烟气喷雾蒸发在火电厂脱硫废水零排放中的应用

摘 要：针对传统脱硫废水零排放工艺存在流程长、投资高、运行费用高和维护困难等局限，通过烟气喷雾蒸发技术进行脱硫废水零排放工程实践，确定了控制雾化液滴直径、合理优化布置雾化喷嘴、烟气质量焓、准确计算喷入脱硫废水后烟气及粉煤灰特性变化是本技术的关键点。实际运行结果表明，在不同机组负荷情况下，不同量的脱硫废水可以完全蒸干，喷入脱硫废水的烟气粉煤灰中Cl- 含量仅增加了0.15%，烟气相对湿度增加0.5%，对后续工艺无负面影响，同时还提高电除尘器的除尘效率。该技术是一种工艺流程短、投资少、运行费用低的脱硫废水零排放可行性技术。

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。

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焓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。

实施方法

采用火电厂机组(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。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。

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，确定喷雾后烟气温降，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。

式中，hg和hg0为计算和理论烟气质量焓，ha0为理论空气质量焓，hfly 为粉煤灰的质量焓;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，烟气质量焓和粉煤灰质量焓都会上升，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。

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。

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。

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。

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，烟气质量焓增加，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，降低程度降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GB 175-2007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GB 175-2007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，降低了粉煤灰的比电阻，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。

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。