300MW機組脫硫廢水旁路蒸發干燥系統性能試驗研究
摘 要：某火電廠300 MW機組采用旁路蒸發干燥工藝處理脫硫廢水，對該系統開展性能試驗研究，試驗結果表明該系統廢水處理量在5 m3/h以上，鍋爐效率影響值小于0.6%，且粉煤灰中含氯量小于0.3%。系統各項性能指標滿足設計要求，能夠實現脫硫廢水零排放目標，具有工藝可靠、運行穩定、操作簡便等特點。同時系統存在進口脫硫廢水中氯離子濃度偏低、干燥塔出口煙氣溫度及煙氣中氯化氫濃度偏高、粉煤灰中含氯量不易控制等問題，需進一步優化改進。
關鍵詞：火電廠;脫硫廢水;旁路蒸發干燥;零排放;性能試驗;
某火電廠建有2臺330 MW燃煤機組，每臺機組均配置雙室五電場靜電除塵器和濕法石灰石-石膏脫硫系統，脫硫過程產生的廢水來自旋流器排放水，其中含有大量懸浮物、亞硫酸鹽、硫酸鹽、氯化物及重金屬等，具有高硬度、高鹽分、高懸浮物、高腐蝕性、含重金屬等特征，是目前燃煤電廠難處理的廢水之一。為響應國家環保政策，滿足脫硫廢水零排放的要求，電廠采用旁路蒸發干燥技術進行零排放改造工程。為了測試該工藝系統各項技術指標，對該系統開展性能試驗研究工作，評價裝置性能并提出優化建議。
1 脫硫廢水旁路蒸發干燥系統
采用旁路蒸發干燥技術處理脫硫廢水、化水車間和精處理再生廢水等，其工藝原理是將經預處理的廢水通過高速旋轉的霧化器霧化后，利用鍋爐SCR脫硝反應器與空氣預熱器間的熱煙氣作為熱源，在旁路蒸發干燥塔內將廢水蒸發，水分進入煙氣中，干燥產生的大顆粒固體物質從塔底部排出，小顆粒固體物質隨干燥后的尾氣返回電除塵進口進行收集處理。工藝流程見圖1。
1.1 設計水質與水量
每臺機組滿負荷工況下產生的脫硫廢水量約4.5 m3/h,2臺共9.0 m3/h，化學水處理車間和精處理車間的再生廢水量共約1.0 m3/h，總廢水量約為10 m3/h。脫硫廢水設計水質如表1所示，不同負荷下設計廢水處理量及機組煙氣參數如表2所示。
1.2 工藝系統
脫硫廢水旁路蒸發干燥工藝系統主要包括廢水給料系統、煙氣系統、旁路蒸發干燥塔3個部分。
1.2.1 廢水給料系統
脫硫系統產生的廢水經現有的三聯箱石灰漿液調質后，流入清水箱儲存。化水車間再生廢水和精處理再生廢水輸送至澄清池儲存，泵送入三聯箱調質后，流入清水箱儲存。清水箱內的廢水經泵輸送至旁路蒸發干燥塔的廢水箱中，再經提升泵送入每個干燥塔的高位給料箱中，自流進入塔內。
1.2.2 煙氣系統
煙氣系統主要包括擋板和煙道等。從現有空氣預熱器前的主煙道引出一部分煙氣進入干燥塔。在本系統進出口煙道設置進口擋板和出口擋板，進口擋板采用調節型執行結構，可以根據干燥塔出口煙道溫度調節進入本系統的煙氣量。出口擋板采用開關型執行結構。
1.2.3 旁路蒸發干燥塔
每臺鍋爐配1個蒸發干燥塔。干燥塔內徑為8.5 m，筒體高度為16.0 m，總高約為36.5 m。干燥塔由圓柱體和圓錐體上下兩部分組成，熱煙氣和廢水均從塔頂部進入塔內，干燥后的尾氣從錐體上部離開干燥塔，大顆粒固體從塔底部進入倉泵。煙氣分布器設置在塔頂，采用蝸殼形式，并裝有一定夾角的導風板，其作用是使干燥用熱煙氣均勻地進入干燥塔內。每個蒸發干燥塔配1臺旋轉霧化器，旋轉霧化器配置45 kW的雙頻電機及變頻器，霧化器轉速為10000～13000 r/min，可通過變頻器調節，噴射出的霧滴平均直徑為10～60μm。
2 性能試驗
2.1 性能試驗結果
對脫硫廢水旁路蒸發干燥塔進行性能測試，試驗期間脫硫廢水水質情況見表3，性能試驗結果見表4。由表4可知，在機組滿負荷工況下，脫硫廢水旁路蒸發干燥塔進口煙氣量約為60340 m3/h（標態、濕基、實際O2），進口煙氣溫度約為334℃，系統廢水處理量達到5.2 m3/h以上（最大處理量為6.2m3/h），干燥產物含水率為0.15%，粉煤灰中含氯量為0.26%，鍋爐效率影響值約為0.55%，裝置出口煙氣溫度約為180℃。該系統各項性能指標均達到設計要求，未出現明顯掛壁、腐蝕結垢情況。
不同機組負荷下的廢水處理量情況見圖2。由圖2可知，50%負荷工況下大于3 m3/h,75%工況下大于4 m3/h，滿負荷工況下大于5 m3/h，完全滿足機組負荷變化情況下脫硫廢水處理要求。同時這部分煙氣進入電除塵器后，廢水蒸發增加了煙氣濕度，從而使煙氣飛灰比電阻得以下降，有利于提高電除塵器的除塵效率。蒸發的廢水在脫硫吸收塔冷卻后成為脫硫補充水，有利于降低脫硫系統水耗。
2.2 存在的問題及建議
(1）滿負荷工況下不同廢水處理量與裝置出口煙氣溫度關系見圖3。由圖3可知，由于脫硫廢水旁路蒸發干燥塔進口煙氣量高于設計值，使得廢水處理量為5.2 m3/h時出口煙氣溫度約為180℃，明顯高于設計煙氣溫度150℃（實際出口煙氣溫度達到150℃時，廢水處理量約為7.5 m3/h），對鍋爐效率造成一定影響。因此建議對煙氣引入量進行優化調整試驗研究，即根據機組負荷和脫硫廢水處理量對入口擋板門進行調節，在滿足廢水充分蒸發干燥的前提下，盡可能減少裝置的煙氣引入量，減輕對機組經濟性的影響。
(2) 100%負荷工況下（廢水處理量5 m3/h），粉煤灰中含氯量約為0.26%,GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》規定普通硅酸鹽水泥中粉煤灰質量分數為不超過20%，按此最大比例摻配該粉煤灰后，含氯量增加值為0.052%，滿足GB 175—2007規定的硅酸鹽水泥中氯離子質量分數小于0.06%的要求，因此不會對粉煤灰的綜合利用產生明顯影響。但粉煤灰中含氯量受機組負荷、燃煤灰分、廢水氯離子濃度及廢水處理量等諸多因素影響，實際運行中不易控制，一定程度上會限制粉煤灰在水泥中的摻加比例。可考慮在旁路蒸發干燥塔后設置一個小型旁路除塵器，當粉煤灰中含氯量超標時能對部分或全部干燥產物進行單獨收集，收集后可與鍋爐爐渣混合處理，用于制磚等一些不限制含氯量或要求不高的行業，避免脫硫廢水干燥產物對粉煤灰綜合利用造成影響。
(3）脫硫廢水旁路蒸發干燥塔出口煙氣中HCl濃度明顯高于入口煙氣中HCl濃度，這可能與脫硫廢水在蒸發干燥過程中揮發出氣態氯有關。據報道，水在高溫下有“酸化”傾向，水解離出的H+與Cl-結合，高溫下會以氣態HCl的形式溢出。另外脫硫廢水中含有的鹽類物質NaCl、CaCl2和MgCl2等在高溫下會水解生成氣態HCl。煙氣中HCl含量的增加會造成煙道、擋板等金屬壁面的腐蝕，增加的HCl進入濕法脫硫系統還會造成脫硫廢水排放量的增加。一方面揮發到煙氣中的HCl比例比較小，另一方面通過把脫硫廢水pH值調節為堿性可以有效降低HCl的揮發量，據報道，使用Ca(OH)2溶液將脫硫廢水pH值調節為9～10可以最大程度地抑制氯的揮發，實現脫硫廢水中鹽分的固相轉移。性能試驗期間脫硫廢水pH值為7.5～8.0，建議優化調節廢水pH值，減輕氣態氯揮發對后續設備的不利影響。
(4) 100%負荷工況下廢水處理量為5 m3/h，脫硫廢水中Cl-的質量濃度約為12000 mg/L，低于設計值20000 mg/L。因此在滿負荷工況下建議控制脫硫廢水排放量為3.0～3.5 m3/h，對應脫硫廢水中Cl-的質量濃度為17000～20000 mg/L，必要時還可考慮對廢水進行蒸發干燥前的濃縮減量，能有效降低用于廢水蒸發的高溫煙氣引入量，減輕對機組經濟性的不利影響。
3 結論
該脫硫廢水零排放工程總投資約為2000萬元，噸水投資為200萬元，直接運行成本包括電耗及調節pH值藥劑費，合計約為2.5元/m3[水]，同時機組發電煤耗會略有增加，約為1.6～1.8 g/（kW·h）。總體來說，旁路蒸發干燥工藝具有系統簡單、技術可靠、運行穩定、操作方便等特點，能夠實現電廠脫硫廢水零排放目標。盡管該工藝有諸多優點，但仍存在諸如干燥塔出口煙氣溫度及煙氣中HCl濃度偏高、粉煤灰中含氯量不易控制、進口脫硫廢水中Cl-濃度偏低等問題，需進一步優化改進。
作者簡介：王仁雷（1980-），男，浙江寧波人，高級工程師，工學碩士，主要從事發電廠化學及環保技術研究工作，（電子信箱）wangrlcqu@126.com。
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