300MW机组脱硫废水旁路蒸发干燥系统性能试验研究
摘 要：某火电厂300 MW机组采用旁路蒸发干燥工艺处理脱硫废水，对该系统开展性能试验研究，试验结果表明该系统废水处理量在5 m³/h以上，锅炉效率影响值小于0.6%，且粉煤灰中含氯量小于0.3%。系统各项性能指标满足设计要求，能够实现脱硫废水零排放目标，具有工艺可靠、运行稳定、操作简便等特点。同时系统存在进口脱硫废水中氯离子浓度偏低、干燥塔出口烟气温度及烟气中氯化氢浓度偏高、粉煤灰中含氯量不易控制等问题，需进一步优化改进。
关键词：火电厂;脱硫废水;旁路蒸发干燥;零排放;性能试验;
某火电厂建有2台330 MW燃煤机组，每台机组均配置双室五电场静电除尘器和湿法石灰石-石膏脱硫系统，脱硫过程产生的废水来自旋流器排放水，其中含有大量悬浮物、亚硫酸盐、硫酸盐、氯化物及重金属等，具有高硬度、高盐分、高悬浮物、高腐蚀性、含重金属等特征，是目前燃煤电厂难处理的废水之一。为响应国家环保政策，满足脱硫废水零排放的要求，电厂采用旁路蒸发干燥技术进行零排放改造工程。为了测试该工艺系统各项技术指标，对该系统开展性能试验研究工作，评价装置性能并提出优化建议。
1 脱硫废水旁路蒸发干燥系统
采用旁路蒸发干燥技术处理脱硫废水、化水车间和精处理再生废水等，其工艺原理是将经预处理的废水通过高速旋转的雾化器雾化后，利用锅炉SCR脱硝反应器与空气预热器间的热烟气作为热源，在旁路蒸发干燥塔内将废水蒸发，水分进入烟气中，干燥产生的大颗粒固体物质从塔底部排出，小颗粒固体物质随干燥后的尾气返回电除尘进口进行收集处理。工艺流程见图1。
1.1 设计水质与水量
每台机组满负荷工况下产生的脱硫废水量约4.5 m3/h,2台共9.0 m3/h，化学水处理车间和精处理车间的再生废水量共约1.0 m3/h，总废水量约为10 m3/h。脱硫废水设计水质如表1所示，不同负荷下设计废水处理量及机组烟气参数如表2所示。
1.2 工艺系统
脱硫废水旁路蒸发干燥工艺系统主要包括废水给料系统、烟气系统、旁路蒸发干燥塔3个部分。
1.2.1 废水给料系统
脱硫系统产生的废水经现有的三联箱石灰浆液调质后，流入清水箱储存。化水车间再生废水和精处理再生废水输送至澄清池储存，泵送入三联箱调质后，流入清水箱储存。清水箱内的废水经泵输送至旁路蒸发干燥塔的废水箱中，再经提升泵送入每个干燥塔的高位给料箱中，自流进入塔内。
1.2.2 烟气系统
烟气系统主要包括挡板和烟道等。从现有空气预热器前的主烟道引出一部分烟气进入干燥塔。在本系统进出口烟道设置进口挡板和出口挡板，进口挡板采用调节型执行结构，可以根据干燥塔出口烟道温度调节进入本系统的烟气量。出口挡板采用开关型执行结构。
1.2.3 旁路蒸发干燥塔
每台锅炉配1个蒸发干燥塔。干燥塔内径为8.5 m，筒体高度为16.0 m，总高约为36.5 m。干燥塔由圆柱体和圆锥体上下两部分组成，热烟气和废水均从塔顶部进入塔内，干燥后的尾气从锥体上部离开干燥塔，大颗粒固体从塔底部进入仓泵。烟气分布器设置在塔顶，采用蜗壳形式，并装有一定夹角的导风板，其作用是使干燥用热烟气均匀地进入干燥塔内。每个蒸发干燥塔配1台旋转雾化器，旋转雾化器配置45 kW的双频电机及变频器，雾化器转速为10000～13000 r/min，可通过变频器调节，喷射出的雾滴平均直径为10～60μm。
2 性能试验
2.1 性能试验结果
对脱硫废水旁路蒸发干燥塔进行性能测试，试验期间脱硫废水水质情况见表3，性能试验结果见表4。由表4可知，在机组满负荷工况下，脱硫废水旁路蒸发干燥塔进口烟气量约为60340 m3/h（标态、湿基、实际O2），进口烟气温度约为334℃，系统废水处理量达到5.2 m3/h以上（最大处理量为6.2m3/h），干燥产物含水率为0.15%，粉煤灰中含氯量为0.26%，锅炉效率影响值约为0.55%，装置出口烟气温度约为180℃。该系统各项性能指标均达到设计要求，未出现明显挂壁、腐蚀结垢情况。
不同机组负荷下的废水处理量情况见图2。由图2可知，50%负荷工况下大于3 m3/h,75%工况下大于4 m3/h，满负荷工况下大于5 m3/h，完全满足机组负荷变化情况下脱硫废水处理要求。同时这部分烟气进入电除尘器后，废水蒸发增加了烟气湿度，从而使烟气飞灰比电阻得以下降，有利于提高电除尘器的除尘效率。蒸发的废水在脱硫吸收塔冷却后成为脱硫补充水，有利于降低脱硫系统水耗。
2.2 存在的问题及建议
(1）满负荷工况下不同废水处理量与装置出口烟气温度关系见图3。由图3可知，由于脱硫废水旁路蒸发干燥塔进口烟气量高于设计值，使得废水处理量为5.2 m3/h时出口烟气温度约为180℃，明显高于设计烟气温度150℃（实际出口烟气温度达到150℃时，废水处理量约为7.5 m3/h），对锅炉效率造成一定影响。因此建议对烟气引入量进行优化调整试验研究，即根据机组负荷和脱硫废水处理量对入口挡板门进行调节，在满足废水充分蒸发干燥的前提下，尽可能减少装置的烟气引入量，减轻对机组经济性的影响。
(2) 100%负荷工况下（废水处理量5 m3/h），粉煤灰中含氯量约为0.26%,GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》规定普通硅酸盐水泥中粉煤灰质量分数为不超过20%，按此最大比例掺配该粉煤灰后，含氯量增加值为0.052%，满足GB 175—2007规定的硅酸盐水泥中氯离子质量分数小于0.06%的要求，因此不会对粉煤灰的综合利用产生明显影响。但粉煤灰中含氯量受机组负荷、燃煤灰分、废水氯离子浓度及废水处理量等诸多因素影响，实际运行中不易控制，一定程度上会限制粉煤灰在水泥中的掺加比例。可考虑在旁路蒸发干燥塔后设置一个小型旁路除尘器，当粉煤灰中含氯量超标时能对部分或全部干燥产物进行单独收集，收集后可与锅炉炉渣混合处理，用于制砖等一些不限制含氯量或要求不高的行业，避免脱硫废水干燥产物对粉煤灰综合利用造成影响。
(3）脱硫废水旁路蒸发干燥塔出口烟气中HCl浓度明显高于入口烟气中HCl浓度，这可能与脱硫废水在蒸发干燥过程中挥发出气态氯有关。据报道，水在高温下有“酸化”倾向，水解离出的H+与Cl-结合，高温下会以气态HCl的形式溢出。另外脱硫废水中含有的盐类物质NaCl、CaCl2和MgCl2等在高温下会水解生成气态HCl。烟气中HCl含量的增加会造成烟道、挡板等金属壁面的腐蚀，增加的HCl进入湿法脱硫系统还会造成脱硫废水排放量的增加。一方面挥发到烟气中的HCl比例比较小，另一方面通过把脱硫废水pH值调节为碱性可以有效降低HCl的挥发量，据报道，使用Ca(OH)2溶液将脱硫废水pH值调节为9～10可以最大程度地抑制氯的挥发，实现脱硫废水中盐分的固相转移。性能试验期间脱硫废水pH值为7.5～8.0，建议优化调节废水pH值，减轻气态氯挥发对后续设备的不利影响。
(4) 100%负荷工况下废水处理量为5 m³/h，脱硫废水中Cl-的质量浓度约为12000 mg/L，低于设计值20000 mg/L。因此在满负荷工况下建议控制脱硫废水排放量为3.0～3.5 m³/h，对应脱硫废水中Cl-的质量浓度为17000～20000 mg/L，必要时还可考虑对废水进行蒸发干燥前的浓缩减量，能有效降低用于废水蒸发的高温烟气引入量，减轻对机组经济性的不利影响。
3 结论
该脱硫废水零排放工程总投资约为2000万元，吨水投资为200万元，直接运行成本包括电耗及调节pH值药剂费，合计约为2.5元/m3[水]，同时机组发电煤耗会略有增加，约为1.6～1.8 g/（kW·h）。总体来说，旁路蒸发干燥工艺具有系统简单、技术可靠、运行稳定、操作方便等特点，能够实现电厂脱硫废水零排放目标。尽管该工艺有诸多优点，但仍存在诸如干燥塔出口烟气温度及烟气中HCl浓度偏高、粉煤灰中含氯量不易控制、进口脱硫废水中Cl-浓度偏低等问题，需进一步优化改进。
作者简介：王仁雷（1980-），男，浙江宁波人，高级工程师，工学硕士，主要从事发电厂化学及环保技术研究工作，（电子信箱）wangrlcqu@126.com。
