近年来, 国家关于水污染控制的法规政策不断趋严。2015年, 国务院颁布《水污染防治行动计划》, 强调狠抓工业污染防治。2016年, 国务院发布《控制污染物排放许可证实施方案》, 要求率先对火电和造纸行业核发排污许可证。2017年, 环保部颁发《火电厂污染防治技术政策》, 鼓励电厂实现脱硫废水不外排。

随着国家和地方环保政策的收紧, 许多电厂都在水污染控制方面感受到了合规性压力, 特别是一些在环评中明确承诺废水不外排的新建电厂。作为电厂最难处理和最主要的末端浓水, 脱硫废水的零排放处理受到越来越多的关注, 处理工艺也在不断演变。本文将在介绍和评述现有脱硫废水零排放处理工艺的基础上, 重点介绍和讨论新型常温结晶分盐零排放脱硫废水处理技术的工艺原理、技术优势和中试结果, 为工业应用与推广提供参考。

1 脱硫废水零排放工艺概述

目前脱硫废水零排放处理有2条基本路径, 即烟气蒸发工艺和蒸发结晶工艺。烟气蒸发工艺是通过雾化喷嘴将脱硫废水喷入烟道或者旁路烟道内, 雾化后被烟气加热蒸发成水汽, 溶解性盐结晶析出后随烟尘一起被除尘器捕集, 进入粉煤灰。

蒸发结晶工艺则是采用传统水处理工艺, 利用蒸汽、热水或者烟气等热源, 蒸发脱硫废水, 冷凝水回用, 废水中的溶解盐被蒸发结晶干燥后装袋外运进行综合利用或者处置, 避免产生二次污染。

一般认为, 在不考虑对主系统影响的情况下, 烟气蒸发工艺的投资和运行成本较低, 而蒸发结晶工艺的投资和运行成本更高。但随着蒸发结晶工艺的不断优化, 二者之间的差距正在逐步缩小。

2 烟气蒸发工艺

烟气蒸发工艺分为烟道直喷工艺、旁路蒸发工艺以及衍生出来的烟气浓缩与结晶耦合工艺等。

2.1 烟道直喷工艺

烟道直喷工艺一般旨在利用除尘器之前的低温段烟气余热, 图1是典型的烟道直喷脱硫废水处理工艺。

图1 烟道直喷脱硫废水处理工艺

脱硫废水经过必要预处理后, 通过压缩空气加压之后, 由雾化喷嘴直接喷入预热器之后、除尘器之前的烟道内, 雾化液滴随烟气蒸发汽化, 结晶析出盐尘, 一起进入除尘器。此时烟气温度较低, 一般被认为是余热利用, 对锅炉效率几乎没有影响, 投资和运行成本较低。烟道直喷的风险主要来自喷嘴堵塞、烟道腐蚀和结垢等。

2.2 旁路蒸发工艺

与烟道直喷工艺不同, 旁路蒸发工艺通过建造独立的喷雾干燥塔来实现脱硫废水的雾化蒸发。图2是典型的旁路蒸发脱硫废水处理工艺。

图2 旁路蒸发脱硫废水处理工艺

脱硫废水经必要的预处理之后, 由喷嘴从上方喷入单独设置的喷雾干燥塔, 形成雾化液滴, 与引自预热器前的高温烟气在干燥塔内相遇, 雾化液滴汽化并结晶析出盐尘, 一起从干燥塔出口进入预热器后、除尘器前的烟道内。

由于设置了独立的干燥塔, 脱硫废水的雾化蒸发过程在干燥塔内完成, 因此主烟道的腐蚀和结垢风险可以排除。但由于使用预热器前高温烟气, 因此旁路蒸发对锅炉的效率有一定的影响。与烟道直喷相比, 旁路蒸发的接受程度更高一些。

2.3 耦合烟气蒸发工艺

耦合烟气蒸发工艺旨在结合烟道直喷利用低温烟气余热和旁路蒸发安全性较高的优势, 利用低温烟气旁路蒸发进行脱硫废水的浓缩, 利用高温烟气旁路蒸发进行浓缩液的结晶。图3是典型的烟气浓缩与结晶耦合脱硫废水处理工艺。

图3 烟气浓缩与结晶藕合脱硫废水处理工艺

该工艺由2个旁路烟气蒸发工艺耦合而成, 并分别设置了独立的浓缩塔和干燥塔。浓缩塔的热源烟气是低温烟气, 引自除尘器和脱硫引风机之后。脱硫废水首先进入浓缩塔, 在低温烟气的加热下蒸发浓缩, 汽化后随烟气送回主烟道一并进入脱硫塔。浓缩塔底部的浓缩液则被进一步送入干燥塔完成结晶固化。干燥塔的引送风模式和运行模式与2.2节介绍的旁路蒸发一致, 雾化结晶形成的盐尘也被除尘器截留。

耦合烟气蒸发工艺有效避免了主烟道的腐蚀与堵塞风险, 对锅炉效率的影响也更低。但使用了2个烟气蒸发塔, 工艺比较复杂, 投资成本相对较高, 浓缩塔烟气增压所需要的额外能耗也不可忽视。

2.4 烟气蒸发对锅炉效率的影响

脱硫废水的含盐量与海水相当, 汽化潜热约为2.30 kJ/g, 因此从绝对能耗看, 每蒸发1 m3脱硫废水约相当于消耗100 kg标煤, 以发电煤耗300 g/ (kW·h) 换算, 则约相当于333 kWh的电量。

在烟气蒸发工艺中, 以低温烟气作为热源的直喷或旁路工艺可以认为是余热利用, 对锅炉效率基本没有影响。而以高温烟气作为热源的旁路蒸发对锅炉效率会产生一定影响。以1台1 GW机组为例, 假设脱硫废水排量为10 m3/h, 从热值看全水量高温烟气蒸发约需要每小时消耗燃煤1 000 kg, 即煤耗损失为1 g/ (kW·h) 。如果再假设高温烟气为300℃, 而100℃以下即为无法利用的废热, 则对煤耗的实际影响会稍低, 约为0.7 g/ (kW·h)。

烟气蒸发工艺对锅炉效率的实际影响需要根据具体工艺和水量来进行具体估算。需要说明的是, 烟气蒸发脱硫废水处理工艺具有较高绝对能耗的原因在于该工艺无法回收冷凝潜热。与之形成对照的是, 蒸发结晶工艺可以高效回收冷凝潜热, 因此绝对能耗几乎低1个数量级。

2.5 烟气蒸发对粉煤灰利用的影响

烟气蒸发处理脱硫废水过程中, 雾化结晶后的盐尘进入烟道并被除尘器捕捉, 从而进入粉煤灰。脱硫废水中含有大量的氯离子, 而氯离子可能对粉煤灰的利用产生潜在影响。仍然以1台1 GW机组为例, 假设脱硫废水排量为10 m3/h, 脱硫废水中的氯离子的质量浓度假设为10 g/L, 则氯离子的总量为100 kg/h。而以发电煤耗300 g/ (kW·h) 计算, 该机组的燃煤用量为300 t/h, 粉煤灰的产量按20%计算, 即60 t/h。因此, 如果脱硫废水中的盐全部进入粉煤灰, 则粉煤灰中氯离子的含量净增加约0.17%。

虽然GB/T 1596-2017并没有限定粉煤灰中氯离子的含量, 但国标GB 50010-2010要求混凝土中氯离子的质量分数不高于0.05%～0.30%[20,21]。如果烟气蒸发脱硫废水处理工艺被大量工业应用, 在粉煤灰的相应标准中限定氯离子含量将是大概率事件。

3 蒸发结晶工艺

蒸发结晶工艺采用传统水处理的思路来处理脱硫废水。经过多年的实践与发展, 蒸发结晶工艺的具体路线也经历了一些演变, 特别是软化方法和膜浓缩的进步, 有效降低了蒸发结晶脱硫废水处理工艺的投资和运行成本。