垃圾发电厂化学水处理(电厂化学水处理系统图)

 我国的电力来源中火电占绝对优势,煤燃烧过程中,燃煤中硫化物会随着煤的燃烧形成含硫烟气,直接排放将造成大气污染,因此火电厂的烟气脱硫工艺是控制火电厂大气污染源的必须措施。烟气脱硫工艺(FGD)中以湿法脱硫工艺效果最好,总脱硫效率高达95%以上,该工艺应用比例最大。但是FGD工艺在脱硫过程中会产生高含盐废水,具有含重金属离子、高浊度、高硬度、高氯离子、高硫酸根、呈酸性等特点,常规处理方式是通过三联箱去除脱硫废水中的重金属离子,以实现DL/T997-2006达标排放。然而随着环保要求的不断提高,常规处理方法已经不能满足要求,使得脱硫废水的零排放成为了火电厂污染防治的关注焦点。

  对于已建成的火电厂,脱硫废水零排放基本是在原有的三联箱工艺基础上实施的,各类零排放工艺均作了有益的尝试。主要包括双碱软化、去浊预处理工艺,反渗透等浓缩减量工艺和蒸发结晶工艺等。但是现有的零排放工艺存在工艺流程长、投资大、运行维护成本高和操作复杂等问题,还没有一种方案占主导地位。

  烟气蒸发技术处理脱硫废水,是通过雾化喷嘴将预处理后的脱硫废水喷入烟道或旁路烟道内,雾化后的脱硫废水液滴经过与热烟气的传质与传热作用迅速蒸发,废水中的污染物结晶析出后随烟气中的烟尘一起被后续除尘器捕集。该工艺可达到以废治废的目的,被推荐为实现脱硫废水零排放的可行性技术。结合湖北中部某火电厂烟道喷雾蒸发处理脱硫废水的工程实践,研究烟气喷雾蒸发处理脱硫废水的工艺路线、技术关键点及处理效果。

  1、烟气喷雾蒸发技术

  烟气喷雾蒸发技术处理脱硫废水包含2种:1种是经预处理、反渗透膜法减量,回用部分淡水,再将系统浓缩水雾化导入烟气系统;另1种是仅经简单预处理后不再经过膜浓缩减量直接雾化导入烟气系统。按脱硫废水导入烟气的位置可分为2类,第1类如图1所示,是在火电厂空气预热器后、电除尘器前的烟道内喷入经过雾化后的脱硫废水,在低温烟气余热的加热作用下,水分被完全蒸发成汽相水蒸汽,而盐分随着水分蒸发结晶成固体颗粒,被除尘器捕捉进入粉煤灰;第2类如图2所示,在空气预热器入口之前引出旁路高温烟气,脱硫废水与高温烟气在喷淋塔中进行热交换而蒸发,从而达到脱硫废水零排放的目的。

垃圾发电厂化学水处理(电厂化学水处理系统图)

垃圾发电厂化学水处理(电厂化学水处理系统图)

  高温旁路法对主烟道内烟气特性的影响小,但投资相对较大,由于抽取了大量锅炉排出高温烟气,因此存在降低锅炉效率的风险。当高温旁路出口烟气温度低于电除尘进口温度时,还需要通过加热方式提高温度,以平衡烟气温度。

  烟气喷雾蒸发技术需要在一定时间内蒸发定量的脱硫废水,而且不能对烟道结构及后续工艺产生负面影响。因此脱硫废水形成的微小雾滴喷入到烟气流后,需在尽量短的时间内完全蒸发汽化,否则未完全蒸发的雾滴会对烟道和电除尘器产生腐蚀。本技术的关键是控制一定时间内液滴群的蒸发质量和雾化液滴在烟气内的完全蒸发时间,以及减少喷雾蒸发后对后续电除尘等工艺的影响。如果主烟道尺寸和烟气质量不满足脱硫废水完全蒸干的要求,则采用主烟道蒸发方法,如果不能满足要求,则宜考虑采用高温旁路蒸发法。

  2、实施方法

  采用火电厂3#机组(330MW亚临界自然循环锅炉)产生的脱硫废水进行烟气蒸发零排放工程应用研究。机组产生脱硫废水量最大为5t/h,日常量为3t/h左右。3#机组锅炉烟气从2台空气预热器流出进入4个烟道,最后再进入2台电除尘器,空气预热器出口至电除尘器进口单个烟道总长度44.5m。利用UG10.0软件对单个烟道进行建模,其立体模型如图3所示。

垃圾发电厂化学水处理(电厂化学水处理系统图)

  3#机组脱硫废水经过简单预处理去除废水中的浊度,用水泵将废水送到空气预热器和除尘器之间烟道中的介质雾化喷嘴进行雾化蒸发。根据电厂目前使用的燃煤数据进行燃烧计算,确定烟气特性参数,进行热平衡计算,确定喷雾后烟气温度降低,分析脱硫废水喷雾蒸发对粉煤灰利用的影响。

  烟气中含有空气、粉煤灰、二氧化硫、NOx等物质,可通过式(1)计算烟气在不同负荷时烟气的质量焓,以判定在不影响后续除尘工艺情况下,喷雾蒸发处理能否完全蒸干最大量的脱硫废水。

垃圾发电厂化学水处理(电厂化学水处理系统图)

  式中,hg和hg0为计算和理论烟气质量差,ha0为理论空气质量差,hfly为粉煤灰的质量差;α为不同机组负荷的过量空气系数,100%、75%和50%负荷时分别取1.38、1.42和1.68。随锅炉负荷的增加,烟气质量也和粉煤灰质量也都会上升,hg也会增加。

  由于采用空气预热器后烟气进行蒸发,烟气温度130℃左右,雾滴在烟道的停留时间短,且最大喷雾量大,因此要求雾化喷嘴在大流量时具有良好的雾化性能,且能够形成粒径均匀的雾滴,以保证蒸发效果。介质雾化是利用高速喷射介质(一般为压缩空气)的冲击作用来雾化液体,又称作双流体雾化。该种雾化方式在雾化流量较大时,具有平均雾化粒径小的优点,可将雾化液滴直径控制在优化的60μm左右,符合本项目的实际情况,针对本项目情况采用专用介质雾化喷嘴进行喷雾。此外,电厂有富余的压缩空气供应能力,无需新增压缩空气供应系统。

  为保证脱硫废水雾化质量,充分利用高温烟气热量、减少烟道内壁积灰可能,在单烟道下弯头上部均匀布置了多个雾化喷嘴,喷嘴采用专用防堵塞、耐磨型锥形喷嘴,以保证喷雾的均匀性和蒸发效果。设置烟道内窥监测系统,对可能积灰的位置进行窥视、监测。使用烟道吹灰装置,利用蒸汽对可能积灰的位置进行吹扫,防止积灰。

  脱硫废水烟道蒸发工艺单烟道流程如图4所示。

垃圾发电厂化学水处理(电厂化学水处理系统图)

  预处理后的脱硫废水,经过缓冲罐均化水质后由脱硫废水喷雾给水泵送至废水分配器,废水分配器起到均布3个雾化喷嘴水量的作用。厂区压缩空气经过空气净化器去除油分等杂质后进入压缩空气分配器,由压缩空气分配器均布进入雾化喷嘴的压缩空气量。经过均布的脱硫废水和压缩空气进入雾化喷嘴可使得3个雾化喷嘴保持一致工艺参数,从而保证雾化喷嘴喷雾的均一性。工程3#机组4个烟道上总共布置12个专用喷嘴,整个工艺流程短、设备少。

  3、运行结果与讨论

  在不同机组负荷条件下进行燃烧计算及锅炉热平衡计算,在不同负荷时喷入不同量的脱硫废水、烟气参数,如表1所示。

垃圾发电厂化学水处理(电厂化学水处理系统图)

  废水喷嘴至电除尘器进口烟道长度为34.5m,不同负荷下,烟道中烟气停留时间均大于2s。表2为在机组不同负荷情况下,喷入不同量的脱硫废水的完全蒸发时间t2、电除尘器入口烟气温度θg2、烟气温降Δθg以及烟气质量流量的变化ΔqV。

垃圾发电厂化学水处理(电厂化学水处理系统图)

  由表2可知,完全蒸发时间远小于烟气在烟道中的停留时间,可保证脱硫废水喷入后在进入电除尘器前完全蒸发,因此直接采用主烟道喷雾蒸发工艺是可行的。负荷增加时,烟气质量会增加,烟气可蒸干更多的废水。电除尘入口烟气温度都在110℃以上,均高于酸的露点,酸不会结露,不会对电除尘器及烟道产生腐蚀。脱硫废水经过烟道喷雾蒸发后,烟气平均温度降低,降低程度将随废水喷入量的增加而增加。烟道内实际状态下,100%、75%、50%负荷时烟气体积流量分别减少了1.46%、1.47%、1.41%,减少量较小。

  连续运行2个月时间后检查的烟道内部情况,发现易积灰的弯头部分和烟道水平段均未出现明显积灰现象。

  根据脱硫废水Cl-平衡计算可知(Cl-的质量浓度按20g/L计),废水干燥后的产物全部进入粉煤灰,蒸发析出的固体总量占烟气中粉煤灰总量小于0.6%,粉煤灰中Cl-的含量大约增加0.15%左右。按照GB175-2007要求,粉煤灰硅酸盐水泥中Cl-的质量分数要求不大于0.06%。根据此标准的要求,粉煤灰硅酸盐水泥混入粉煤灰的质量分数应>20%且≤40%,脱硫废水Cl-全部进入粉煤灰并混入硅酸盐水泥中,水泥中Cl-的质量分数在0.03%~0.06%,满足GB175-2007要求。

  由于脱硫废水的喷入,烟气湿度由7.15%增加至7.63%,烟气相对湿度增加0.5%左右,降低了粉煤灰的电阻,可以防止和减弱高比电阻粉尘的反电晕,从而可以提高电除尘器的除尘效率。同时,在脱硫塔的喷淋冷却作用下,水分凝结进入脱硫塔的浆液循环系统被重复利用,可以减少湿法脱硫工艺用水量。

  4、效益分析

  工程总投资400万元,远少于双碱软化、过滤+膜浓缩+蒸发结晶的传统工艺投资。工程中仅需对脱硫废水进行简单预处理,不需投加药剂,仅有电气系统、压缩空气系统的运行电耗,运行费用小于10元/t,远低于传统的工艺,且运行过程中无需专业操作人员及相关费用,实现无人值守,相比其他零排放工艺具有明显的经济效益优势。

  与传统脱硫废水零排放工艺相比,烟气喷雾蒸发技术特点有:投资成本低;进水水质要求低,仅配套简单的预处理单元去除浊度;系统操作简单,运行中不需要添加药剂,运行费用少;改造工期短、工程量小、可嵌入原发电系统,无需专门用地等。但是烟气喷雾蒸发工艺不产生回用水,其他零排放工艺的产水可回用电厂生产。

  5、结论

  控制雾化液滴直径、合理优化布置雾化喷嘴、保证各个雾化喷嘴喷雾的均一性、准确计算喷入脱硫废水后烟气及粉煤灰特性变化是工程成功实施的关键点。

  在不同机组负荷情况下,在空气预热器与电除尘器之间的烟道中喷入脱硫废水,可以完全蒸发,实现脱硫废水零排放。喷入脱硫废水后的粉煤灰中Cl含量仅增加了0.15%,不会对后续工艺产生负面影响。烟气相对湿度增加0.5%左右,可以提高电除尘器的除尘效率。

  烟气喷雾蒸发进行脱硫废水零排放技术,具有工艺流程短、操作简单、占地面积小和成本优势明显等特点。(来源:湖北华电襄阳发电有限公司武汉天和技术股份有限公司武汉大学资源与环境科学学院)

本文摘自:中国污水处理工程网

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