火力發(fā)電廠脫硫廢水“零排放”技術(shù)路線分析

摘 要：隨著中國水環(huán)保政策趨于嚴控，火力發(fā)電廠脫硫廢水“零排放”理念不斷升溫。脫硫廢水是火電廠最難處理的末端廢水之一，單一技術(shù)路線的廢水處理方案往往難以兼顧目標與成本。對國內(nèi)外脫硫廢水處理工藝進行分析，尋求各方案間擇優(yōu)組合、分步建設(shè)的技術(shù)線路，為火電廠實現(xiàn)脫硫廢水“零排放”目標提供參考。

0 引言

隨著 2015 年 《水污染防治行動計劃》、2016 年《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》 《控制污染物排放許可制實施方案》 及 2017 年 《火電廠污染防治技術(shù)政策》《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》 等一系列法規(guī)政策的出臺和實施，提高火電廠用水效率，實現(xiàn)水資源梯級利用和廢水“零排放”，已經(jīng)成為火電企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。從行業(yè)現(xiàn)狀來看，脫硫廢水“零排放”技術(shù)流派眾多，但均處于試點、技術(shù)驗證階段，未形成成熟、統(tǒng)一的路線。系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差、運營成本高、生化污泥及結(jié)晶鹽處置難度大等技術(shù)難題仍是“零排放”的主要障礙。

1 脫硫廢水的產(chǎn)生及其水質(zhì)特點

脫硫廢水主要來自石膏脫水和清洗系統(tǒng)，或是水力旋流器的溢流水及皮帶壓濾機的濾液，是維持脫硫裝置漿液循環(huán)系統(tǒng)物質(zhì)平衡，控制石灰石漿液中可溶部分 （即 Cl-） 含量、保證石膏質(zhì)量的必要工藝環(huán)節(jié)。廢水中所含物質(zhì)繁雜，大體分為氯化物、氟化物、高濃度的亞硫酸鹽、懸浮物、硫酸鹽以及少量的重金屬離子 （如 Pb2+、Cr2+等）、氨氮等，是火電廠最難處理的末端廢水之一。

2 常見脫硫廢水治理工藝及其特點

2.1 脫硫廢水“零排放”工藝概述

要實現(xiàn)脫硫廢水“零排放”，不論何種技術(shù)路線，基本都可分解為預處理、濃縮和結(jié)晶 3 個工藝段。

2.2 國內(nèi)常見脫硫廢水“零排放”方案

2.2.1 借助除灰系統(tǒng)間接實現(xiàn)“零排放”

具備水力除灰系統(tǒng)的電廠，脫硫廢水經(jīng)預處理后直接排放至水力除灰系統(tǒng)。只要電廠水力除灰系統(tǒng)水平衡不被破壞，這種處理方式的經(jīng)濟性最好，原水力除灰系統(tǒng)基本不用改造，也不需要額外增加水處理系統(tǒng)，且不會明顯降低濕渣品質(zhì)，造成灰渣降級使用；加之堿性灰渣水對脫硫廢水中重金屬離子和酸性物質(zhì)有一定的脫除效果，脫硫廢水預處理指標可適當放寬。雖然脫硫廢水會導致水力除灰系統(tǒng)故障率提高，設(shè)備壽命縮短，但從整體費用核算來看，該方案仍是所有方案中成本最低的。

該處理方案存在以下不足：

a) 只適用于水力除灰。

b) 脫硫廢水消納量有限，無法全額處理。以 4×300 MW機組為例，水力除灰系統(tǒng)的廢水消納量為 5～6 t/h，而機組 80%負荷率的脫硫廢水產(chǎn)出量為 7～15 t/h。

c) 除灰系統(tǒng)腐蝕加劇，檢修運維成本增加。隨著脫硫廢水中Ca2+、Mg2+、Cl-的不斷進入，水力除灰系統(tǒng)結(jié)垢堵塞、系統(tǒng)部件腐蝕勢必加劇。在水力除灰系統(tǒng)接入脫硫廢水后，系統(tǒng)平均使用壽命由 43～52 個月縮減至 21～23個月。

d) 高鹽脫硫廢水易造成鍋爐煙道、構(gòu)件腐蝕，影響安全性。

2.2.2 通過煙氣蒸發(fā)實現(xiàn)“零排放”

鍋爐煙道蒸發(fā)是利用鍋爐煙氣的溫度將預處理系統(tǒng)、濃縮系統(tǒng)處理后的脫硫廢水蒸干，水蒸氣隨煙氣排入大氣，結(jié)晶鹽隨飛灰排出。應(yīng)用較多的蒸干工藝為：自省煤器后引入質(zhì)量分數(shù)為 3%～5%的煙氣，走煙氣旁路，通過脫硫廢水蒸干裝置蒸干廢水。該處理方案的不足之處在于：a) 不適用于布袋除塵；b) 導致鍋爐效率下降 0.1%～0.2%，影響經(jīng)濟性；c) 投資造價較高，且結(jié)晶鹽混入干灰后，易造成干灰TDS （可溶鹽） 超標，干灰需降級使用。

2.2.3 通過蒸汽 煙氣余熱蒸發(fā)實現(xiàn)“零排放”

蒸汽蒸干技術(shù)、機械-蒸汽蒸干 （MVR） 技術(shù)和尾部煙道低溫閃蒸分鹽技術(shù)主要是利用蒸汽、壓縮機+蒸汽、煙氣余熱的熱量將脫硫廢水蒸干為水蒸氣和分鹽處理后的結(jié)晶鹽，處理最徹底，是真正意義上的“零排放”。廢水及蒸汽中的水可冷凝回用，生成的結(jié)晶鹽純度較高，可做工業(yè)使用。

3 種蒸干技術(shù)運行成本對比為：蒸汽蒸干技術(shù)路線械-蒸汽蒸干技術(shù)＞尾部煙道低溫閃蒸分鹽技術(shù)。該處理方案存在的不足為：a) 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)運行能耗高，投資成本大，在沒有相應(yīng)政策補貼的情況下，電廠應(yīng)用的積極性不高。b) 結(jié)晶鹽回用途徑不暢通，電廠再處置困難。c) 尾部煙道低溫閃蒸會降低排煙溫度，對煙囪防腐有一定要求。d) 由于廢水蒸干能耗高，通常情況下需與脫硫廢水預處理系統(tǒng)、濃縮系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，利用預處理脫除 Ca2+、Mg2+，減少蒸干設(shè)備結(jié)垢堵塞，利用濃縮系統(tǒng)減少廢水處理量，降低運行成本。因此，建設(shè)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)時需同步建設(shè)性能可靠的預處理系統(tǒng)及濃縮系統(tǒng)，建設(shè)初投資大。

2.3 美國 日本以及歐盟常見脫硫廢水“零排放”工藝

美國、日本以及歐盟均無脫硫廢水“零排放”的要求 （美國部分地方政府、行業(yè)部門有要求），但對工業(yè)廢水的可溶性鹽含量有嚴格限制，Se、Hg、As 等排放濃度僅為中國標準的百分之幾。因此，國外燃煤電廠的脫硫廢水多以達標排放為主，從可查的“零排放”工藝看，主要包括以下幾種。

2.3.1 蒸發(fā)塘工藝

在美國西南干旱少雨地區(qū)，修建一個或多個水塘進行脫硫廢水自然蒸發(fā)。當自然蒸發(fā)能力達不到“零排放”目標時，可通過噴灑式蒸發(fā)器提高蒸發(fā)速率。

2.3.2 灰攪拌工藝

美國燃煤電廠的飛灰大約 50%進入市場重新利用，另外 50%的灰需要填埋。在飛灰運輸和填埋的過程中，需要加水來控制揚塵，即采用脫硫廢水和灰攪拌、填埋方式實現(xiàn)“零排放”目標。當脫硫廢水水量較多時，可使用蒸發(fā)器濃縮脫硫廢水，降低廢水量。

2.3.3 蒸發(fā)結(jié)晶工藝

蒸發(fā)結(jié)晶工藝可以實現(xiàn)水的清潔回用，結(jié)晶的固體在一些地方用作工業(yè)原料。如果晶體無法循環(huán)利用，則填埋處理。按照預處理過程，蒸發(fā)器和結(jié)晶器的組成可以細分為：物化法預處理+蒸發(fā)器、物化法預處理+軟化+蒸發(fā)器+結(jié)晶器、物化法預處理+部分軟化+蒸發(fā)器+結(jié)晶器、物化法預處理+蒸發(fā)器+結(jié)晶器、物化法預處理+軟化+多效結(jié)晶器。

2.3.4 噴霧干燥工藝

處理方案包括：利用煙氣潛熱，把脫硫廢水直接霧化噴灑在煙道內(nèi)蒸發(fā)實現(xiàn)“零排放”；從空預器前引出熱煙氣進入噴霧干燥塔，實現(xiàn)固液分離，結(jié)晶固體和飛灰隨煙氣回到主煙道與系統(tǒng)飛灰一起被除塵裝置收集。通過市場調(diào)研，上述幾種脫硫廢水“零排放”方案各有優(yōu)缺點，都有一定的工程實用案例可借鑒，從技術(shù)原理分析都是可行的，制約工藝推廣的因素主要源自系統(tǒng)可靠性及生產(chǎn)運營成本。

3 脫硫廢水“零排放”改造技術(shù)路線

脫硫廢水“零排放”是跨越多專業(yè)的綜合性課題，單從一點切入很難全面解決問題，必須沿著脫硫廢水“零排放”的工藝路線，由淺入深，由低投入向高投入來嘗試尋求最優(yōu)解。

3.1 通過運行調(diào)整控制廢水量

常規(guī)脫硫工藝及系統(tǒng)防腐等級的 Cl-質(zhì)量濃度上限為 20000mg/L，而脫硫廢水排水的 Cl-質(zhì)量濃度僅為8000～10000mg/L。通過燃料控制、運行調(diào)整、加藥輔助，提高 FGD （煙氣脫硫） 漿液 Cl-質(zhì)量濃度至上限，可有效降低脫硫廢水排放量。

3.2 優(yōu)化加藥工藝 降低加藥成本

三聯(lián)箱是常規(guī)脫硫工藝的標配絮凝沉淀設(shè)備，現(xiàn)場應(yīng)用普遍存在設(shè)備腐蝕嚴重、加藥系統(tǒng)自動化程度低、加藥配比不合理、加藥設(shè)備故障率高等現(xiàn)象。通過設(shè)備改良，提高防腐等級；加裝水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備，調(diào)整加藥配比，實施自動加藥系統(tǒng)改造，以實現(xiàn)達標排放。研究重點可放在 Ca2+、Mg2+去除方面，為后續(xù)深度處理創(chuàng)造條件。

3.3 改良污泥脫水裝置 實現(xiàn)污泥干化

市面上常見的污泥脫水裝置有板框式和離心式，從應(yīng)用效果看，成功案例不多，除脫水裝置自身的產(chǎn)品質(zhì)量外，對污泥壓濾前的加藥調(diào)質(zhì)方面重視度普遍不高，因此需要協(xié)同設(shè)備制造企業(yè)和化學專業(yè)、科研機構(gòu)共同攻關(guān)，這樣才能有效改良污泥脫水裝置，提高設(shè)備可用率。研究重點可放在污泥加藥調(diào)質(zhì)方面，降低污泥黏性，利于后續(xù)脫水處理。

3.4 研究廢水濃縮工藝 提高濃縮倍率

脫硫廢水濃縮包括反滲透、正滲透、電滲析、電吸附等多種解決方案，各種方案在處理效果方面 （如濃縮比率） 差異并不大，各技術(shù)流派比拼的主要是綜合運行價格 （初投資+運維），以及設(shè)備可靠性。

3.5 攻關(guān)低溫閃蒸技術(shù) 優(yōu)化系統(tǒng) 控制能耗

對比蒸汽結(jié)晶技術(shù)、機械-蒸汽結(jié)晶技術(shù)和低溫閃蒸技術(shù)，低溫閃蒸技術(shù)利用的是煙氣余熱，對機組效率影響最小，加之裝置可從煙氣中捕捉部分水蒸氣，冷凝后回用，在水資源綜合利用方面具有一定優(yōu)勢，且技術(shù)具有可移植性，技術(shù)優(yōu)化后可向污水廠污泥干化行業(yè)移植，可作為該項目主要研究對象。

3.6 開展分鹽技術(shù)研究 變廢為寶

脫硫廢水蒸干結(jié)晶鹽銷路不暢的重要原因是結(jié)晶鹽中含有少量氟鹽、硝鹽雜質(zhì)，因此蒸干結(jié)晶工藝中必須考慮分鹽處理，即利用溶液中對應(yīng)溫度下各溶質(zhì)溶解度差異及相圖理論進行分鹽處理，得到不同鹽產(chǎn)品。通過分鹽技術(shù)研究，實現(xiàn)“鹽硝分離”，這樣才能實現(xiàn)脫硫廢水處理副產(chǎn)品———結(jié)晶鹽的有效回用，變廢為寶。

4 結(jié)語

縱觀國家環(huán)保政策趨勢，無論是液廢，還是固廢，排放標準都日趨嚴格，國家政策倒逼企業(yè)實現(xiàn)廢水“零排放”及固體污染物的分級回用。而從市場調(diào)研情況看，各類脫硫廢水項目多依托某一環(huán)保公司的一種或幾種專屬技術(shù)，跨企業(yè)協(xié)同、跨工藝組合的多維度、多目標的設(shè)計優(yōu)化和綜合應(yīng)用方面仍屬空白，各類處理工藝雖已積累了大量現(xiàn)場中試、實際運行數(shù)據(jù)和各自工藝尋優(yōu)策略，但始終處于各自圈地、缺少統(tǒng)籌狀態(tài)，無論是環(huán)保公司、中試所，還是設(shè)計院、設(shè)備廠家，這方面的研究都多有欠缺。因此，企圖從市場現(xiàn)有成熟脫硫廢水的工藝路線、處理方案、運營成本等因素的綜合分析入手，為脫硫廢水處理工藝的尋優(yōu)設(shè)計提供一些導向性建議，為項目精益設(shè)計提供思路，助力火力發(fā)電廠在滿足國家排放標準的同時，合理降低環(huán)保設(shè)施造價、運營成本，實現(xiàn)火力發(fā)電企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。