頒布的制《污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡稱“水十條”)，更是將水環(huán)境保護(hù)上升到了國家戰(zhàn)略層面?；痣娮鳛橛盟⑴潘髴?，用水量占工業(yè)總量的20%，從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和保護(hù)環(huán)境出發(fā)，節(jié)約發(fā)電用水、提高循環(huán)水的重復(fù)利用率、生產(chǎn)廢水梯級利用，對實(shí)現(xiàn)火電廠廢水“零排放”意義重大。
在廢水零排放背景下，循環(huán)排污水、電廠化學(xué)中水等普遍作為濕法脫硫工藝水匯集到吸收塔，吸收塔漿液處于不斷蒸發(fā)濃縮的狀態(tài)，為了保證脫硫系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，需要維持漿液中Cl-和非結(jié)晶雜質(zhì)顆粒濃度的平衡，脫硫系統(tǒng)應(yīng)連續(xù)排放一定量的廢水。因此脫硫廢水作為燃煤電廠的終端廢水，大量有害物質(zhì)在其中富集，pH值為4一6，含鹽量和懸浮物均達(dá)到數(shù)萬mg/L，是典型的高鹽廢水，其中很多物質(zhì)為國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格要求控制的第一類污染物，水質(zhì)極為惡劣。因此脫硫廢水“零排放”也成為燃煤電廠廢水“零排放”的最終環(huán)節(jié)。
余熱煙氣蒸發(fā)技術(shù)路線說明：
火電廠對濕法脫硫后的廢水常采用中和、沉淀、絮凝、濃縮與澄清的傳統(tǒng)三聯(lián)箱化學(xué)處理方法，但廢水中的Cl-仍無法去除。高濃度Cl-具有很強(qiáng)的腐蝕作用，處理后的廢水無法進(jìn)入系統(tǒng)回用，一般都用于撈渣機(jī)沖渣或者灰場煤場噴灑等，處理過程粗放，嚴(yán)重影響廠區(qū)及周邊地下水水質(zhì)。
利用鍋爐尾部煙氣余熱對脫硫廢水進(jìn)行噴霧蒸發(fā)處理，廢水中微米級的溶解鹽顆粒和灰塵一起懸浮在煙氣中并隨煙氣進(jìn)入電除塵器中被電極捕捉，隨灰外排。廢水轉(zhuǎn)化成蒸汽提高了脫硫系統(tǒng)入口的煙氣含水量，節(jié)約了脫硫系統(tǒng)工藝的水耗量，實(shí)現(xiàn)了脫硫廢水的零排放，符合環(huán)保要求。脫硫廢水余熱煙氣蒸發(fā)工藝為粗放型處理工藝，其技術(shù)核心在于霧化噴嘴，本次研究選用氣液兩相流霧化噴嘴，采用壓縮空氣輔助霧化，其噴射粒徑可達(dá)到60 μm，噴射角為20℃一30℃，噴射方向與煙氣流向呈90℃。余熱煙氣蒸發(fā)系統(tǒng)布置在機(jī)組空預(yù)器之后、除塵器之前4個(gè)水平直煙道的1個(gè)煙道中，噴槍安裝斷面距離除塵器入口>15m。為了保證合理的霧化蒸發(fā)，噴嘴按照網(wǎng)格法要求布置，可保證霧化后的脫硫廢水均勻分布在煙道斷面。具體的工藝流程見圖1。
（圖1余熱煙氣蒸發(fā)工藝流程）
廢水概況說明
1.脫硫廢水水質(zhì)
從表1可以看出:處理后的脫硫廢水可保證pH值、懸浮物和COD物質(zhì)符合現(xiàn)有的排放標(biāo)準(zhǔn)。其硬度主要由鈣、鎂的氯化物(CaCl2, MgCl2)、硫酸鹽( CaSO4 , MgSO4 )等非碳酸鹽硬度組成，以碳酸氫鹽和碳酸鹽存在的碳酸鹽硬度相對較少。脫硫廢水的總含鹽量為3. 36% 。
（表1試驗(yàn)機(jī)組的脫硫廢水水質(zhì)）
高鹽廢水預(yù)處置
據(jù)文獻(xiàn)中記載，余熱煙氣蒸發(fā)系統(tǒng)對廢水硬度有嚴(yán)格要求，硬度過高，一方面易在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部形成鈣鎂垢，影響噴嘴霧化效果;另一方面 易在后續(xù)煙風(fēng)系統(tǒng)與煙氣接觸的設(shè)備表面形成硫酸鹽結(jié)晶垢，影響煙風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效率。為了保證余熱煙氣蒸發(fā)工藝的噴霧系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，本次試驗(yàn)均使用NaCl，Na2SO4 , NaOH等配制低硬度廢水，即軟化后的廢水，來模擬試驗(yàn)機(jī)組脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定廢水水質(zhì)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析其在余熱煙氣中的蒸發(fā)特性。參考表1的脫硫廢水水質(zhì)，將離子濃度進(jìn)行相應(yīng)的微調(diào)實(shí)現(xiàn)其陰陽離子平衡見表2。
（表2陰陽離子平衡對照表）
廢水的摻配均以Cl-和SO42-的物質(zhì)的量進(jìn)行計(jì)算，陽離子全部以Na+代替，得出NaCl的添加劑量為32994mg/L, Na2SO4、的添加量為2982 mg/L，溶解鹽的總量為3. 60%。試驗(yàn)過程使用NaOH對廢水進(jìn)行pH值調(diào)質(zhì)。
廢水調(diào)質(zhì)對蒸發(fā)特性的影響
將表2中的摻配廢水分別調(diào)配成NaOH濃度，對應(yīng)的pH值見表3。
表3 NaOH添加量對應(yīng)表
本次中試對應(yīng)機(jī)組的裝機(jī)容量為600MW，試驗(yàn)煙道可處理廢水流量為600一1500 L/h。試驗(yàn)研究期間，機(jī)組平均負(fù)荷為360 MW，對應(yīng)的煙氣量為39. 95 x 104 m3 /h(標(biāo)況，干基，O2 6% )，工況下煙氣的平均流速為11.5 m/s，4種高鹽廢水的平均流量控制在634 L/h，對應(yīng)壓力為0. 45 MPa，壓縮空氣流量約為180 m3/h，對應(yīng)壓力為0. 45 MPa。關(guān)于廢水調(diào)質(zhì)對蒸發(fā)特性的影響，首先應(yīng)掌握Cl-分配和煙氣溫降的基本規(guī)律，然后從長期穩(wěn)定運(yùn)行角度出發(fā)，深入探索廢水調(diào)質(zhì)對SO3去除效率和酸露點(diǎn)的影響，同時(shí)定性分析煙道內(nèi)結(jié)垢特性的變化。
氯離子分配
高鹽廢水余熱煙氣蒸發(fā)是將廢水充分氣化后，殘余的溶解鹽附著在飛灰表面一起被除塵器捕集，從而達(dá)到氯鹽從煙風(fēng)系統(tǒng)分離的目的。因此氯鹽在后續(xù)煙風(fēng)系統(tǒng)的分配，是考核此工藝路線可行性的最關(guān)鍵因素。通過監(jiān)測噴霧系統(tǒng)前后煙氣和飛灰中的Cl-濃度，同時(shí)段采集除塵器電場的灰樣，監(jiān)測其Cl-濃度，最終得出氯鹽在后續(xù)煙風(fēng)系統(tǒng)的分配比例。煙氣攜帶的氯鹽又回到脫硫系統(tǒng)，造成了吸收塔漿液內(nèi)Cl-快速濃縮，如果氯鹽在飛灰中的含量占比越大，說明此工藝路線的可行性越高。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。
（圖2氯鹽在煙風(fēng)系統(tǒng)中的分配平衡）
由圖2可知:
高鹽廢水的調(diào)質(zhì)，對氯鹽的分配比例無明顯影響?？杀O(jiān)測到Cl-的分配情況為:煙氣攜帶量約為9%，除塵器第一電場粉塵攜帶量約為28 %，除塵器第二、三、四電場灰樣中的Cl-攜帶量約為35 %。因部分氯鹽隨煙氣流動(dòng)過程中會(huì)豁附在煙道流通區(qū)域迎風(fēng)設(shè)備表面、或隨著大顆粒飛灰沉積在煙道底部，使得氯鹽的監(jiān)測總量低于100 %，良好的噴嘴選型和霧化效果可以降低此類現(xiàn)象的產(chǎn)生。據(jù)監(jiān)測計(jì)算，氯鹽被煙氣攜帶的量約為12.5 %，其余都隨著除灰系統(tǒng)排出煙風(fēng)系統(tǒng)。
煙氣溫降
高鹽廢水余熱煙氣蒸發(fā)對煙氣物理參數(shù)最直接的影響是溫降，在煙道內(nèi)霧化后的液滴經(jīng)歷沸騰、氣化、氣化升溫直至與鍋爐煙氣等溫。從比熱容計(jì)算熱能的公式來看:
相對于純水的物化特性來說，隨著廢水中含鹽量的增加，單位體積廢水的比熱容和氣化潛熱均有提高(見圖3)。試驗(yàn)測試表明:因調(diào)質(zhì)后的高鹽廢水總?cè)芙恹}含量控制相對穩(wěn)定，機(jī)組相同的運(yùn)行工況下，煙氣的平均溫降為8. 2℃。
（圖3調(diào)質(zhì)高鹽廢水對煙氣的溫降）
SO3的脫除及酸露點(diǎn)
隨著煙氣溫度的降低首先發(fā)生凝結(jié)的是硫酸蒸汽，從煙氣成分來看，酸露點(diǎn)的最主要影響因素是SO3和水蒸氣的分壓力，酸露點(diǎn)的計(jì)算可通過OkkesAG公式計(jì)算得出:
從式(1)可以看出 ：無論是含水量的增加還是SO3濃度的增加，均會(huì)提高煙氣酸露點(diǎn)的溫度，對后續(xù)煙風(fēng)系統(tǒng)存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。高鹽廢水余熱煙氣蒸發(fā)在對煙氣中SO3濃度有一定脫除效率的同時(shí)，也提升了后續(xù)煙氣的含水量，合理的鍋爐煙氣溫度范圍可保證噴霧系統(tǒng)后續(xù)煙氣酸露點(diǎn)溫度低于煙氣溫度。高鹽廢水的調(diào)質(zhì)主要是探索其對煙氣中SO3濃度的脫除特性，以確定最優(yōu)pH值運(yùn)行范圍，確保后續(xù)設(shè)備的安全運(yùn)行。
試驗(yàn)結(jié)果見圖4和表4。
圖4調(diào)質(zhì)高鹽廢水對煙氣中SO3的脫除特性
表4調(diào)質(zhì)高鹽廢水對酸露點(diǎn)的影響
試驗(yàn)測試表明:
調(diào)質(zhì)后的高鹽廢水對SO3的脫除效率有明顯變化，尤其是在廢水pH值10. 5左右達(dá)到峰值，噴霧系統(tǒng)后煙氣溫度與酸露點(diǎn)溫度間隔范圍擴(kuò)大。較低的SO3脫除率縮小了噴霧系統(tǒng)后煙氣溫度與酸露點(diǎn)溫度的間隔范圍，甚至形成反差。為了保證后續(xù)煙風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，須確保噴霧系統(tǒng)入口的煙氣溫度不低于130℃，噴霧系統(tǒng)前后溫降在10℃以內(nèi)。
結(jié)垢特性
據(jù)文獻(xiàn)中記載，高鹽廢水余熱煙氣蒸發(fā)主要分為兩個(gè)階段:等速蒸發(fā)和降速蒸發(fā)。等速蒸發(fā)是霧化后的高鹽液滴隨著水分子的不斷蒸發(fā)，液滴逐漸收縮，溶解鹽顆粒的間距也隨之縮小;降速蒸發(fā)是溶解鹽顆粒聚集在一起后在液滴表面形成一層硬殼，水分子的自然蒸發(fā)被限制，剩余水分子通過擴(kuò)散作用到達(dá)液滴表面。實(shí)際的蒸發(fā)過程中，由于煙氣攜帶飛灰流動(dòng)，影響了噴嘴的霧化效果和擴(kuò)散角度，霧化后的高鹽液滴與飛灰顆?；砀皆谝黄穑瓿傻人僬舭l(fā)和降速蒸發(fā)的過程。如果高鹽廢水霧化與飛灰顆粒豁附在一起后，較大顆粒在流動(dòng)過程中需要更長的煙道距離才能保證水分子被充分氣化，若更大顆粒在流動(dòng)過程中水分子無法氣化，受自身重力原因沉積在煙道底部，造成煙道積灰現(xiàn)象。
在噴霧系統(tǒng)后有效位置安裝觀察桿進(jìn)行結(jié)垢現(xiàn)象監(jiān)測，未進(jìn)行pH值調(diào)整的高鹽廢水，垢樣外觀顏色偏深，垢質(zhì)堅(jiān)硬，垢層切面有明顯的結(jié)晶狀態(tài)，即為摻雜了部分飛灰的結(jié)晶垢。結(jié)晶垢的產(chǎn)生說明流經(jīng)此位置的高鹽液滴未完成等速蒸發(fā)階段，即附著在觀察桿上，然后在觀察桿上完成降速蒸發(fā)階段。隨著廢水pH值的提高結(jié)垢特性由結(jié)晶垢逐漸轉(zhuǎn)化為堆積垢，在廢水pH值提高至10. 61時(shí)，垢樣外觀顏色與飛灰顏色接近，垢質(zhì)松軟，為明顯的飛灰堆積，說明流經(jīng)此位置的高鹽液滴己全部完成水分子的氣化過程。隨著廢水pH值的進(jìn)一步提高，垢樣的外觀顏色偏白，但垢質(zhì)堅(jiān)硬，為高豁性的堆積垢。高鹽廢水中的NaOH濃度提高到一定程度時(shí)，由于NaOH自身的吸濕性，其降速蒸發(fā)過程會(huì)變得更加緩慢。
本次工程應(yīng)用實(shí)踐表明:通過廢水調(diào)質(zhì)對蒸發(fā)特性的影響，確定了高鹽廢水對后續(xù)煙風(fēng)系統(tǒng)的影響程度和高鹽廢水的良好調(diào)質(zhì)效果;在確保安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，量化了脫硫廢水余熱煙氣蒸發(fā)工藝的運(yùn)行參數(shù)，并且為同類型的脫硫廢水煙道噴霧蒸發(fā)系統(tǒng)提供良好的運(yùn)行思路:
1) 較理想的噴霧系統(tǒng)進(jìn)水條件是ρ(NaOH)為0. 01 mol/L的軟化高鹽廢水，pH值約為10.5。
2) 為了確保后續(xù)煙風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，噴霧系統(tǒng)入口溫度不低于130℃，噴霧系統(tǒng)前后煙氣溫降在10℃以內(nèi)。
圖5調(diào)質(zhì)高鹽廢水在煙風(fēng)系統(tǒng)中的結(jié)垢特性
3) 在良好的霧化效果下保證高鹽廢水快速充分氣化，最終實(shí)現(xiàn)水和溶解鹽的分離，降低煙風(fēng)系統(tǒng)后續(xù)設(shè)備的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。
