脫硫廢水零排低溫低壓蒸發(fā)技術(shù)
1.實驗原因及目的
(1)實驗原因
石灰石-石膏濕法煙氣脫硫過程中，由于煙氣中HCl及石灰石脫硫劑中含氯組分等的溶解吸收，會使脫硫漿液中Cl濃度逐漸升高，為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行和保證石膏品質(zhì)，需控制脫硫漿液中Cl濃度不高于20000mg/L，定期排出一部分漿液，即脫硫廢水，廢水成分主要包括懸浮物、過飽和的亞硫酸鹽和硫酸鹽、無機鹽離子（Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-）及重金屬等，其中很多是國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中要求控制的第一類污染物。由于水質(zhì)的特殊性及各種重金屬離子對環(huán)境很強的污染性，脫硫廢水處理難度大且需進行單獨處理。因此，盡管脫硫廢水水量在電廠廢水中比例較小，但是其含鹽量高、污染種類多、水質(zhì)波動大，已成為燃煤電廠中成分最復(fù)雜、處理難度最大的廢水。隨著廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格及用水、排水收費制度的建立，火電廠作為用水、排水大戶，無論從環(huán)境保護還是從經(jīng)濟運行角度，節(jié)約用水和減少外排廢水已變得十分必要。
2015年4月16日，國務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動計劃》，簡稱“水十條”。嚴(yán)苛的環(huán)保政策促使電廠的廢水必須實施零排放。
現(xiàn)有常規(guī)的脫硫廢水零排放工藝路線比較，如表1。
通過表1比較結(jié)果，不難看出，低溫蒸發(fā)濃縮+旁路煙道蒸發(fā)最大的優(yōu)點就是無需進行預(yù)處理，而且不受廢水處理總量限制，有很高的靈活性，且操作簡單，日常維護量小等，在廢水零排放市場，具有很強的優(yōu)勢，未來市場空間很大。同時，該工藝在運行過程中，將廢水濃縮的同時，將廢水中的水蒸發(fā)出來，回收利用，在實現(xiàn)廢水零排放的同時，還可以實現(xiàn)節(jié)水的目的。
(2)實驗?zāi)康?/p>
①由于廢水含Ca2+、Mg2+、SO42-高，濃縮后設(shè)備尤其是換熱器易堵塞，重點考慮晶種法防結(jié)垢問題，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行；
②摸索各設(shè)備換熱系數(shù)K。
2.實驗原理及工藝描述
(1)實驗原理
低溫蒸發(fā)技術(shù)原理：將脫硫廢水加熱到一定溫度后引入蒸發(fā)室，由于該蒸發(fā)室中的壓力控制在低于熱脫硫廢水溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓的條件下，故熱脫硫廢水進入蒸發(fā)室后急速地部分氣化，從而使熱脫硫廢水自身實現(xiàn)了濃縮的目的。
(2)工藝描述
本試驗選擇單效強制循環(huán)蒸發(fā)工藝，熱源選用低品位蒸汽。
物料流向：原料經(jīng)進料泵進入蒸發(fā)室，蒸發(fā)室內(nèi)廢水經(jīng)強制循環(huán)泵輸送至加熱室管程，而后被加熱后的廢水再次進入蒸發(fā)室蒸發(fā)濃縮，達(dá)到濃縮要求后經(jīng)出料泵排出。
蒸汽及冷凝水流向：飽和生蒸汽進入加熱室殼程與原料進行換熱，冷凝后排至界外再利用；分離產(chǎn)生的二次蒸汽進入間接冷凝器，與間接冷凝器殼程的循環(huán)水換熱冷凝后，冷凝水進入冷凝水罐收集，輸送至外界再利用，間接冷凝器內(nèi)的不凝氣由真空泵排出。
本套系統(tǒng)中會產(chǎn)生少量不凝氣，長期積累會在冷凝側(cè)的局部形成較高濃度，導(dǎo)致傳熱效率明顯下降，本蒸發(fā)系統(tǒng)在加熱室設(shè)有專用的不凝氣排出口，因此在蒸發(fā)過程中可隨時打開不凝氣閥門進行定期排出，以提高傳熱效率。
3.實驗數(shù)據(jù)及分析
本實驗裝置按照廢水進料量1000kg/h，蒸發(fā)量按照667kg/h，濃縮倍率按照3倍進行設(shè)計。
試驗過程中進行了兩組168連續(xù)運行試驗，一組原水取自澄清器后，另外一組原水取自三聯(lián)箱前。
澄清器后原水中主要為可溶解性鹽分及少量懸浮物，澄清器后取水168期間，進入系統(tǒng)的廢水總量184t（含可溶性鹽及懸浮物）,平均每小時廢水給料量1095kg/h；二次蒸汽冷凝水總量116.28t,平均每小時蒸發(fā)量為692kg/h；平均濃縮倍率2.72倍。本組試驗濃縮液出料泵排放量與進料泵流量連鎖，進料泵流量與蒸發(fā)室液位連鎖，由于蒸發(fā)室液位波動較大，未達(dá)到濃縮倍率要求，所以在8月14日19:10修改濃縮倍率為3.6，8月15日10:47修改濃縮倍率為4，15:28調(diào)整濃縮倍率為4.5。
三聯(lián)箱前原水中主要為可溶解性鹽分及懸浮物，懸浮物濃度為1%～3%，三聯(lián)箱前取水168期間，進入系統(tǒng)的廢水總量193t（含可溶性鹽及懸浮物）,平均每小時廢水給料量1149kg/h；二次蒸汽冷凝水總量122.69t，平均每小時蒸發(fā)量為730kg/h；平均濃縮倍率2.74倍。本組試驗濃縮液出料泵排放量與二次蒸汽冷凝水流量連鎖，進料泵流量與蒸發(fā)室液位連鎖，蒸發(fā)室液位波動范圍調(diào)小，且168試驗期間未進行參數(shù)調(diào)整。
(1)熱量平衡
①澄清器后取水
A.進入系統(tǒng)熱量
B.帶出系統(tǒng)熱量
C.熱量損失：11.06%
②三聯(lián)箱前取水
A.進入系統(tǒng)熱量
B.帶出系統(tǒng)熱量
C.熱量損失：9.84%
(2)水平衡
(3)Cl平衡
①澄清器后取水
澄清器后取水試驗過程，水質(zhì)化驗結(jié)果，據(jù)分析415號原水樣品，430～433號濃縮液樣品中Cl離子濃度有問題，故在Cl平衡計算過程中有問題的樣品中的Cl濃度采用實驗過程中自己化驗的數(shù)據(jù)，得出以下計算結(jié)果。
由于廢水來水水質(zhì)有波動，所以取樣化驗結(jié)果與實際會有誤差。
(4)pH變化曲線
(5)密度變化曲線
澄清器后取水：原水密度基本穩(wěn)定在1.02～1.04t/m3之間，濃縮液后邊密度升高，是因為提高了濃縮倍率。
三聯(lián)箱前取水：原水密度基本穩(wěn)定在1.04～1.08t/m3之間，含固量1%～3%之間，其中14日化驗結(jié)果顯示，取樣存在問題，剔除該點。整體來看，原水濃度發(fā)生變化時第二天濃縮液的數(shù)據(jù)也會隨之發(fā)生變化，變化趨勢與前一天原水濃度變化趨勢一致。
(6)TDS變化曲線
澄清器后取水：原水TDS基本穩(wěn)定，略有降低，濃縮液后邊TDS濃度升高，是因為提高了濃縮倍率。一天之內(nèi)即可達(dá)到設(shè)定濃縮倍率。
三聯(lián)箱前取水：試運行第二天即可達(dá)到設(shè)定濃縮倍率，濃縮液TDS與原水TDS變化趨勢基本一致。
(7)Cl變化曲線
澄清器后取水：原水Cl基本穩(wěn)定，略有降低，濃縮液后期濃縮液Cl濃度升高，是因為提高了濃縮倍率。
(8)濃縮倍率變化曲線
本曲線濃縮倍率按照后一天濃縮液TDS濃度與前一天原水TDS值計算得來。
澄清器后取水168期間，中間出現(xiàn)循環(huán)水泵故障，導(dǎo)致停機2次，蒸汽管路泄露導(dǎo)致停機1次。
澄清器后取水168期間，濃縮液出料泵排放量與進料泵流量連鎖，進料泵流量與蒸發(fā)室液位連鎖，由于蒸發(fā)室液位波動較大，所以前期未達(dá)到濃縮倍率要求，所以在8月14日19:10修改濃縮倍率為3.6，8月15日10:47修改濃縮倍率為4，15:28調(diào)整濃縮倍率為4.5，濃縮倍率才達(dá)到要求。
三聯(lián)箱前取水168期間，濃縮液出料泵排放量與二次蒸汽冷凝水流量連鎖，進料泵流量與蒸發(fā)室液位連鎖，蒸發(fā)室液位波動范圍調(diào)小，且168試驗期間未進行參數(shù)調(diào)整，所以濃縮倍率較為平穩(wěn)。
(9)成分分析
①不帶晶種
對第一組實驗中分離室垢層、分離室人孔門垢層進行成分分析，CaSO4?2H2O≥99%。
②帶晶種
對第二組試驗中原水懸浮物、濃縮液懸浮物、濃縮液濾液結(jié)晶鹽進行成分分析，懸浮物中半水硫酸鈣考慮為烘干過程中失掉結(jié)晶水，所以懸浮物成分以CaSO4?2H2O為主；濃縮液濾液結(jié)晶鹽成分以MgCl2?6H2O為主。
4.結(jié)垢情況
(1)澄清器后取水
2020年8月10日-2020年8月17日，進行了第一組168實驗數(shù)據(jù)，廢水從澄清器后引入蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，通過運行情況來看，運行期間，換熱效果未出現(xiàn)明顯下降，實驗結(jié)束后，打開分離室人孔門及加熱器變徑管，觀察系統(tǒng)結(jié)垢情況，分離室壁板結(jié)垢厚度約1mm，顏色呈紅色，對分離室壁板結(jié)垢以及分離室人孔門結(jié)垢進行成分分析，CaSO4?2H2O≥99%，成分分析中未發(fā)現(xiàn)Fe3+存在，考慮可能是有機物導(dǎo)致廢水顏色及結(jié)垢層顏色為紅色。
(2)三聯(lián)箱前取水
2020年10月10日-2020年10月17日，進行了第二組168實驗數(shù)據(jù)，廢水從三聯(lián)箱前引入蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，運行前，系統(tǒng)內(nèi)結(jié)垢未進行酸洗，在原結(jié)垢基礎(chǔ)上繼續(xù)運行，通過運行情況來看，運行期間換熱效果未出現(xiàn)明顯下降，實驗結(jié)束后，打開分離室人孔門及加熱器變徑管，觀察系統(tǒng)結(jié)垢情況，換熱器及分離室壁板結(jié)垢厚度未出現(xiàn)明顯增加，結(jié)垢層厚度仍為1mm左右，且分離室結(jié)垢出現(xiàn)了局部脫落情況。
5.傳熱系數(shù)
(1)加熱室傳熱系數(shù)
用生蒸汽溫度和循環(huán)漿液溫度計算，加熱室傳熱系數(shù)～1050kJ/(h.m2.℃)，低于設(shè)備廠家提供的600～800W/(h.m2.℃)；根據(jù)運行參數(shù)，加熱室生蒸汽冷凝水溫度低于50℃，說明加熱室選型偏大，加熱室內(nèi)存有生蒸汽冷凝水，導(dǎo)致加熱室換熱面積并未得到充分利用，所以用設(shè)計換熱面積核算的換熱系數(shù)偏低。
(2)冷凝器傳熱系數(shù)
用循環(huán)水進出口溫度、二次蒸汽溫度、二次蒸汽冷凝水溫度計算，冷凝器傳熱系數(shù)2200～2900kJ/(h.m2.℃)，高于設(shè)備廠家提供的500W/(h.m2.℃)。
6.結(jié)論
(1)系統(tǒng)運行
兩次168試運行期間，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，換熱效果良好，系統(tǒng)未出現(xiàn)處理能力下降情況。系統(tǒng)最大出力，二次蒸汽最大蒸發(fā)量可達(dá)1.27t/h。
(2)二次蒸汽冷凝水水質(zhì)
①澄清器后取水168運行期間，二次蒸汽冷凝水水質(zhì)非常好，TDS濃度為5～10mg/L，完全可以回收利用。
②三聯(lián)箱前取水168運行期間，二次蒸汽冷凝水水質(zhì)非常好，TDS濃度為＜15mg/L，完全可以回收利用。
(3)系統(tǒng)結(jié)垢
澄清器后取水168運行期間，系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了少量結(jié)垢，結(jié)垢層厚度1mm左右，顏色呈紅色，對分離室壁板結(jié)垢以及分離室人孔門結(jié)垢進行成分分析，CaSO4?2H2O≥99%，成分分析中未發(fā)現(xiàn)Fe3+存在，考慮可能是有機物導(dǎo)致廢水顏色及結(jié)垢層顏色為紅色。
三聯(lián)箱前取水168運行期間，垢層在原有垢層基礎(chǔ)上未見明顯增加，而且出現(xiàn)了局部脫落情況。
結(jié)垢層沒有影響系統(tǒng)換熱效果以及系統(tǒng)的連續(xù)運行，且晶種法有良好的防結(jié)垢的效果。
(4)傳熱系數(shù)
加熱室生蒸汽冷凝水溫度低于50℃，說明加熱室選型偏大，加熱室內(nèi)存有生蒸汽冷凝水，導(dǎo)致加熱室換熱面積并未得到充分利用，導(dǎo)致核算加熱室傳熱系數(shù)～1050kJ/(h.m2.℃)。
冷凝器傳熱系數(shù)2200～2900kJ/(h.m2.℃)，高于設(shè)備廠家提供的500W/(h.m2.℃)。（來源：北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司，安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司）