【技術(shù)匯】燃煤電廠脫硫廢水零排放技術(shù)研究進(jìn)展
燃煤發(fā)電會(huì)產(chǎn)生大量的含硫危害氣體，煙氣濕法脫硫工藝是燃煤電廠最常使用降低煙氣污染的技術(shù)，脫硫效果顯著，但濕法脫硫產(chǎn)生的廢水會(huì)造成二次污染，須要進(jìn)行特殊處理。從煙氣脫硫廢水的處理現(xiàn)狀入手，簡(jiǎn)述了脫硫廢水產(chǎn)生來(lái)源、水質(zhì)特點(diǎn)及其危害，重點(diǎn)介紹了基于蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)和煙氣余熱干化技術(shù)的脫硫廢水零排放工藝路線，分析了其核心技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，比對(duì)了其應(yīng)用效果，并從知識(shí)產(chǎn)權(quán)角度分析了零排放的技術(shù)主體，并展望了脫硫廢水零排放技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
燃煤發(fā)電仍是我國(guó)現(xiàn)階段最主要發(fā)電方式，煤在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含有大量二氧化硫的煙氣并對(duì)空氣造成污染，因此必須采用恰當(dāng)?shù)臒煔饷摿蚍绞健Ｎ覈?guó)大多數(shù)燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫，該法會(huì)產(chǎn)生含有高濃度的氯離子、硫酸根離子和重金屬離子的脫硫廢水。目前脫硫廢水多采用中和-化學(xué)沉淀-絮凝-澄清的傳統(tǒng)工藝處理，產(chǎn)出水質(zhì)不能滿足現(xiàn)今環(huán)保要求，具有硬度高、氯離子濃度高、腐蝕性強(qiáng)等缺點(diǎn)，難以處理、回收和利用，直接排放將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。隨著《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》和《火電廠污染防治技術(shù)政策》的頒布實(shí)施，對(duì)燃煤電廠節(jié)水與污染物排放提出了更加嚴(yán)格的要求，使得脫硫廢水零排放技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。
脫硫廢水零排放工藝路線繁多，其核心技術(shù)主要分為蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)和煙氣余熱干化技術(shù)。本文對(duì)燃煤電廠脫硫廢水的來(lái)源和水質(zhì)特點(diǎn)、脫硫廢水零排放工藝核心技術(shù)原理及其優(yōu)缺點(diǎn)和研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對(duì)下一步脫硫廢水零排放技術(shù)的研究方向進(jìn)行了展望。
1 燃煤電廠脫硫廢水的來(lái)源及特點(diǎn)
在燃煤電廠，煙氣污染物主要包括了二氧化硫、硫化物、氯化物、氟化物、重金屬離子和煙塵等，為了防止硫化物的污染，要對(duì)含硫煙氣進(jìn)行脫硫處理。按工藝特點(diǎn)目前主要可分濕法、半干法和干法3種煙氣脫硫技術(shù)，中國(guó)煙氣脫硫技術(shù)和其應(yīng)用比例如圖1所示，大部分燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝。濕法脫硫工藝為避免系統(tǒng)內(nèi)污染物富集，須排放一部分廢水以維持系統(tǒng)內(nèi)污染物濃度，這部分廢水主要含有大量懸浮物、過(guò)飽和的亞硫酸鹽、硫酸鹽以及重金屬等污染物。脫硫廢水水質(zhì)特點(diǎn)及其可能危害影響見(jiàn)表1。
圖1 中國(guó)煙氣脫硫技術(shù)與其應(yīng)用占比
表1 脫硫廢水水質(zhì)特點(diǎn)及可能危害影響
2 脫硫廢水零排放技術(shù)
目前燃煤電廠應(yīng)用最廣泛的脫硫廢水處理技術(shù)是“三聯(lián)箱”法，即化學(xué)混凝沉淀法，處理工藝流程見(jiàn)圖2。該工藝是較為成熟的脫硫廢水處理技術(shù)，但其化學(xué)藥劑用量大、出水水質(zhì)無(wú)法達(dá)到回用水要求，且污泥產(chǎn)生量大、難處理，使其無(wú)法滿足新形勢(shì)下脫硫廢水的處理要求。因此，脫硫廢水零排放理念自提出以來(lái)就受到了廣泛的重視，脫硫廢水深度處理新技術(shù)和新工藝被不斷研發(fā)和應(yīng)用。
脫硫廢水綜合處理利用，一般根據(jù)實(shí)際脫硫廢水水質(zhì)和水量情況，經(jīng)由預(yù)處理、濃縮減量、末端固化等多步驟形成一套完整的脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)。末端固化處理是其中的關(guān)鍵步驟，根據(jù)原理的不同現(xiàn)階段主要分為兩種思路:
1）蒸發(fā)結(jié)晶。即使脫硫廢水中的溶解鹽結(jié)晶析出，并對(duì)結(jié)晶鹽固體進(jìn)行單獨(dú)處理。
2）煙氣余熱干化。即利用鍋爐煙氣余熱干化脫硫廢水，并對(duì)干化產(chǎn)物進(jìn)行綜合利用。
蒸發(fā)結(jié)晶的原理是將經(jīng)預(yù)處理與濃縮后的脫硫廢水，利用煙氣、蒸汽或熱水等熱源進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽直接揮發(fā)或冷凝后回用，濃縮的污染物以結(jié)晶鹽析出，干燥后綜合利用或處置。煙氣余熱干化技術(shù)則是將脫硫廢水霧化后噴入煙道或旁路煙道中，經(jīng)過(guò)煙氣熱量加熱、蒸發(fā)，溶解性鹽結(jié)晶析出后隨煙氣一起經(jīng)過(guò)除塵除氣處理后進(jìn)入灰渣系統(tǒng)。蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)與煙氣余熱干化技術(shù)各自具有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，實(shí)際燃煤電廠脫硫廢水零排放技術(shù)選擇和工藝設(shè)計(jì)需要結(jié)合各電廠的實(shí)際情況制定。
圖2“三聯(lián)箱”處理工藝流程
2.1 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)
蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)是指利用蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備對(duì)脫硫廢水進(jìn)行深度處理繼而實(shí)現(xiàn)高純度結(jié)晶鹽和回收水的一種技術(shù)。當(dāng)前，最為主流的蒸發(fā)結(jié)晶工藝包括多效蒸發(fā)技術(shù)（MED）與蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)（MVR）。
2.1.1 多效蒸發(fā)技術(shù)
多效蒸發(fā)技術(shù)（MED）是將多個(gè)蒸發(fā)器裝置進(jìn)行串聯(lián)使用，每一個(gè)蒸發(fā)器視為一效，前一效為后一效提供加熱蒸汽，后一效作為前一效的冷凝器，以此類(lèi)推。多效蒸發(fā)工藝流程如圖3所示。
圖3 多效蒸發(fā)工藝流程
一般來(lái)說(shuō)，多效蒸發(fā)的效數(shù)在3～5范圍內(nèi)，這一過(guò)程蒸汽熱能得到多次循環(huán)利用，熱能利用效率高、操作彈性大，不足之處在于該工藝占地面積大、蒸汽消耗量大。廣東河源電廠采用四效立管強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了脫硫廢水的零排放；山東某電廠采用三效蒸發(fā)結(jié)晶法對(duì)脫硫廢水進(jìn)行深度處理。
2.1.2 蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)
蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)（MVR）是利用機(jī)械壓縮機(jī)對(duì)二次蒸汽進(jìn)行壓縮，使其溫度和壓力可以滿足作為蒸發(fā)器熱源的條件，從而再次對(duì)廢水進(jìn)行蒸發(fā)產(chǎn)生新的二次蒸汽，以此循環(huán)蒸發(fā)。蒸汽機(jī)械再壓縮工藝流程如圖4所示。
圖4 MVR工藝流程
蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)與多效蒸發(fā)技術(shù)相比，其系統(tǒng)換熱效率高、占地面積小，并且在運(yùn)行成本和能耗方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)。如國(guó)電漢川電廠與佛山三水恒益電廠就采用MVR技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放。佛山三水恒益電廠脫硫廢水處理系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖5。
圖5 佛山三水恒益電廠脫硫廢水處理系統(tǒng)工藝流程
2.2 煙氣余熱干化技術(shù)
煙氣余熱干化技術(shù)是將廢水通過(guò)噴嘴霧化方式進(jìn)入煙道，受高溫?zé)煔饪焖僬舭l(fā)汽化，其中各種固態(tài)小顆粒會(huì)通過(guò)煙氣靜電除塵系統(tǒng)進(jìn)入干灰中，既而完成脫硫廢水零排放處理。常見(jiàn)噴嘴霧化器包括雙流體霧化器與旋轉(zhuǎn)霧化器（圖6）。目前，煙氣余熱干化技術(shù)主要包括主煙道煙氣干化技術(shù)和旁路煙道煙氣干化技術(shù)。
圖6 雙流體霧化器（左圖）與旋轉(zhuǎn)霧化器（右圖）
2.2.1 主煙道煙氣干化技術(shù)
主煙道煙氣干化技術(shù)是指將脫硫廢水經(jīng)噴嘴霧化，直接噴入空氣預(yù)熱器和煙氣除塵器之間的煙道內(nèi)，在煙氣余熱作用下迅速干燥蒸發(fā)，廢水中的懸浮物和一些可溶性固體結(jié)晶形成細(xì)小固體顆粒，隨煙氣進(jìn)入除塵器中，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放。主煙道煙氣干化工藝流程如圖7所示。該技術(shù)設(shè)備操作簡(jiǎn)單，占地面積小，無(wú)須添加化學(xué)藥劑，運(yùn)行成本低，能夠提高煙氣濕度和電除塵器對(duì)煙氣的除塵效率，但在處理過(guò)程受煙氣溫度、煙道長(zhǎng)度等限制。目前主煙道煙氣干化技術(shù)在國(guó)外有著廣泛的應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用率不高，僅在內(nèi)蒙古上都電廠、焦作萬(wàn)方電廠和寧夏靈武電廠等開(kāi)展了工程應(yīng)用。
圖7 主煙道煙氣蒸發(fā)技術(shù)工藝流程
2.2.2 旁路煙道煙氣干化技術(shù)
旁路煙道煙氣干化技術(shù)與主煙道煙氣干化技術(shù)的基本原理相同，將脫硫廢水經(jīng)霧化噴射裝置霧化之后噴入新建的旁路煙道和蒸發(fā)器中，再?gòu)目諝忸A(yù)熱器引入高溫?zé)煔猓苯咏佑|霧化廢水進(jìn)行熱交換將廢水蒸發(fā)。蒸發(fā)后的水蒸氣進(jìn)入煙氣，懸浮物和可溶物的細(xì)小固體顆粒被除塵器去除，既而實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放處理。旁路煙道煙氣干化工藝流程如圖8所示。該技術(shù)自動(dòng)化程度高，設(shè)備簡(jiǎn)單，煙氣熱量利用率高，且旁路煙道系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立于主系統(tǒng)，對(duì)主系統(tǒng)影響較小，維修便利，與主煙道煙氣干化技術(shù)相比可有效避免煙道腐蝕、結(jié)垢與積灰風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，也存在占地面積大、投資成本高、影響鍋爐熱效率等不足之處。焦作萬(wàn)方電廠于空氣預(yù)熱器設(shè)置旁路煙道蒸發(fā)，雖從主系統(tǒng)抽取煙氣，鍋爐效率略有下降，但完全處理了全廠高鹽脫硫廢水；廣西北海某電廠采用旁路煙道煙氣干化對(duì)脫硫廢水進(jìn)行處理，利用300～350℃的高溫?zé)煔馀c霧化的脫硫廢水在旁路蒸發(fā)器內(nèi)充分混合蒸發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了脫硫廢水的零排放。
圖8 旁煙道煙氣蒸發(fā)技術(shù)工藝流程
3 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)與煙氣余熱干化技術(shù)優(yōu)劣對(duì)比
蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)和煙氣余熱干化技術(shù)作為燃煤電廠脫硫廢水零排放的主流核心技術(shù)，有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見(jiàn)表2。
表2 蒸發(fā)結(jié)晶與煙氣余熱干化技術(shù)對(duì)比表
4 脫硫廢水零排放技術(shù)的應(yīng)用研究
當(dāng)前零排放過(guò)程的幾種關(guān)鍵技術(shù)，蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)及利用煙氣余熱干化技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放。蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)成熟且穩(wěn)定，成本高，結(jié)晶混回收利用低；煙氣余熱干化技術(shù)利用煙氣余熱，能耗低，成本低，但目前仍在研究推廣階段。兩種技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性、適用性及改造過(guò)程中都存在不同程度的問(wèn)題。
脫硫廢水零排放技術(shù)路線須結(jié)合燃煤電廠的生產(chǎn)及廢水特點(diǎn)來(lái)選擇，采用多種工藝配套組合，形成一套高效、低成本的脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)。表3列舉了國(guó)內(nèi)燃煤電廠脫硫廢水零排放技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用與工藝路線。
表3 國(guó)內(nèi)燃煤電廠脫硫廢水零排放技術(shù)實(shí)際應(yīng)用與工藝路線
5 脫硫廢水零排放技術(shù)專利分析
結(jié)合技術(shù)、法律及經(jīng)濟(jì)3個(gè)指標(biāo)，通過(guò)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利分析系統(tǒng)對(duì)脫硫廢水零排放技術(shù)專利統(tǒng)計(jì)進(jìn)行了分析。隨著各國(guó)對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的日益重視，以及國(guó)內(nèi)外對(duì)脫硫廢水零排放相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新能力提升，其專利申請(qǐng)數(shù)量正在穩(wěn)步提升，其中中國(guó)申請(qǐng)專利占據(jù)專利總量的一半以上。國(guó)內(nèi)脫硫廢水零排放相關(guān)專利申請(qǐng)多集中在北京、江蘇、浙江、陜西和福建等省和直轄市，國(guó)外則主要是日本栗田工業(yè)與美國(guó)康藝公司專利申請(qǐng)占比較大。從專利類(lèi)型看，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的發(fā)明專利與實(shí)用新型專利占比大致均等，我國(guó)脫硫廢水處理技術(shù)大多以現(xiàn)有工廠實(shí)際存在的問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。從專利申請(qǐng)人看，在國(guó)內(nèi)脫硫廢水排放處理領(lǐng)域，企業(yè)是技術(shù)創(chuàng)新的主要力量，其中以中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司和大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司實(shí)力最為強(qiáng)勁，浙江省能源集團(tuán)有限公司近年來(lái)也緊隨其后加快技術(shù)研發(fā)，但大專院校和各科研機(jī)構(gòu)尚未成為該領(lǐng)域的創(chuàng)新主體。從專利技術(shù)構(gòu)成看，各零排放工藝都會(huì)先對(duì)脫硫廢水進(jìn)行濃縮減量處理，煙道干化技術(shù)與蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)結(jié)合副產(chǎn)物的資源化利用技術(shù)已成為專利的主要申請(qǐng)方向。
6 結(jié)論與展望
我國(guó)脫硫廢水零排放技術(shù)仍處于初步階段，零排放技術(shù)存在工藝不成熟、投資運(yùn)行成本大、適用性弱等不足，推廣應(yīng)用率不夠高。因此如何進(jìn)行技術(shù)革新，開(kāi)發(fā)高效益、低成本、適用范圍廣的脫硫廢水零排放新工藝，將是技術(shù)研究重點(diǎn)。
現(xiàn)存的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)具有操作彈性大、對(duì)水質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在預(yù)處理要求高、濃縮減量復(fù)雜、系統(tǒng)耗能高的缺點(diǎn)。在相關(guān)后續(xù)研究中應(yīng)著重考慮脫硫廢水預(yù)處理和濃縮減量的優(yōu)化技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型化學(xué)混凝劑，提高混凝處理效果，降低用量節(jié)約成本。現(xiàn)存煙道煙氣余熱干化技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、耗能低和對(duì)后續(xù)設(shè)備影響小等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)工藝設(shè)計(jì)要求較高且未處理終端固化產(chǎn)物，存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在相關(guān)后續(xù)研究中應(yīng)著重于煙道長(zhǎng)度及煙氣溫度、液滴粒徑和噴嘴布置等因素對(duì)廢水處理效果的影響，及優(yōu)化改善后續(xù)固化產(chǎn)物及低溫余熱的綜合利用模式。
最近一種新的脫硫廢水零排放技術(shù)被提出，該技術(shù)先利用納濾系統(tǒng)對(duì)脫硫廢水進(jìn)行初步濃縮，納濾產(chǎn)水經(jīng)由電滲析系統(tǒng)和蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)處理得高純度工業(yè)鹽，納濾濃水通過(guò)碟管式反滲透系統(tǒng)和煙氣蒸發(fā)系統(tǒng)深度處理。這種脫硫廢水雙路濃縮技術(shù)結(jié)合了蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)和煙氣余熱干化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有污染物去除徹底、系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定等特點(diǎn)，或許能為燃煤電廠脫硫廢水零排放技術(shù)的優(yōu)化提供新的思路。
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