隨著2015年1月1日起新環(huán)保法的正式施行，以及2015年4月頒布實(shí)施的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》即“水十條”的頒布，我國(guó)加強(qiáng)了對(duì)水污染的治理力度，燃煤電廠濕法脫硫需排出脫硫廢水，而脫硫廢水的處理成為很多電廠的難題，為實(shí)現(xiàn)電廠廢水的近零排放，利用煙氣余熱蒸發(fā)脫硫廢水的技術(shù)將有著廣闊的應(yīng)用前景。本文同時(shí)闡明了脫硫廢水處理面對(duì)的現(xiàn)實(shí)困難，指出采用脫硫廢水蒸發(fā)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電廠脫硫廢水甚至高濃度含鹽水零排放的重要途徑，該技術(shù)充分利用了煙氣余熱，同時(shí)脫硫廢水得到了有效處理，符合國(guó)家政策上對(duì)燃煤電廠的節(jié)能環(huán)保的要求。相信通過(guò)更多深入的研究，燃煤電廠脫硫廢水蒸發(fā)處理技術(shù)會(huì)逐步成熟并得以推廣應(yīng)用。

1、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，電力需求迅猛增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致電廠SO2的排放量提高。SO2的排放造成我國(guó)大面積的酸雨危害，因此我國(guó)不斷加大燃煤電廠煙氣治理力度，特別是《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)實(shí)施后電廠將面臨更嚴(yán)格的環(huán)保限制。

目前我國(guó)燃煤電廠大多采用濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫(FGD)，此法脫硫效率高，技術(shù)成熟;適用煤種廣，對(duì)鍋爐負(fù)荷變化的適應(yīng)性強(qiáng);吸收劑資源豐富;脫硫副產(chǎn)物(無(wú)水石膏)便于綜合利用。為防止脫硫系統(tǒng)的腐蝕，維持脫硫漿液中氯的濃度，會(huì)排出更多脫硫漿液，使脫硫廢水的排放量增加。脫硫廢水pH在4.5-6.5，其中含有大量亞硝酸鹽、懸浮物、重金屬離子等，必須經(jīng)過(guò)處理后達(dá)標(biāo)排放。目前應(yīng)用最為廣泛的脫硫廢水處理工藝為化學(xué)沉淀法。該法設(shè)置單獨(dú)的廢水處理系統(tǒng)，但這種方法也有很多的缺點(diǎn)，如系統(tǒng)龐大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，導(dǎo)致能耗較高，且Cl-、F-沒(méi)有有效的去除，從而使處理后的廢水無(wú)法回收利用。因此本文提出了利用煙氣余熱將脫硫廢水進(jìn)行霧化蒸發(fā)處理的新型技術(shù)，此技術(shù)不僅解決了常規(guī)處理方法的不環(huán)保、能耗大等一系列問(wèn)題，同時(shí)，不僅是脫硫廢水，甚至是電廠的高濃度含鹽水也可用此法一并處理，從而真正實(shí)現(xiàn)電廠廢水的零排放。

2、燃煤電廠脫硫廢水處理現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

由于燃煤煙氣中還有少量的F-和Cl-，進(jìn)入脫硫塔后進(jìn)入洗滌漿液，F(xiàn)-會(huì)和漿液中的Al絡(luò)合從而對(duì)石灰石的溶解產(chǎn)生掩蔽效應(yīng);而Cl-濃度過(guò)高會(huì)對(duì)吸收塔產(chǎn)生腐蝕，因此石灰石-石膏濕法煙氣脫硫過(guò)程中要排出一部分漿液作為脫硫廢水。脫硫廢水水質(zhì)比較特殊，各工序排出的廢水水質(zhì)因電廠使用燃料、脫硫裝置類型、煤種等不同而異，但其中含有大量亞硝酸鹽、亞硫酸鹽、懸浮物、重金屬離子(如汞和硒)等，且pH較低，因此必須經(jīng)過(guò)處理后達(dá)標(biāo)排放或回收利用。

目前世界上應(yīng)用最為廣泛的脫硫廢水處理工藝為化學(xué)沉淀法，其典型工藝如圖1所示，其主要過(guò)程如下：

(1)勻質(zhì)：通過(guò)攪拌、緩沖，使不同時(shí)段排出的廢水均勻混合，穩(wěn)定水質(zhì)水量，以利于后續(xù)處理;

(2)廢水堿化：排出的廢水進(jìn)入pH調(diào)節(jié)池，向池中加入NaOH等堿性物質(zhì)，提高廢水pH，使得廢水中的Fe3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+等大部分重金屬離子得到去除，為了防止生成的沉淀進(jìn)一步反應(yīng)生成羥基化合物，一般pH調(diào)節(jié)在9左右;

(3)重金屬沉淀：加入S2-或者有機(jī)硫，與廢水中剩余的Hg2+和Pb2+反應(yīng)生成HgS和PbS沉淀;

(4)混凝處理：向廢水中加入混凝劑使廢水中剩余的細(xì)小而分散的顆粒和膠體物質(zhì)凝聚成大顆粒沉淀下來(lái)，通過(guò)混凝劑的壓縮雙電層效應(yīng)，促使重金屬氫氧化物凝并、沉淀;

(5)澄清：混凝后的廢水進(jìn)入澄清池，依靠重力進(jìn)行沉降，將上層達(dá)標(biāo)清液排放。

(6)對(duì)泥渣脫水，壓濾成污泥濾餅特殊處理。

圖1 典型脫硫廢水處理系統(tǒng)工藝流程

化學(xué)沉淀法是目前我國(guó)電廠應(yīng)用最廣泛的脫硫廢水處理方法，該法處理后的水質(zhì)能夠達(dá)標(biāo)，且對(duì)副產(chǎn)品石膏能夠進(jìn)行綜合利用，有較好的經(jīng)濟(jì)性，但是這種方法也有很多缺點(diǎn)：1)投資較大，需要單獨(dú)的化學(xué)加藥系統(tǒng)，也需要大量的化學(xué)藥劑;2)系統(tǒng)龐大，維護(hù)費(fèi)用較高;3)目前對(duì)Cl-、F-沒(méi)有有效的去除方法，而且Cl-在酸性條件下有很大的腐蝕性，因此處理后的廢水無(wú)法回收利用。4)隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，脫硫廢水中COD和其他有害元素，如硒等，已引起監(jiān)管部門(mén)的關(guān)注。

脫硫廢水的污染物含量主要取決于煤燃燒的形式、靜電除塵器的除塵效率、補(bǔ)給水中的雜質(zhì)的種類、石灰石中重金屬和雜質(zhì)的成分及含量等，甚至石膏脫水所選用的設(shè)備對(duì)其成分也有影響?？梢?jiàn)，脫硫廢水的成分非常復(fù)雜，傳統(tǒng)處理方式的處理難度很大。其處理過(guò)程中的過(guò)飽和、重金屬、懸浮物的去除和高達(dá)30000-60000 mg/l的氯含量如何降低。若廢水中含有硒、硝酸鹽和有機(jī)物，在排放之前還要進(jìn)行生物處理。這種處理方法能夠減少重金屬和懸浮物含量，酸度和需氧量，但是不能減少氯含量和總?cè)芙夤腆w(TDS)。隨著國(guó)家對(duì)汞等重金屬污染物的排放逐漸重視，傳統(tǒng)的生化處理方法已不再適用，急需新的廢水處理方法的出現(xiàn)。

3、電廠高濃度含鹽水現(xiàn)狀及廢水零排放

除了脫硫廢水，電廠還有其他的高濃度含鹽廢水需要處理，如反滲透的濃水，高循環(huán)倍率的循環(huán)冷卻水排水，部分鍋爐排污水、電廠化學(xué)車(chē)間樹(shù)脂再生酸堿液的中和水等。以內(nèi)蒙古某發(fā)電廠為例,現(xiàn)有2臺(tái)330MW發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組化學(xué)水處理反滲透系統(tǒng)排水濃水30t/h左右，循環(huán)冷卻水排污水20t/h左右，也即單臺(tái)機(jī)組外排廢水50t/h，如果兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，一天排放污水高達(dá)2400t左右，按照水資源費(fèi)用5元/t，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)7000小時(shí)計(jì)算，一年水資源費(fèi)用達(dá)350萬(wàn)元，另外排污費(fèi)用按1元/t計(jì)算，一年排污費(fèi)達(dá)70萬(wàn)元，這還沒(méi)有計(jì)算管理以及污水排放的運(yùn)行費(fèi)用。該廠反滲透產(chǎn)生的濃水，其中無(wú)機(jī)鹽濃度達(dá)3000-4000mg/L，循環(huán)冷卻水中無(wú)機(jī)鹽濃度可達(dá)2000mg/L。

如果電廠高濃度含鹽水得不到妥善的處置，直接排入天然水體，必然會(huì)對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生不利影響，增加局部地區(qū)的鹽分。由于濃水含鹽量高，傳統(tǒng)的給排水處理都無(wú)法有效地解決。目前對(duì)于高濃度含鹽水基本沒(méi)有進(jìn)行特別的處置。高濃度含鹽水中含有各種有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物，若直接排放可能會(huì)對(duì)土壤、地表水、地下水等產(chǎn)生污染。對(duì)于中國(guó)內(nèi)蒙古這類深居內(nèi)陸，地處干旱、半干旱地帶，大陸性氣候明顯，大氣降水少，蒸發(fā)量大，水資源匱乏的地區(qū)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，將面臨著嚴(yán)重的缺水挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)電廠的節(jié)能節(jié)水，同時(shí)考慮到人與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，電廠廢水零排放更具有現(xiàn)實(shí)的意義。

4、新型廢水噴霧蒸發(fā)處理技術(shù)

綜合上述關(guān)于脫硫廢水及高含鹽水處理的研究，提出了一種脫硫廢水噴霧蒸發(fā)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電廠廢水零排放。如圖2所示，將脫硫系統(tǒng)排出的廢水漿液與加壓空氣混合后，廢水經(jīng)霧化噴入空預(yù)器與除塵器之間煙道內(nèi)，霧化液滴與高溫?zé)煔獬浞纸佑|，氣液兩相發(fā)生強(qiáng)烈熱交換后蒸發(fā)，煙氣溫度降低至酸露點(diǎn)以上。廢水蒸發(fā)后所析出的金屬鹽、懸浮物等物質(zhì)隨煙氣進(jìn)入后面的除塵系統(tǒng)中被脫除。

圖2脫硫廢水蒸發(fā)系統(tǒng)工藝圖

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，某電廠煙氣脫硫工程單臺(tái)300 MW 機(jī)組脫硫廢水排放量?jī)H為4.2m3/h，水溫為52℃，除塵器前煙道中煙氣溫度為142 ℃，噴入煙道的霧化脫硫廢水迅速在煙道中蒸發(fā)，脫硫廢水中的固體物(重金屬、雜質(zhì)以及各種金屬鹽等)和灰一起懸浮在煙氣中并隨煙氣進(jìn)入電除塵器中被捕捉，因脫硫廢水中固體量和各種金屬鹽含量?jī)H為395 kg/h，對(duì)灰的物性及綜合利用不會(huì)產(chǎn)生影響。經(jīng)計(jì)算，脫硫廢水噴入煙氣后，煙氣濕度由7.14% 增加至7.56% ，煙氣溫度由142 ℃降至136 ℃，煙氣處于不飽和狀態(tài)，高于酸露點(diǎn)溫度，不會(huì)對(duì)煙道和電除塵器產(chǎn)生腐蝕。同時(shí)，因煙氣溫度的降低及含濕量的增加，減少了FGD系統(tǒng)的水耗量。

日本三菱重工為一臺(tái)500MW機(jī)組設(shè)計(jì)了脫硫廢水蒸發(fā)系統(tǒng)。從空預(yù)器前煙道旁路抽取3.5%的煙氣量用于廢水蒸發(fā)，這使得熱能降低了0.4%。廢水中的重金屬及鹽類等干態(tài)物質(zhì)使后續(xù)除塵設(shè)備灰塵處理量增加3%。經(jīng)實(shí)測(cè)表明，廢水中的氯化物經(jīng)蒸發(fā)處理后形成一種和飛灰大小相似的鹽類，廢水中含有的汞形成固體沉淀下來(lái)。該蒸發(fā)系統(tǒng)所產(chǎn)生的固體物能夠被獨(dú)立捕獲下來(lái)并與飛灰或其他如水泥、石灰等物質(zhì)形成一種穩(wěn)定的產(chǎn)物。

5、脫硫廢水蒸發(fā)相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，脫硫廢水利用煙氣余熱蒸發(fā)技術(shù)還少有在燃煤電廠應(yīng)用，理論研究也很匱乏。在研究早期由于技術(shù)上無(wú)法對(duì)霧滴蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行細(xì)致的觀察，學(xué)者們先對(duì)蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了純理論上的數(shù)值模擬。Gradinger和Bouloueho 在1998年確立了一種零維液滴蒸發(fā)模型，但液滴在蒸發(fā)過(guò)程中物理參數(shù)隨溫度變化沒(méi)有充分考慮，同時(shí)忽略了蒸發(fā)時(shí)液滴內(nèi)部溫度梯度的產(chǎn)生，因此模擬結(jié)果缺乏真實(shí)性。Nasser Ashgriz等提出對(duì)流對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律及修正。Lili Zhang模擬了液滴干燥過(guò)程，考慮了液滴內(nèi)部組分的轉(zhuǎn)移過(guò)程和溫度梯度的存在，這直接影響了液滴表面的蒸發(fā)速率。Kim H等研究了環(huán)境壓力對(duì)液滴蒸發(fā)的影響。YoungchulRa應(yīng)用離散多組分燃料液滴模型對(duì)多組分燃料噴霧和蒸發(fā)進(jìn)行了模擬計(jì)算，熱流量表達(dá)式通過(guò)近似準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)能量平衡獲得，忽略輻射的影響。Godsave提出了用于估算液滴蒸發(fā)過(guò)程的直徑平方蒸發(fā)定律，該模型沒(méi)有考慮液相傳熱和傳質(zhì)。國(guó)內(nèi)方面，張子敬等建立了噴霧液滴群煙氣蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)模型對(duì)液滴粒徑和蒸發(fā)速度進(jìn)行研究;盧江等建立了煙氣與液滴在相互運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下液滴直徑隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型;蔣勇等通過(guò)離散液滴模型對(duì)霧化液滴蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，計(jì)算得到粒子軌跡圖。郭靜娟進(jìn)行了脫硫廢水煙道蒸發(fā)的工程試驗(yàn)并提出廢水調(diào)質(zhì)處理的必要性，論證了該技術(shù)的可行性。張志榮等在多種不同條件下對(duì)脫硫廢水蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬，從理論上論證了該技術(shù)的可行性。

但脫硫廢水蒸發(fā)與常規(guī)蒸發(fā)具有較大的差異，一是蒸發(fā)要求更高，要求脫硫廢水在短時(shí)間內(nèi)完全蒸發(fā);二是脫硫廢水成分復(fù)雜，其中含有易分解成分，這需要嚴(yán)格控制蒸發(fā)溫度區(qū)間和時(shí)間;三是脫硫廢水的比熱是變化的，因此研究脫硫廢水成分與比熱的關(guān)系，通過(guò)精確的數(shù)值控制來(lái)實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)過(guò)程是有必要的。

6、脫硫廢水蒸發(fā)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及存在的難題

6.1 脫硫廢水蒸發(fā)技術(shù)的具體優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)廢水蒸發(fā)相變促進(jìn)PM2.5凝并，便于除塵器和FGD系統(tǒng)對(duì)PM2.5的捕捉及脫除;

(2)降低濕法煙氣脫硫吸收塔入口煙氣溫度，減少吸收塔脫硫水的蒸發(fā)水耗;

(3)省去了傳統(tǒng)脫硫廢水處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了廢水的零排放，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用及藥品費(fèi)等;

(4)由于煙氣溫度降低，煙氣比容降低，機(jī)組引風(fēng)機(jī)做功減少，從而有效降低機(jī)組引風(fēng)機(jī)功耗;

(5)除塵效率提高使進(jìn)入吸收塔的粉塵含量大量降低，可有效改善脫硫石膏品質(zhì)，也減少除霧器堵塞的幾率;

(6)由于脫硫后煙氣含水量大幅降低，脫硫后排放煙氣濕份下降，煙羽抬升高度升高，有利于污染物擴(kuò)散，可減輕或消除煙囪周邊“石膏雨”現(xiàn)象。

6.2 目前脫硫廢水蒸發(fā)技術(shù)也同樣面臨著巨大的挑戰(zhàn)：

(1)脫硫廢水呈酸性，蒸發(fā)不完全易對(duì)煙道造成腐蝕;

(2)蒸發(fā)產(chǎn)物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律尚不明晰，控制硫物種的再分解至關(guān)重要;

(3)理論研究不足，研究不夠深入，在國(guó)內(nèi)只有少數(shù)文獻(xiàn)中有所提及;

(4)國(guó)內(nèi)研究大部分以數(shù)值模擬為主，但缺少與實(shí)際擬合度較高的動(dòng)力學(xué)模型。

上述問(wèn)題制約了該技術(shù)的理論研究及工業(yè)應(yīng)用，尚需開(kāi)展多方面的研究揭示該過(guò)程有關(guān)的調(diào)控與化學(xué)機(jī)制。

7、技術(shù)應(yīng)用前景

近年來(lái)中國(guó)很多地區(qū)飽受PM2.5的危害，多次出現(xiàn)霧霾天氣，而來(lái)自于燃煤電廠煙囪排放的顆粒物及主要?dú)鈶B(tài)污染物貢獻(xiàn)較大。該技術(shù)能夠降低脫硫后煙氣含濕量從而提高煙氣抬升高度，便于煙氣擴(kuò)散，減少了煙囪周?chē)?ldquo;石膏雨”的形成。此外，脫硫廢水蒸發(fā)相變促進(jìn)PM2.5凝并，粒徑增大，便于電除塵器、FGD系統(tǒng)捕捉脫除，從而減少燃煤電廠PM2.5的排放，減輕燃煤電廠面臨的大氣污染壓力。

在世界上很多國(guó)家，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致直接燃燒原煤用以發(fā)電，由此帶來(lái)電廠大量水耗以及大量廢水的產(chǎn)生。因此優(yōu)化、改善并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、鼓勵(lì)節(jié)能是解決能源與環(huán)境矛盾的必由之路。從自然科學(xué)理論研究與工程技術(shù)開(kāi)發(fā)角度，跨學(xué)科、前瞻性地研究脫硫廢水蒸發(fā)技術(shù)是十分必要和迫切的。

盡管蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展已有很多年，但對(duì)于其應(yīng)用于脫硫廢水少有學(xué)者研究且僅有少數(shù)電廠安裝，操作和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)十分匱乏。考慮到未來(lái)電廠的廢水廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格和該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上的可行性，在未來(lái)蒸發(fā)處理將是一種被廣泛使用的方法，其帶來(lái)的水耗、電耗的降低、廢水零排放帶來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省必將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，應(yīng)加大這方面的研究力度并逐漸在現(xiàn)有燃煤電廠中推廣。

(馬雙忱 柴峰 于偉靜 華北電力大學(xué)環(huán)境學(xué)院，河北保定)