電廠含鹽廢水蒸發(fā)處理技術(shù)

　　我國淡水資源極其有限且分布不均，水環(huán)境污染嚴重�；痣娖髽I(yè)用水需求大且成本高，水正在成為影響火電企業(yè)經(jīng)濟效益的主要因素。隨著《中華人民共和國環(huán)境保護法》《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推行環(huán)境污染第三方治理的意見》《水污染防治行動計劃》、《中國制造 2025》等一系列相關(guān)政策相繼出臺和實施，提高火電企業(yè)用水效率，實現(xiàn)水資源的梯級利用和廢水零排放，已經(jīng)成為火電企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

　　電廠高含鹽廢水(總含鹽量>1%)主要來自脫硫廢水(燃煤電廠)和化學(xué)酸堿廢水，這些廢水含 有以 Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等為主的大量無機鹽，高含鹽廢水雖在全廠用水中占比不大，卻是制約電廠實現(xiàn)廢水零排放的主要因素，也是目前研究的熱點。近年來我國火電廠高含鹽廢水多是經(jīng)初步處理后直接排放，造成了嚴重的環(huán)境污染和水資源浪費，尋找技術(shù)穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保的廢水處理方法迫在眉睫。

　　1 電廠含鹽廢水蒸發(fā)處理技術(shù)

　　廢水處理方法多種多樣，圖 1 匯總了一些適用于處理高含鹽廢水的方法，主要包括蒸發(fā)法、膜法和冷凍法。

　　蒸發(fā)法指將含鹽水經(jīng)加熱、沸騰蒸發(fā)成水蒸氣，使鹽水不斷濃縮，含鹽水體積減小，溶質(zhì)濃度增大，進而進行含鹽水處理或結(jié)晶鹽回收的方法。

　　蒸發(fā)法是最早用于脫鹽處理的方法，也是目前火電廠處理含鹽廢水較為經(jīng)濟有效的辦法，其產(chǎn)生的冷凝水可以直接作為電廠鍋爐用水，也可以進一步處理后直接飲用，而結(jié)晶鹽則可處理成工業(yè)鹽加以利用，實現(xiàn)零排放目的。

　　1.1 多級閃蒸

　　多級閃蒸(MSF)脫鹽技術(shù)由英國學(xué)者 Silver R S在 1957 年提出[7]，其工藝流程如圖 2 所示。鹽水首先通過閃蒸室頂部的冷凝管束，在冷凝管束中被各級閃蒸室內(nèi)生成的逐漸升溫的蒸汽預(yù)熱，最后經(jīng)由鹽水加熱器加熱的蒸汽(汽輪機低壓抽汽)加熱到最高溫度(90~115 ℃)后進入第一級閃蒸室。

　　由于閃蒸室中的壓力低于鹽水在該溫度下所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，鹽水迅速沸騰，直到溫度降到沸點。其中，一部分鹽水汽化，生成的蒸汽通過除霧器去除溶解的鹽類物質(zhì)后，在頂部的進水冷凝管束表面冷凝，然后生成淡水被收集。未汽化的鹽水則流入下一級壓力較低的閃蒸室繼續(xù)上述過程。MSF系統(tǒng)必須有一個真空裝置來去除不可冷凝氣體，并維持所需的負壓。

　　MSF 法常用于海水淡化、火電廠鍋爐供水、食品、化工、廢水治理等領(lǐng)域，在海水淡化領(lǐng)域已商業(yè)化應(yīng)用30 余年，淡水生產(chǎn)能力可達5 000~75 000 m³/d。

　　MSF 法很少單獨用于處理鹽水，常與膜法、多效蒸發(fā)技術(shù)等結(jié)合使用，以提高系統(tǒng)處理效果。MabroukA N 等設(shè)計的多級閃蒸和機械蒸汽壓縮相結(jié)合(MSF-MVR)脫鹽系統(tǒng)，通過視覺設(shè)計仿真(VDS)對系統(tǒng)不同工況的模擬，得出該系統(tǒng)的性能系數(shù)是傳統(tǒng) MSF 系統(tǒng)的 2.4 倍。

　　1.2 多效蒸發(fā)

　　多效蒸發(fā)(MED)系統(tǒng)由多個蒸發(fā)器串聯(lián)而成，其基本原理如圖 3 所示。前一效蒸發(fā)器蒸發(fā)所生成的二次蒸汽流進下一效蒸發(fā)器作為鹽水的加熱熱源并被冷凝為蒸餾水，即后一效蒸發(fā)器充分利用了前一效蒸發(fā)器流出的二次蒸汽余熱，各效蒸發(fā)器的操作壓力、相應(yīng)加熱蒸汽溫度與溶液沸點依次降低。低溫多效蒸發(fā)(LT-MED)操作溫度低，50~70 ℃的低品位蒸汽均可作為理想的熱源，可充分利用電廠的低溫廢熱，實現(xiàn)二次蒸汽的再利用，大大降低抽取背壓蒸汽對電廠發(fā)電的影響，減緩設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢，達到節(jié)能的目的。

　　MED 法最早應(yīng)用于海水淡化，近年來不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于果汁濃縮、造紙業(yè)和廢堿液回收等，淡水生產(chǎn)能力可達 40 000 m³/d。Dahdah T H 等基于上層建筑的概念提出低溫多效蒸餾-熱蒸汽壓縮(MED-TVC)作為傳統(tǒng) MED 的一種改進，并利用 MED 裝置內(nèi)發(fā)生的閃蒸過程，確定了系統(tǒng)的最佳方案及最優(yōu)運行條件;經(jīng)過案例驗證，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)省了成本，適用于海水淡化工廠和具有海水淡化系統(tǒng)的電廠，并擴展至混合熱力脫鹽裝置，在熱電聯(lián)產(chǎn)中展示了顯著的優(yōu)越性。

　　1.3 機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)

　　作為20 世紀(jì)90 年代末開發(fā)出來的新型高效節(jié)能蒸發(fā)技術(shù)，機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)(MVR)又可稱為熱泵技術(shù)，其基本原理是將蒸發(fā)器中原本需要用冷卻水冷凝的二次蒸汽，經(jīng)壓縮風(fēng)機提高其壓力和飽和溫度，增加其熱焓，然后再送入蒸發(fā)器加熱室作為熱源加熱料液，其基本原理如圖 4 所示。大多數(shù) MVR 裝置生產(chǎn)能力約 500 m³/d，同傳統(tǒng) MED 相比，二次蒸汽的潛熱得到了充分利用，節(jié)能 50%。

　　我國 MVR 技術(shù)的相關(guān)研究雖起步較晚，但已成為國家重點推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)之一，在濃縮制鹽、化工污水處理、食品工業(yè)、制藥(維生素等)、廢水處理(含鹽廢水、含重金屬廢水等)等領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用運行良好。毛彥霞進行了內(nèi)置式 MVR中試裝置處理不同含鹽量的單污染物模擬廢水、模擬 RO 濃水和模擬脫硫廢水的試驗研究，發(fā)現(xiàn)其處理 1 t 原水、RO 濃水原水、脫硫廢水原水的平均能耗分別為 23.3、23.0、23.5 kW·h，最高水回收率達91.2%，證明該裝置基本可行。為了盡早實現(xiàn) MVR技術(shù)在高鹽有機廢水零排放領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，我國科研人員還需在 MVR 設(shè)備國產(chǎn)化和操作條件優(yōu)化等方面深入開展研究工作，以降低設(shè)備成本。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　1.4 噴霧蒸發(fā)

　　噴霧蒸發(fā)(SED)是近期發(fā)展起來的一項新的非常規(guī)強化蒸發(fā)脫鹽技術(shù)，屬于增濕-除濕技術(shù)的一種，其原理是依據(jù)雙流體霧化原理使?jié)恹}水在熱空氣中霧化并迅速蒸發(fā)，在相變過程中實現(xiàn)固液分離。SED 可充分利用廢熱廢氣，水回收率高達90%以上，可直接形成鹽晶，實現(xiàn)零排放。閃蒸是噴霧蒸發(fā)的常見蒸發(fā)形式。趙子競通過進行液滴蒸發(fā)零維模型的 MATLAB 模擬、Fluent 離散相三維模型仿真及相關(guān)實驗驗證，得出當(dāng)空氣初始溫度為 90 ℃、噴霧溫度為 20 ℃、氣液體積比為 45 000時，直徑為 0.1 mm 的霧滴在 1.29 s 內(nèi)完全蒸發(fā)，實現(xiàn)了零排放，此時空氣相對濕度為 78 %，而當(dāng)氣液體積比降至 40 000、液滴直徑降至 0.0 367 mm 時達到氣液平衡，空氣處于飽和狀態(tài)。此外，某大學(xué)設(shè)計的噴霧蒸發(fā)技術(shù)設(shè)備可以把146 790 mg/L的高質(zhì) 量濃度鹽水濃縮為 351 880 mg/L，技術(shù)性能穩(wěn)定。

　　SED 法在食品、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在廢水處理中應(yīng)用較少。在國內(nèi)，蒸發(fā)塘利用機械SED 技術(shù)，大大增加了蒸發(fā)速度，減小了蒸發(fā)塘面積。燃煤電廠針對濕法脫硫廢水的特點，通常結(jié)合爐后煙風(fēng)系統(tǒng)配置，基于噴霧干燥原理，利用鍋爐尾部煙氣余熱使煙道內(nèi)脫硫廢水迅速完成噴霧蒸發(fā)，溶解物迅速結(jié)晶并被除塵器捕集，實現(xiàn)脫硫廢水的近零排放。SED 法與傳統(tǒng)的 RO、MSF、MED 等方法聯(lián)合運用，可以大大增加高鹽廢水的濃縮率，提高整個脫鹽系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟效益。

　　1.5 蒸發(fā)法技術(shù)比較

　　MED、MSF、MVR、SED 幾種主要蒸發(fā)法在節(jié)能性、環(huán)保性、經(jīng)濟性及規(guī)模和預(yù)處理要求方面的比較見表 1。相比 MSF、MED 和 MVR 等常規(guī)的含鹽廢水處理方法，SED 具有裝置操作靈活、預(yù)處理簡單、不易結(jié)垢及環(huán)保性良好等優(yōu)點，適于處理較高鹽度含鹽廢水，且脫鹽效率高，鹽分甚至可以完全結(jié)晶，經(jīng)濟性好、節(jié)能效果顯著，能克服常規(guī)處理方法的缺點，具有較大的研究價值。但是，含鹽廢水的復(fù)雜性使得單一技術(shù)難以實現(xiàn)對含鹽廢水的高效節(jié)能處理，因此，技術(shù)集成優(yōu)化是火電廠含鹽廢水處理技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。

　　2 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)及應(yīng)用案例

　　2.1 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)

　　蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)路線一般為“預(yù)處理單元”+“減量濃縮單元”+“蒸發(fā)結(jié)晶單元”，廢水必須經(jīng)相應(yīng)預(yù)處理再送入蒸發(fā)結(jié)晶單元，若直接采用蒸發(fā)的方法處理，勢必會消耗大量蒸汽和電力。蒸發(fā)結(jié)晶單元是整個脫硫廢水零排放系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括前面所述各種蒸發(fā)法及噴霧干燥/結(jié)晶等，其本質(zhì)均為通過末端廢水的物理性蒸發(fā)實現(xiàn)鹽與水的分離。

　　圖 5給出了 8 個利用蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)實現(xiàn)零排放的較常用工藝，即：預(yù)處理+MVC 濃縮+MVC 結(jié)晶、預(yù)處理+多級預(yù)熱+多效蒸發(fā)(MED)+結(jié)晶、預(yù)處理+高壓反滲透+MVC 蒸發(fā)+MVC 結(jié)晶、預(yù)處理+膜濃縮+正滲透+機械蒸發(fā)(MVC)結(jié)晶、預(yù)處理+MVC 蒸發(fā)+三效混流強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶、預(yù)處理+MED 結(jié)晶、Na2CO3 軟化+多效立管降膜蒸發(fā)+結(jié)晶、臥管噴淋薄膜蒸發(fā)+結(jié)晶。

　　蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)是一種有效的脫鹽技術(shù)，但其投資及運行成本較高，綜合考慮經(jīng)濟性和環(huán)保要求，在現(xiàn)場開展中試工作，確定合適的蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)應(yīng)為今后火電廠廢水處理的重中之重。

　　2.2 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)應(yīng)用案例

　　目前國內(nèi)已有十幾家火電廠運用不同的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)實現(xiàn)了含鹽廢水零排放，典型案例及應(yīng)用效果見表 2。由表 2 可知，這幾家電廠采用的末端蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)為多效強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶或機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶，雖然從不同程度上實現(xiàn)了零排放，但仍存在經(jīng)濟投資大、結(jié)晶鹽是雜鹽等問題。因此，尋找能夠商業(yè)化應(yīng)用的火電廠含鹽廢水零排放普適技術(shù)成為火電廠當(dāng)前急需解決的首要問題。

　　3 結(jié) 語

　　蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)通過預(yù)處理改善廢水水質(zhì)，減少取排水水量，提高循環(huán)水濃縮效果，減少高鹽廢水量，最終實現(xiàn)電廠含鹽廢水零排放。但國內(nèi)真正實現(xiàn)零排放的電廠很少，而且都集中在燃煤電廠，燃氣電廠還沒有相關(guān)零排放項目實施，技術(shù)、投資、運行成本均是制約零排放實施的重要因素。噴霧蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)作為處理含鹽廢水較節(jié)能經(jīng)濟有效的新方法，具有較大的發(fā)展前景。燃氣電廠的壓縮空氣具有較大的壓力能，若能加以利用，通過噴霧蒸發(fā)輔助霧化濃鹽水，則對電廠含鹽廢水處理將會是一個新的飛躍。

　　根據(jù)火電廠含鹽廢水處理現(xiàn)狀，結(jié)合火電廠現(xiàn)有熱源，借鑒其他領(lǐng)域的成熟技術(shù)，對現(xiàn)有火電廠含鹽廢水處理技術(shù)進行改造是現(xiàn)階段處理電廠含鹽廢水的一種思路，如海水淡化、濃鹽水煙氣脫硫、洗煤等均是對含鹽廢水綜合利用的有益探索。(來源:《熱力發(fā)電》  作者:時國華 王佳 楊林棣 張金瑞)