1、燃煤電廠(chǎng)末端廢水特性及零排放工藝研究

1.1 末端廢水水質(zhì)特點(diǎn)及處理難點(diǎn)

燃煤電廠(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢水，主要包括經(jīng)常性廢水和非經(jīng)常性廢水。此外，燃煤電廠(chǎng)工業(yè)廢水零排放過(guò)程還涉及末端廢水。末端廢水是指燃煤電廠(chǎng)工業(yè)廢水經(jīng)過(guò)分類(lèi)收集、處理及濃縮后，產(chǎn)生的不宜繼續利用的高含鹽廢水。脫硫廢水、高鹽再生廢水是常見(jiàn)的末端廢水。

濕法煙氣脫硫工藝過(guò)程中產(chǎn)生一定量的脫硫廢水。脫硫廢水與火電廠(chǎng)一般工業(yè)廢水相比，水質(zhì)差異較大，主要表現在以下幾個(gè)方面：

（1）廢水呈弱酸性；

（2）廢水中懸浮物含量高，且顆粒細小，主要成分為石膏、飛灰等；

（3）廢水中含有大量可溶性的氯化物、氟化物等，腐蝕性強；

（4）廢水中含有鉛、銅、鎘、鎳、汞、鋅、鈷等有害重金屬元素；

（5）從水質(zhì)指標看，脫硫廢水中化學(xué)耗氧量（COD）也是超標項目之一。

燃煤電廠(chǎng)化學(xué)補給水處理工藝中一般采用離子交換法深度除鹽。在離子交換床體再生過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的酸堿廢水。再生工藝各部分的再生廢水水質(zhì)不盡相同，目前的再生廢水是混合收集，因此水量較大，混合后的含鹽量仍較高，較難回用，其處理也是燃煤電廠(chǎng)水處理的難點(diǎn)。

1.2 末端廢水零排放處理工藝分析

實(shí)現末端廢水零排放的技術(shù)路線(xiàn)不外乎有兩種思路：

（1）從廢水中把各種雜質(zhì)提取出來(lái)，最終通過(guò)蒸發(fā)結晶，將離子態(tài)的溶解鹽結晶并達到固化處理的最終目的；

（2）充分利用灰渣的環(huán)境容量，把末端廢水來(lái)自于煤中的雜質(zhì)，轉移至灰渣中，實(shí)現污染物“從煤中來(lái)，到灰中去”。

比較而言，思路1需要運用軟化、納濾、常規和高壓反滲透膜技術(shù)等多種分離技術(shù)，工藝流程復雜，設備種類(lèi)繁多，投資和運行維護成本高，可靠性存在諸多不確定性，并且需要消耗高品質(zhì)蒸汽或者電能，不宜推廣；思路2具有顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，值得深入研究。如何將廢水中污染物質(zhì)，與粉煤灰可控的、均勻的混合，是思路2要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文采用霧化干燥的方式來(lái)實(shí)現這一目的。

2、末端廢水霧化干燥技術(shù)研究

2.1 霧化方式的選擇

實(shí)現液滴和熱煙氣的有效混合，是霧化干燥的關(guān)鍵技術(shù)之一。霧化器是霧化干燥器的關(guān)鍵部件，其影響到產(chǎn)物的質(zhì)量和能量消耗。好的霧化器應使霧滴直徑均勻，噴嘴結構簡(jiǎn)單，生產(chǎn)能力大，能量消耗低，操作方便。常用的霧化器霧化方式有壓力式、氣流式和離心式。

壓力式霧化器通過(guò)用泵將料液加壓，并送入噴嘴，噴嘴內有螺旋室，液體在其中高速旋轉并從出口小孔處呈霧狀噴出。壓力式霧化器結構簡(jiǎn)單、造價(jià)低、動(dòng)力消耗低，但操作彈性小，且噴嘴容易腐蝕或磨損，進(jìn)而影響噴霧質(zhì)量。氣流式霧化器通過(guò)壓縮空氣在噴嘴處達到音速并形成很低的壓力，抽送料液由噴嘴成霧狀噴出，其操作彈性較大，但動(dòng)力消耗較大，裝置的生產(chǎn)能力較小。離心式霧化器將料液送入高速旋轉的霧化盤(pán)中，在離心力作用下料液被拉伸撕裂并加速從周邊呈霧狀灑出。離心式霧化器操作簡(jiǎn)單，對物料的適應能力強，操作彈性大，產(chǎn)物粒徑均勻；缺點(diǎn)是對應的干燥器直徑較大，霧化器加工難度大，制造價(jià)格高。

燃煤電廠(chǎng)末端廢水量大，且水質(zhì)水量波動(dòng)范圍大，為確保末端廢水完全干燥，廢水需霧化至較小顆粒。比較而言，離心式霧化器最適合于末端廢水零排放處理。

2.2 煙氣分配方式

霧化器噴霧軌跡及煙氣導入形式是影響液滴和煙氣混合的主要因素，而煙氣導入形式與煙氣分配器有關(guān)。煙氣分配器應能夠使煙氣均勻地與液滴接觸，防止氣流在塔內形成渦流以避免或盡量減少粘壁現象，或迫使煙氣在塔內按需要做直線(xiàn)或螺旋線(xiàn)狀流動(dòng)。

按熱煙氣和霧滴的接觸方式，霧化干燥過(guò)程可分為并流干燥、逆流干燥和錯流干燥。其中，離心式霧化器最合適的干燥方式為并流干燥。并流干燥根據煙氣流入干燥塔內的軌跡，煙氣分配器可分為直流型和螺旋型。直流型煙氣流動(dòng)速度均勻，氣流速度低，不易發(fā)生粘壁現象，但為保證霧滴有足夠的干燥時(shí)間，要求干燥塔高度較大。而螺旋型煙氣呈螺旋線(xiàn)流動(dòng)，干燥時(shí)間較長(cháng)，可以有效利用干燥塔高度。通過(guò)調研比較，為減小干燥塔體積和高度，宜選擇煙氣從塔頂螺旋型煙氣分配器引入的方式。

2.3 含鹽霧滴干燥過(guò)程及影響因素分析

和純液滴蒸發(fā)不同，含鹽廢水蒸發(fā)過(guò)程經(jīng)歷了溫度上升階段、等速蒸發(fā)階段、硬殼形成階段、沸騰階段及干燥階段，詳見(jiàn)圖1。

含鹽廢水蒸發(fā)過(guò)程在前兩個(gè)階段與純液滴蒸發(fā)過(guò)程一樣。液滴先是在溫度上升階段預熱升溫。而后在等速蒸發(fā)段物料溫度基本維持恒定，物料中含濕量變化較快，氣體傳給物料的熱量全部用于濕分汽化。和純液滴干化不同，含鹽廢水蒸發(fā)多了硬殼形成階段，本階段液滴外壁的鹽分濃縮形成一個(gè)硬殼，阻止了殼內液滴的直接沸騰；氣體傳給液滴的熱量部分用于濕分汽化，部分用于物料升溫。當外殼完全結晶后，隨著(zhù)外壁殼熱量傳遞，物料內部水分不斷被吸到外壁蒸發(fā)，溫度變化不大，類(lèi)似于沸騰，故稱(chēng)之為沸騰階段。最后在干燥階段，整個(gè)液滴不斷縮小，僅存的濕分不斷被汽化，最后形成顆粒物。

表1列舉了影響離心霧化過(guò)程的主要因素。料液性質(zhì)、熱煙氣性質(zhì)等物性參數對霧化過(guò)程有明顯影響。

2.4 示范工程末端廢水煙氣干化方式選擇

示范工程干化熱源選擇主要考慮煙溫和對后續環(huán)保設備的影響。溫差是傳熱過(guò)程的主要驅動(dòng)力。引入煙氣溫度越高，傳熱速度越快，干化速率也越快，完全干燥所需的空間小，但能量消耗也越大；反之，引入煙氣溫度越低，傳熱速度越慢，完全干燥需要的空間大。引入煙氣亦不能對后續煙道造成太大的影響。綜合考慮，脫硝反應器前的高溫煙氣因為要進(jìn)行NOx脫除，不適合作為干化熱源；空氣預熱器后煙氣溫度較低，干燥同樣廢水所需煙氣量大，且干化速率低，完全干燥需要更大的空間。因此脫硝后的煙氣，溫度合適，且不影響后續煙氣的處理，比較適合作為干化用熱源。

煙氣干化方式有直接煙道內干化和旁路煙道干化兩種方式。比較而言，煙氣旁路干化對現場(chǎng)煙道條件要求低，可靠性高，不影響機組主機運行，建議優(yōu)先選擇煙氣旁路干化作為末端廢水處置方案。

綜上所述，示范工程選擇煙氣旁路干化方式進(jìn)行末端廢水的霧化干化。具體流程為旁路煙氣通過(guò)干燥塔上部的蝸殼狀煙氣分配器引入干燥塔，末端廢水經(jīng)高速旋轉的離心霧化器后被霧化成粒徑極小的霧滴進(jìn)入干燥塔內，霧滴與旁路熱煙氣直接接觸進(jìn)行熱交換，液滴中的水分迅速蒸發(fā)。

3、末端廢水調質(zhì)及干化示范工程

末端廢水調質(zhì)及干化示范工程，即煙氣旁路干化系統，于2014年啟動(dòng)。2016年8月，該系統在浙江某電廠(chǎng)建成并投入運行，截至2017年12月，累計運行了9000h。

3.1 系統設計

該煙氣旁路干化系統包括干燥塔系統、廢水供給系統、旁路煙道、灰渣輸送系統及配套的測量及控制系統等，如圖2所示。其中，（1）干燥塔系統主要包括干燥塔塔體、塔頂熱空氣分布器、霧化器等。塔頂熱空氣分布器采用蝸殼式煙氣分配器。（2）廢水供給系統主要包括廢水進(jìn)料泵、廢水儲罐、攪拌器、相關(guān)管路及閥門(mén)和廢水進(jìn)料過(guò)濾器等。（3）廢水調質(zhì)系統包括加藥箱和加藥泵。通過(guò)加藥來(lái)調節廢水pH。（4）旁路煙道包括干燥塔入口煙道和出口煙道，進(jìn)出口煙道上的煙氣擋板。（5）灰渣輸送系統接入主機灰渣輸送系統，干燥產(chǎn)生的灰渣進(jìn)入塔底倉泵。（6）測量及控制系統包括各類(lèi)溫度、壓力、濕度、流量測量?jì)x表及傳感器，以及DCS控制系統。除灰渣輸運系統外，所有系統均接入機組主機DCS控制系統。

3.2 控制策略選擇

現有末端廢水處理工藝中，較少使用煙氣旁路干化技術(shù)，也缺乏配套的控制技術(shù)。旁路煙氣干化法熱源依賴(lài)于鍋爐煙氣，鍋爐煙氣流量、流速和溫度等工況因素對干燥設施影響很大。在工況波動(dòng)較大時(shí)，可能發(fā)生水分蒸發(fā)不完全，或煙氣引入量過(guò)大情況。前者嚴重影響末端廢水干燥設施本體及后續的煙道、除塵器等設施的安全，后者則造成嚴重的能量浪費。故末端廢水煙氣旁路干化技術(shù)，其控制技術(shù)核心是實(shí)現煙氣-末端廢水的良好匹配。此外，粉煤灰品質(zhì)等也是控制過(guò)程必須考慮的關(guān)鍵。

該煙氣旁路干化系統運行中，一種多參數協(xié)同控制體系被提出和應用。即基于水質(zhì)模型，確定最大末端廢水處理量；結合酸露點(diǎn)模型，確定煙氣旁路出口的最低溫度；能量平衡模型和關(guān)鍵參數模型互為補充，自動(dòng)監測系統狀態(tài)并實(shí)時(shí)調節末端廢水干化系統。圖3為協(xié)同控制體系的示意圖。

能量平衡模型根據實(shí)測旁路出口煙道煙氣溫度及其所在的控制值區間，分類(lèi)別的調整旁路進(jìn)口煙氣流量或脫硫廢水給料量。采用前饋-反饋控制結構對整個(gè)脫硫廢水旁路蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制和智能調節，同時(shí)異常工況下設有保護措施，充分保障系統安全。關(guān)鍵參數模型可通過(guò)收集分析機組負荷和爐膛吹灰信息，確定不同負荷、吹灰器投運與否條件下，干燥塔廢水噴水量和出口煙氣溫度的對應關(guān)系，形成控制曲線(xiàn)或不斷修正控制曲線(xiàn)。實(shí)踐中，兩者相互協(xié)調，互相補充。

3.3 示范工程效果評價(jià)

3.3.1 對煙塵濃度的影響

示范工程投運后，后續環(huán)保設備（尤其是電除塵器）以及總排口排放指標是優(yōu)先關(guān)注的因素。2016年12月20―22日，在干燥塔投運工況，浙江省環(huán)境監測中心對總排口及電除塵器進(jìn)行了為期3天的現場(chǎng)測試。測試結果如表2和表3所示。

由表2和表3可以看出，在實(shí)施了有效的控制技術(shù)后，末端廢水煙氣干化系統投運與否，對電除塵器出口和總排口煙塵濃度無(wú)明顯影響。

3.3.2 最大出力以及累計處理廢水量

表4為不同負荷下，煙氣旁路干化系統最大末端廢水處理能力試驗結果。進(jìn)口煙氣擋板開(kāi)度55%~65%，以出口煙溫120℃為控制指標時(shí)，330MW負荷時(shí)，最大廢水處理能力大于4.0t/h；250MW負荷時(shí)，最大廢水處理能力大于3.0t/h；165MW負荷時(shí)，最大廢水處理能力大于2.0t/h?？紤]到進(jìn)口煙氣擋板開(kāi)度還可以適當增大，實(shí)際各負荷下還有一定的處理能力冗余。

3.3.3 經(jīng)濟性評價(jià)

該末端廢水煙氣干化系統，運行成本主要包括設備電耗、調試藥劑費用及引出熱煙氣折算的煤耗增加費用，如表5所示。

以旁路干化系統年運行5000h、廠(chǎng)用電0.4元/(kW?h)、霧化器及泵電功率36kW計，設備年電耗約7.2萬(wàn)元；以藥劑價(jià)格3000元/t、調質(zhì)脫硫廢水需調質(zhì)劑8t/年計，藥劑費用約為2.4萬(wàn)元/年；處理3.4t/h末端廢水，增加的標準煤耗約為1.39g/(kW?h)。以此為基礎計算，年運行5000h、廢水處理量3t/h情況下，年增加標準煤耗1980t，以標煤價(jià)格900元/t計，煤耗增加費用為178萬(wàn)元/年。運行總成本約為188萬(wàn)元/年。其投資成本在780萬(wàn)元左右。比較濃縮蒸發(fā)結晶的廢水處理方式，在工程投資和設備運行上都有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢。

4、結語(yǔ)

本文分析了末端廢水理化特性，并梳理了末端廢水零排放工藝思路；在比選霧化方式和煙氣分配方式的基礎上，研究了含鹽霧滴的干燥過(guò)程，并分析了其影響因素，提出了一種煙氣旁路干化技術(shù)路線(xiàn)；建成了末端廢水調質(zhì)及干化裝置，研究了其控制技術(shù)，并對其工程效果及運行經(jīng)濟性進(jìn)行了評估。該示范工程效果明顯，出力可靠，經(jīng)濟性高。（來(lái)源：浙江省能源集團有限公司，浙江浙能長(cháng)興發(fā)電有限公司，浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江省火力發(fā)電高效節能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗室）