吳志勇

(中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

0 引言

目前常用的脫硫廢水處理方法有反滲透濃縮法和晶種法。反滲透濃縮法需對(duì)反滲透進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理，包括濁度、結(jié)垢物質(zhì)、化學(xué)需氧量(COD)等，系統(tǒng)較為復(fù)雜;回收水水質(zhì)不如晶種法，且廢水不能完全回收，需要向周邊環(huán)境或污水收集體系中排放大量污水，如排入現(xiàn)有污水收集系統(tǒng)，將增加后續(xù)污水處理的難度和費(fèi)用。晶種法對(duì)于一般行業(yè)或常規(guī)水系統(tǒng)中鈣離子、硫酸根離子含量較低的廢水處理效果較好，清理周期尚可接受，但已過(guò)飽和的脫硫廢水在進(jìn)入預(yù)熱器時(shí)會(huì)因溫升很快而結(jié)垢，一旦結(jié)垢，清洗會(huì)非常困難，影響設(shè)備的運(yùn)行和使用壽命。

本文研究的廢水蒸發(fā)濃縮工藝是將待處理廢水先輸入預(yù)處理軟化系統(tǒng)進(jìn)行軟化處理，然后進(jìn)入機(jī)械式蒸汽再壓縮(MVR)系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮后進(jìn)入蒸發(fā)器循環(huán)利用，濃縮液進(jìn)入三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，結(jié)晶后產(chǎn)生的二次蒸汽循環(huán)回用于蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，結(jié)晶后的濃縮液和晶體顆粒進(jìn)行固液離心分離，分離后的母液返回原液池或繼續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶，分離后的結(jié)晶體進(jìn)入離心干燥包裝系統(tǒng)進(jìn)行稱(chēng)量包裝。該工藝系統(tǒng)低碳環(huán)保，物料可得到循環(huán)利用，熱效率高、能耗低、節(jié)省能源，大大降低了運(yùn)行成本;溫差小、不易結(jié)垢和腐蝕，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)。

1 脫硫廢水水質(zhì)分析

脫硫廢水含有的雜質(zhì)主要為固體懸浮物、過(guò)飽和亞硫酸鹽、硫酸鹽、氯化物以及微量重金屬，其中很多物質(zhì)為國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中要求嚴(yán)格控制的第1類(lèi)污染物。由于燃煤中的各種元素在爐膛內(nèi)高溫條件下進(jìn)行一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成了多種化合物，一部分化合物隨爐渣排出爐膛，另一部分隨煙氣進(jìn)入脫硫裝置吸收塔，溶解于吸收漿液并在吸收漿液循環(huán)系統(tǒng)中不斷濃縮，最終導(dǎo)致脫硫廢水中的雜質(zhì)含量很高。脫硫廢水蒸干系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 脫硫廢水蒸干系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

續(xù)表

2 脫硫廢水處理的工藝流程

在將廢水蒸餾前，先對(duì)廢水進(jìn)行軟件處理，盡量除去水中的易結(jié)垢離子Ca2+，Mg2+或SO42－，降低廢水蒸餾過(guò)程中易結(jié)垢的傾向，然后進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，最后將結(jié)晶進(jìn)行離心干燥和包裝。具體工藝流程框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工藝流程框架結(jié)構(gòu)

3 預(yù)處理軟化系統(tǒng)

待處理廢水先進(jìn)入預(yù)處理軟化系統(tǒng)，用芒硝－石灰－煙道氣法進(jìn)行軟化處理，除去易結(jié)垢陽(yáng)離子。預(yù)處理軟化系統(tǒng)的進(jìn)、出口水質(zhì)見(jiàn)表2。

第1步:加入石灰乳、芒硝，離心分離后得到溶解液和無(wú)水芒硝;根據(jù)啟動(dòng)后系統(tǒng)的運(yùn)行需求，將pH值調(diào)節(jié)到12．8左右;匯流石膏顆粒物以降低石膏的過(guò)飽和狀態(tài)。

第2步:在第1步處理后的廢水中引入脫硫后的煙道氣，利用煙道氣中CO2與廢水中的氫氧化鈉反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，徹底除去鈣離子;控制pH值為10．5～11．5，防止通入的CO2過(guò)量使產(chǎn)生的CaCO3又和H2CO3反應(yīng)生成Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2會(huì)溶解于廢水而達(dá)不到徹底除去鈣離子的目的;使用陶瓷膜進(jìn)行過(guò)濾，通過(guò)膜分離除去碳酸鈣沉淀，過(guò)濾后軟水中懸浮物(SS)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．001‰。

表2 預(yù)處理軟化系統(tǒng)的進(jìn)、出口水質(zhì)

經(jīng)過(guò)軟化處理后，廢水中鈣離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．005‰，鎂離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．001‰，懸浮物(SS)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．001‰，進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)廢水的主要成分為氯化鈉和硫酸鈉的混合鹽，可基本杜絕系統(tǒng)在蒸發(fā)濃縮結(jié)晶過(guò)程中結(jié)垢，確保系統(tǒng)清洗周期大于10個(gè)月。

4 蒸發(fā)－結(jié)晶系統(tǒng)

蒸發(fā)階段采用MVR系統(tǒng)，結(jié)晶階段采用三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)(蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)及水量見(jiàn)表3)，進(jìn)入MVR調(diào)節(jié)罐的軟化水再加入阻垢劑，進(jìn)一步防止軟性脫硫鹽水在換熱管內(nèi)結(jié)垢，在調(diào)節(jié)罐內(nèi)有足夠的停留時(shí)間以保證混合液在調(diào)節(jié)罐里充分混合反應(yīng)，然后通過(guò)除氧器分離二氧化碳和其他不凝氣，以保證換熱器里充滿(mǎn)蒸汽來(lái)進(jìn)行換熱，提高設(shè)備的換熱效率。

表3 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)及水量

MVR系統(tǒng)蒸發(fā)了80%的水，該蒸發(fā)系統(tǒng)換熱面積大，換熱效率高，能耗低，且蒸發(fā)器采用立式設(shè)計(jì)，占地面積較小。結(jié)晶階段采用三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶器進(jìn)行再蒸發(fā)及結(jié)晶，可最大限度地節(jié)能并滿(mǎn)足MVR蒸發(fā)系統(tǒng)對(duì)溫升的嚴(yán)格要求，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行;三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶工藝還可實(shí)現(xiàn)硫酸鈉和氯化鈉的分別結(jié)晶分離，生成的硫酸鈉可在預(yù)處理系統(tǒng)中重復(fù)利用;同時(shí)，氯化鈉的純度也得到提高，即使不進(jìn)行結(jié)晶也可把濃縮的鹵水作為化工原料進(jìn)行銷(xiāo)售，有利于提高副產(chǎn)品的附加值。

工藝選擇:根據(jù)軟性脫硫鹽水含鹽沸點(diǎn)升高數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)以及軟性脫硫鹽水蒸發(fā)試驗(yàn)沸點(diǎn)升高數(shù)據(jù)(見(jiàn)表5)確定工藝。

由表4、表5可知，在軟性脫硫鹽水溶液蒸發(fā)濃縮到7倍時(shí)，其沸點(diǎn)升高在3℃以?xún)?nèi)。為了降低設(shè)備成本和運(yùn)行成本，整套蒸發(fā)濃縮設(shè)備采用1套MVR離心壓縮機(jī)蒸發(fā)器和1套三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器串聯(lián)使用。

表4 NaCl和Na2 SO4單獨(dú)溶液標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)升高情況

表5 軟化后脫硫鹽水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)沸點(diǎn)升高情況

在軟性脫硫鹽水中鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23．0%以前，其沸點(diǎn)升高在3℃以?xún)?nèi)，采用MVR離心壓縮機(jī)降膜蒸發(fā)器來(lái)蒸發(fā)，其蒸發(fā)能耗為20(kW·h)/t，其蒸發(fā)溫度為90℃，二次蒸汽壓縮后的溫度為98℃。為了降低能耗，在降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)時(shí)采用了2個(gè)流程，每個(gè)流程的蒸發(fā)量見(jiàn)表6。

表6 MVR離心蒸發(fā)器蒸發(fā)量

降膜蒸發(fā)器具有換熱效率高、蒸發(fā)量大以及黏度較大的料液容易流動(dòng)蒸發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

在三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器里，溫度為120℃的鮮蒸汽從一效強(qiáng)制循環(huán)換熱器進(jìn)入，物料采用混流進(jìn)料方式從二效強(qiáng)制循環(huán)換熱器進(jìn)入，每效的參數(shù)見(jiàn)表7～表9。

表7 三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器蒸發(fā)量

表8 三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器每效蒸發(fā)后無(wú)機(jī)鹽含量(理論值)

Na2SO4的溶解度隨著溫度的升高而降低，NaCl的溶解度隨著溫度的升高基本保持不變。物料從二效強(qiáng)制循環(huán)換熱器進(jìn)入并經(jīng)蒸發(fā)后，NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19．0%。由表9可知，在80℃時(shí)，NaCl還沒(méi)有達(dá)到結(jié)晶濃度，所以在第2效里NaCl和Na2SO4處于共存狀態(tài);通過(guò)第1效蒸發(fā)后，NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28．0%，Na2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19．3%。在溫度為100℃ 時(shí)，如果NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)28．0%，Na2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近 0，所以，在第 1效時(shí)Na2SO4能夠全部結(jié)晶，達(dá)到了分離Na2SO4和NaCl的目的;通過(guò)第3效蒸發(fā)后，達(dá)到了NaCl的結(jié)晶濃度，從而分離出較為純凈的NaCl。

表9 NaCl和Na2 SO4在水中的互溶度

5 離心干燥包裝系統(tǒng)

采用了制鹽行業(yè)的離心、干燥和包裝工藝:離心機(jī)+流化床干燥機(jī)+自動(dòng)包裝機(jī)，離心機(jī)脫水后結(jié)晶鹽含水率小于5．0%，經(jīng)流化床干燥后結(jié)晶鹽含水率小于0．5%。經(jīng)離心機(jī)分離后物料的含水量約為5．0%，落到皮帶輸送帶上后被送至干燥進(jìn)料斗?？諝饨?jīng)蒸汽換熱器加熱后進(jìn)入干燥機(jī)，進(jìn)風(fēng)溫度為140～150℃。濕物料送至加料機(jī)(變頻控制)中，均勻加入流化床第1室中(帶機(jī)械耙散裝置，防止物料結(jié)塊)與熱空氣充分接觸，使物料快速升溫，初步干燥。經(jīng)過(guò)第1室后，物料達(dá)到松散狀態(tài)，保證了流化質(zhì)量并最終達(dá)到干燥要求，干燥后的結(jié)晶鹽被提升到儲(chǔ)料倉(cāng)儲(chǔ)存。該工藝流程簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度較高。

6 廢水蒸發(fā)濃縮工藝的優(yōu)點(diǎn)

(1)低碳環(huán)保。利用煙道氣中的CO2和水中的鈣離子反應(yīng)生成難溶解的碳酸鈣沉淀，達(dá)到除鈣軟化目的并減排二氧化碳。

(2)物料循環(huán)。結(jié)晶產(chǎn)生的硫酸鈉可作為預(yù)處理原料重復(fù)使用;結(jié)晶的工業(yè)氯化鈉純度大于98%，可作為化工原料得到再利用;MVR系統(tǒng)蒸發(fā)冷凝水含鹽量小于0．02‰，簡(jiǎn)單處理后可作為鍋爐補(bǔ)給水。

(3)節(jié)能。蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)采用MVR系統(tǒng)，通過(guò)使用負(fù)壓降膜一效兩體大蒸發(fā)面積的蒸發(fā)器，最大限度地節(jié)能降耗，蒸發(fā)1 t水的能耗約是傳統(tǒng)三效蒸發(fā)能耗的1/5，運(yùn)行成本大大降低。

(4)不結(jié)垢，低腐蝕。由于采用軟化預(yù)處理和阻垢劑防結(jié)垢，可基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不結(jié)垢;MVR系統(tǒng)的針對(duì)性設(shè)計(jì)可保證較小蒸發(fā)溫差和較高的安全性，同時(shí)材質(zhì)的保證和三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)的使用也極大地降低了設(shè)備的腐蝕，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

(5)經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，使得此系統(tǒng)具有高安全性和可靠性。

(6)系統(tǒng)布局合理，便于檢修操作。

(7)自動(dòng)化程度高，基本實(shí)現(xiàn)全過(guò)程無(wú)人值守。

7 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)采用預(yù)處理軟化+機(jī)械蒸汽再壓縮循環(huán)蒸發(fā)+三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶+離心干燥包裝工藝對(duì)廢水進(jìn)行軟化、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥包裝后，無(wú)需向地面水域排放廢水，廢水最終以蒸汽的形式排出，或以污泥等形式封閉、填埋處理，可實(shí)現(xiàn)廢水零排放;該工藝系統(tǒng)低碳環(huán)保，物料可得到循環(huán)利用，熱效率高，能耗低，節(jié)省能源，大大降低了運(yùn)行成本;溫差小，不易腐蝕管路和結(jié)垢，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)。

［1］中國(guó)華電集團(tuán)公司．火力發(fā)電廠節(jié)能評(píng)價(jià)體系［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2007．

［2］陽(yáng)憲惠．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1999．

［3］楊慶柏．現(xiàn)場(chǎng)總線儀表［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005．

［4］韓買(mǎi)良，沈明忠．火力發(fā)電廠水處理與節(jié)水技術(shù)及工程實(shí)例［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

［5］2000年燃煤示范電廠總平面布置——寧夏石嘴山電廠4×330MW工程［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2007(S1):88－92．

［6］吳沖，陶愛(ài)平．火電廠石灰石－石膏濕法煙氣脫硫廢水排放量的計(jì)算［J］．華電技術(shù)，2010，32(9):5 －6．

［7］李新法，王祖濤．石灰石－石膏煙氣濕法脫硫廢水處理方式優(yōu)化［J］．華電技術(shù)，2011，33(5):70 －73．

［8］呂新鋒．石灰石－石膏濕法煙氣脫硫廢水處理技術(shù)［J］．華電技術(shù)，2010，32(8):70 －72．

［9］高原，陳智勝．新型脫硫廢水零排放處理方案［J］．華電技術(shù)，2008，30(4):73 －75．