劉 敏， 劉平元， 趙 亮

(1. 青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西寧發(fā)電分公司，西寧 810008；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

燃煤電廠石灰石-石膏濕法脫硫產(chǎn)生的廢水具有含鹽量高、硬度高、污染物成分復(fù)雜等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的脫硫廢水處理工藝是通過“三聯(lián)箱”化學(xué)沉淀法降低重金屬含量，以達(dá)到DL/T 997—2006 《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質(zhì)控制指標(biāo)》要求后排放。但由于達(dá)標(biāo)后的廢水中仍含有大量的氯化物和硫酸鹽，出水含鹽量和硬度仍很高，很難重復(fù)利用，外排后會引起地表水及土壤生態(tài)的破壞。脫硫廢水零排放是指“電廠不向地面水域排出或滲出任何形式的水，所有離開電廠的水都是以濕氣的形式或是固化在灰或渣中”[1]。

脫硫廢水零排放一般分為預(yù)處理、濃縮與固化三個工藝段。預(yù)處理工藝段主要去除懸浮物、降低硬度，濃縮工藝段減少進(jìn)入固化階段的廢水量，固化工藝段可以實現(xiàn)鹽的結(jié)晶過程。濃縮主要有膜法濃縮與熱法濃縮。膜法濃縮一般是通過原液加壓后流過膜的表面，膜表面的細(xì)小微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過成為透過液，而原液中大于膜表面微孔的物質(zhì)則被截留在進(jìn)液側(cè)成為濃縮液，從而實現(xiàn)對原液的濃縮。熱法濃縮是通過熱能將廢水升溫產(chǎn)生相變，廢水中的水變成蒸汽后離開液面后實現(xiàn)廢水濃縮。

多效蒸發(fā)器多以蒸汽為熱源，加熱一效廢水產(chǎn)生的蒸汽作為二效的熱源再次利用，重復(fù)此過程將形成一個多效蒸發(fā)系統(tǒng)，最后一效蒸汽通過冷凝器冷凝。廢水通過多效蒸發(fā)后分成了濃縮廢水與潔凈冷凝水。多效蒸發(fā)器多次利用了熱能，提高了能源的利用率，是一種較理想的脫硫廢水濃縮工藝。

熱法濃縮對于進(jìn)水水質(zhì)要求相對低。一方面，這意味著熱法濃縮可以較好地適應(yīng)脫硫廢水水質(zhì)、水量變化且成分復(fù)雜的特點(diǎn)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，較好的水質(zhì)適應(yīng)性使得濃縮模塊的前置預(yù)處理模塊加藥量減少。另外，一般熱法濃縮的淡水回收率高于膜法濃縮且水質(zhì)遠(yuǎn)高于膜法濃縮。

利用多效蒸發(fā)器提高廢水濃縮時熱源的利用率，改善傳熱條件，從而降低蒸發(fā)單元的能耗在食品[2-3]和化工[4]行業(yè)、海水淡化[5]方面得到廣泛應(yīng)用。多效蒸發(fā)濃縮工藝具有能源利用率高、傳熱效率高、水質(zhì)波動適應(yīng)性強(qiáng)、淡水回收率高的特點(diǎn)，可以減少脫硫廢水濃縮運(yùn)行成本，是極具發(fā)展前途的脫硫廢水濃縮技術(shù)。而在電力行業(yè)利用多效蒸發(fā)器濃縮廢水尚處于探索階段。

Aspen Plus軟件是一款通用的大型流程模擬軟件，具有完備的物性系統(tǒng)與豐富的設(shè)備模塊，適用于對生產(chǎn)裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。筆者將Aspen Plus軟件應(yīng)用于脫硫廢水濃縮過程的模擬，利用某電廠2臺660 MW機(jī)組配套脫硫廢水的四效蒸發(fā)器生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證，建模數(shù)據(jù)可以為實際工程設(shè)計與調(diào)整運(yùn)行參數(shù)提供參考依據(jù)。

1 工藝流程及設(shè)計條件

1.1 工藝流程

案例項目采用四效蒸發(fā)器對脫硫廢水進(jìn)行濃縮，其工藝流程見圖1。

圖1 脫硫廢水四效蒸發(fā)濃縮工藝流程

廢水流程為：經(jīng)過預(yù)處理的脫硫廢水經(jīng)過三級預(yù)熱后進(jìn)入一效加熱器，預(yù)熱熱源分別由末效二次蒸汽、二次冷凝水與一次冷凝水提供；預(yù)熱后的物料分別經(jīng)過一效至四效蒸發(fā)后逐級濃縮；生蒸汽由一效加入，每效包括加熱器與分離器，物料與生蒸汽或者上級過來的二次蒸汽在加熱器中換熱，然后進(jìn)入分離器閃蒸，形成的二次蒸汽進(jìn)入下一效，部分物料通過循環(huán)泵再次進(jìn)入到加熱器中加熱；最后濃縮后廢水由出料泵送至濃縮水水池。蒸汽及冷凝水流程為：生蒸汽送入一效加熱器的殼程，一次冷凝水回收；一效分離器生成的二次蒸汽去下一效作為下一效的熱源；二效、三效、四效的冷凝水匯集至冷凝水罐；最后一效的二次蒸汽通過冷凝器冷凝成液態(tài)水匯流至二次冷凝水罐。

1.2 模型輸入條件

根據(jù)該電廠的實際運(yùn)行條件，設(shè)定模型的輸入條件見表1。

表1 模型輸入條件

2 多效蒸發(fā)濃縮模型

2.1 定義組分

該電廠進(jìn)入四效蒸發(fā)器的脫硫廢水已經(jīng)過預(yù)處理，采用石灰、芒硝、純堿三級軟化和重力沉降、管式膜錯流過濾兩級固液分離的預(yù)處理技術(shù)，芒硝和純堿聯(lián)合除鈣降低了預(yù)處理的運(yùn)行成本，兩級固液分離支持了不同成分污泥的分離與資源化利用。

預(yù)處理后的水質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 案例電廠水質(zhì)參數(shù)

表3 進(jìn)入四效蒸發(fā)器的水質(zhì)組分定義

2.2 物性方法

物性方法的選取關(guān)系到模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，預(yù)處理后的脫硫廢水屬于低硬度、高含鹽量的水體系。筆者采用物性方法Elecnrtl模擬廢水的無機(jī)電解質(zhì)體系。

模型系統(tǒng)中有循環(huán)回路流、循環(huán)撕裂流等，必須進(jìn)行迭代計算直至收斂，筆者采用Wegstein 收斂方法建立模型[6-8]。

2.3 模型假設(shè)

結(jié)合工程經(jīng)驗及相關(guān)文獻(xiàn)，在建模時進(jìn)行了如下假設(shè)：(1)系統(tǒng)運(yùn)行時無散熱及物料損失；(2)分離器的除霧器完全除霧，二次蒸汽無物料液滴攜帶現(xiàn)象；(3)不考慮靜壓效應(yīng)帶來的廢水沸點(diǎn)變化；(4)不考慮整個蒸發(fā)系統(tǒng)的壓降；(5)系統(tǒng)處于完全穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。

2.4 模型建立

根據(jù)圖1脫硫廢水四效蒸發(fā)器濃縮流程與特點(diǎn)，定義組分，選擇物性方法，搭建計算模塊，系統(tǒng)流程中各單元功能對應(yīng)的模塊見表4。

表4 各單元功能對應(yīng)模塊

由于建模時每效的分離器可以設(shè)定蒸發(fā)溫度或蒸發(fā)壓力，系統(tǒng)會自動進(jìn)行平衡，所以用來抽取不凝性氣體的真空泵在建模過程中不單獨(dú)使用模塊建模。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 模擬計算

根據(jù)圖1、表1、表3與表4，建立圖2所示的脫硫廢水四效蒸發(fā)濃縮模型，加熱器的熱量通過Heater模塊的熱量流傳遞到分離器Flash2模塊，設(shè)定Flash2模塊的蒸發(fā)溫度及絕熱飽和狀態(tài)。按照表1的輸入條件，調(diào)整撕裂流的初始設(shè)定值后，運(yùn)行模型的模擬計算，經(jīng)過數(shù)次迭代計算后收斂，系統(tǒng)無報錯，輸出結(jié)果。設(shè)定輸出結(jié)果的顯示類型及單位后，所有物流的狀態(tài)可直觀讀取。

PH01、PH02、PH03—一號預(yù)熱器、二號預(yù)熱器、三號預(yù)熱器；W01、W02、W03、W04—一效加熱器、二效加熱器、三效加熱器、四效加熱器；F01、F02、F03、F04—一效分離器、二效分離器、三效分離器、四效分離器；CONDENSER—冷凝器；P01、P06—進(jìn)料泵、二次冷凝水泵。

圖2 脫硫廢水四效蒸發(fā)濃縮模型

3.2 模型的驗證

收集該電廠實際生產(chǎn)時額定工況的穩(wěn)定運(yùn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)與Aspen Plus軟件建模計算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證模型建立的準(zhǔn)確性，對比數(shù)據(jù)見表5。

表5 模擬計算結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比

由表5可知：筆者建立的脫硫廢水多效蒸發(fā)濃縮模型的模擬計算結(jié)果與電廠的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠較好地吻合，說明模擬選用物性方法、單元模塊組合、熱力學(xué)方法是正確和可靠的，模型的假設(shè)是合理的。關(guān)鍵參數(shù)的計算結(jié)果與實際運(yùn)行數(shù)據(jù)的最大相對誤差為-4.96%，在工程模擬的可接受范圍內(nèi)。

3.3 模型的計算

根據(jù)建立的模型，設(shè)定其他參數(shù)不變，考察進(jìn)料負(fù)荷率(進(jìn)料質(zhì)量流量與額定工況進(jìn)料質(zhì)量流量的比)分別為110%、100%、80%與60%時，在相同的額定濃縮比條件下，運(yùn)行模型計算得到的結(jié)果見表6。

表6 進(jìn)料負(fù)荷率變化時的模型計算數(shù)據(jù)

由表6可知：在工程運(yùn)行操作中，設(shè)定額定濃縮比，調(diào)整進(jìn)口蒸汽質(zhì)量流量即可近線性調(diào)整系統(tǒng)出力。

3.4 結(jié)果分析

在不考慮實際運(yùn)行數(shù)據(jù)的測量誤差的情況下，模擬模型計算的最大相對誤差為生蒸汽質(zhì)量流量的相對誤差(-4.96%)。在多效蒸發(fā)器的設(shè)計中，熱損失一般考慮可取2%～4%[9]。該電廠所處地域為嚴(yán)寒區(qū)域，且實測數(shù)據(jù)為冬季運(yùn)行的測試值，雖系統(tǒng)重要設(shè)備與管道采取了完善的保溫措施，但仍有大量的散熱損失。因此，生蒸汽質(zhì)量流量的相對誤差較大的原因可能是該模型未考慮系統(tǒng)的散熱損失。設(shè)計中應(yīng)盡可能減少系統(tǒng)的散熱損失、提高熱利用系數(shù)；另外，模型沒有考慮真空泵抽氣所造成的排汽能量損失。

模擬計算出一效至四效的運(yùn)行壓力都偏高，說明在相同的蒸發(fā)溫度下，模擬工況下所需要的負(fù)壓較小。這主要是因為模擬基于簡單的組分定義，造成了系統(tǒng)實際運(yùn)行的沸點(diǎn)高于模擬計算值而造成系統(tǒng)誤差[7]；但是，該部分對模擬結(jié)果的影響較小，假設(shè)合理，不會影響工程應(yīng)用。

二次冷凝水出系統(tǒng)時溫度仍有56.6 ℃，存在一定的降溫區(qū)間，通過利用這部分熱量可以保證冬季運(yùn)行時脫硫廢水進(jìn)料溫度低的情況下仍可以按照設(shè)計參數(shù)運(yùn)行。但應(yīng)開展經(jīng)濟(jì)性與可靠性分析，一方面脫硫廢水存在著結(jié)垢傾向，換熱面越多，結(jié)垢堵塞的可能性越大，另一方面為減輕廢水對換熱面的腐蝕，換熱面多采用昂貴金屬材質(zhì)，因此要考慮回收熱量造成的設(shè)備投資成本的增加。

4 結(jié)語

(1) 筆者基于某電廠脫硫廢水四效蒸發(fā)濃縮過程建立了Aspen Plus模型，通過HeaterX、Heater、Flash2、Mixer和Fsplit等模塊搭建的模型能夠進(jìn)行廢水多效蒸發(fā)濃縮的數(shù)值模擬。將模擬結(jié)果與實際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明筆者建立的模型可行，計算結(jié)果準(zhǔn)確，可以指導(dǎo)工程設(shè)計優(yōu)化與生產(chǎn)運(yùn)行。

(2) 通過模型的建立，下一步可開展多工況的模擬仿真，以及研究一效蒸汽溫度、廢水進(jìn)口溫度、末效蒸汽溫度等參數(shù)的變化對濃縮效果的影響，并對這些影響參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，為生產(chǎn)過程的變工況運(yùn)行及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

致謝：

感謝浙江大學(xué)樊宏韜博士對筆者建模提供的幫助及其實驗室提供Aspen Plus軟件支持。