燃煤锅炉采用烟气旁路干燥技术实现脱硫废水零排放

袁伟中，刘春红，童小忠，祁志福，孔庆忠，陈 彪

(1.浙江浙能长兴发电有限责任公司，浙江 湖州 313100；2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 310003)

燃煤锅炉采用烟气旁路干燥技术实现脱硫废水零排放

袁伟中1，刘春红2，童小忠2，祁志福2，孔庆忠1，陈 彪2

(1.浙江浙能长兴发电有限责任公司，浙江 湖州 313100；2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 310003)

介绍了一种新的实现脱硫废水零排放的系统，这套系统通过抽取3%～5%的高温烟气，经过干燥塔对脱硫废水进行蒸干处理，实现了脱硫废水的零排放。这套系统在浙能长兴电厂300MW机组上实施并运行，系统已稳定运行4个月，各项检测结果显示：抽取3%～5%的350℃左右的锅炉尾部烟气，可以干燥3～4t/h的脱硫废水；对锅炉效率影响约为0.3%；干燥塔底灰含水率小于2%，干燥塔没有粘壁，烟气其他各项污染物没有上升，废水中的盐分与飞灰混合后在电除尘除去，电除尘第一电场灰中氯离子有所上升达到0.4%～0.6%，可以作为普通混凝土掺配加以利用。

烟气旁路；干燥塔；喷雾干燥器含水率；氯离子

0 引言

燃煤发电厂近年来大规模实施烟气超低排放改造，其中采用石灰石湿法进行烟气脱硫的过程中会产生脱硫废水，由于脱硫废水成分复杂、水质变化大、危害大难以处理，成为下一步燃煤电厂污染治理的重点。随着国家环保政策对燃煤发电机组污染物排放限制日益严格和淡水资源的持续短缺，脱硫废水的零排放被提上日程。浙能长兴发电厂2号机组脱硫废水采用烟气旁路干燥处理的应用试验，系统于2016年8月12日投入运行，实现了较低投资成本和运行成本脱硫废水的零排放，为燃煤发电机组脱硫废水零排放技术路线提供了一种新的选择。

1 脱硫废水零排放技术路线的确定

浙能长兴发电厂为浙能集团位于浙北的一家内陆发电厂，总装机容量4×300MW亚临界机组，采用石灰石-石膏湿法脱硫，每台机组脱硫废水的产生废水量约为3t/h，配套设计的脱硫废水处理系统为传统的三联箱，以前处理后的脱硫废水排放进入租借的灰场，由于灰场租期临近，脱硫废水无处排放，如达标废水直排内河，对内河水质影响较大，电厂生产用水取自内河，直接威胁到电厂的生产用水安全，因此脱硫废水迫切需要实现零液体排放(Zero Liquid Discharge简称ZLD),实现脱硫废水零排放(ZLD)的技术路线不外乎有两种思路：

(1)从废水中把各种杂质取出来，最终离子态的溶解盐通过蒸发结晶达到固化处理的最终目的，这需要运用各种分离技术，如：软化、纳滤、常规和高压反渗透膜分离技术，并在采用上述分离技术之前，脱硫废水需要去除硬度，最终处理后的高浓度氯化钠盐水进行蒸发结晶，如果要制取高纯度的工业盐，需要配套进行精制盐设计，纯度才能达到工业盐标准，否则只能得到杂盐，成为固体废弃物，无论哪种制盐工艺其工艺流程都很复杂，设备种类繁多，可靠性都存在诸多不确定性，涉及投资和运行维护成本高，并且需要消耗高品质蒸汽或者电能，这对于近年来发电利用小时数日益减少的燃煤电厂来说，无疑压力巨大。

(2)脱硫废水中的杂质主要来自来自燃煤，煤燃烧后绝大部分的固体杂质留在灰渣中，剩余部分杂质随烟气进入了脱硫废水，当脱硫废水经过三联箱处理除去重金属离子后，如果直接利用烟气余热对废水进行干化处理，脱硫废水中残余杂质就连同烟气中的灰份一起进入灰渣，使得源自燃煤的杂质全部汇集到灰渣中，尽管部分灰渣品质会下降，可以降级使用，绝大部分的灰渣仍可以得到高品质资源化利用，没有产生新的固废。更有优势的是本处理技术采用了低品质的热源——烟气余热，将对机组能耗的影响降到最低。

按照(2)的思路，长兴电厂的脱硫废水烟气干化处理的设计思路借鉴了食药品生产过程中的喷雾干燥技术，热源选自锅炉尾部烟道的热烟气，为了保证处理过程不影响发电机组正常运行，采用烟气旁路形式[1]，从锅炉后尾部烟道抽取约3%～5%的高温烟气[1]，通过干燥塔直接热交换干燥脱硫废水，脱硫废水中的盐类颗粒一部分从干燥塔底部排出，另一部分随烟气进入电除尘进行收集，这种处理方式系统简单，运行费用低，解决脱硫废水零排放。

2 脱硫废水的烟气旁路干燥处理系统介绍

浙能长兴电厂2号机组脱硫废水旁路烟气干燥系统额定设计出力为3t/h，工艺流程见图1[2]。

长兴电厂2号机组主要烟气技术参数见表1。

图1 旁路烟气干燥脱硫废水示意[2]

表1 长兴电厂2号机组主要烟气技术参数

项 目工况1工况2工况3机组负荷100%ECR/THA75%ECR/THA50%ECR/THA发电机功率/MW331.7250.4160.2脱硝出口A/℃356--脱硝出口B/℃356--空预器B出口烟温1/℃125.9119.5106.9空预器B出口烟温2/℃136.4131.3114.0总风量/t·h-11340.91001.8793.2处理烟气量/m3·h-11167976.1910786.0696520.0

该厂空预器进口烟温基本在330～360℃，烟尘浓度在6900mg/m3，旁路烟气的设计按照烟温350℃设计，热交换后的烟气余热按照130℃设计，干燥后固体颗粒物水分按照小于2%设计，以下是空预器压差阻力情况。

从空预器出口烟道上引出一路约3%～5%的旁路烟道设计，空预器在机组全负荷段阻力在500～1100Pa以上，而烟气旁路和干燥塔阻力很小，因此完全可以利用主烟道的负压将加热后的旁路烟器抽回到主烟道的电除尘进口。

表2 空预器运行阻力

项 目工况1工况2工况3机组负荷100%ECR/THA75%THA50%THA空预器运行阻力/Pa1100900500

经过三联箱处理后的脱硫废水经过高速旋转雾化器后被雾化成极微小的雾滴，与旁路引入的高温烟气接触，瞬间得到干燥，废水中盐分生成固体颗粒，部分从干燥塔底部除去，另一部分颗粒物随着烟气抽回到电除尘进口烟道，通过电除尘进行捕捉然后进入仓泵，干燥塔底部也设有仓泵，大约废水中30%～40%的盐分和烟尘从干燥塔底部仓泵除去，其余随烟气从电除尘抽取除去，在干燥塔运行期间从底部排放口取样检验颗粒物的干燥情况，也可以通过干燥塔筒体不同高度的测温点的变化判断干燥情况。干燥塔中的旋转雾化器是整个干燥塔的核心部分，脱硫废水被送至高速旋转的雾化盘时，由于离心力的作用，浆液伸展为薄膜或被拉成细丝(取决于转速和浆液量)，在雾化盘边缘破裂分散为液滴[3]。液滴的大小取决于旋转速度和浆液量。雾化器能够保证在液体流量不发生很大变化时，雾滴的粒径分布不发生显著改变。干燥过程尽量保持连续稳定是确保喷雾性能的关键。该特性能使浆液雾滴在接近饱和温度时瞬间干化，因此不会发生过多水分凝积粘在吸收塔壁上的现象[3-6]。

3 旁路烟气干燥系统的运行效果

3.1 废水干燥效果

浙能长兴电厂2号炉脱硫废水旁路烟气干燥系统于2016年5月开工建设，8月12日正式投入运行，机组100%负荷(330MW)时抽取约3%的烟气，约30000m3/h的热烟气，烟温在330～350℃时，干燥塔最大可以蒸干大约3t/h的脱硫废水，脱硫废水氯离子含量在7000mg/L左右，干燥塔底部取样干灰渣含水率为1.68%，氯离子含量为2.86%，停运期间对干燥塔内壁检查，没有发现干燥塔内壁的粘壁腐蚀现象，加热后返回主烟道的尾气烟温控制在130℃以上，对尾部烟气超低排放设备也没有影响。

3.2 废水干燥后对后续烟气处理系统的影响

烟气旁路干燥脱硫废水进行了为期四个月的试验，试验期间干燥塔进口旁路烟气含氯量(折算氯化氢)的本底值约为14.4mg/m3，干燥塔喷入废水(废水氯离子含量约7000mg/L)后，干燥塔出口烟气氯含量为64.7mg/m3(折算氯化氢)，经电除尘后，烟气氯离子含量降到24.3mg/m3(折算氯化氢)，加热后的烟气返回电除尘的A侧烟道，取A侧烟道的电除尘第一电场灰样分析，与另一没有返回烟气侧电除尘第一电场底部的灰样氯离子含量相比增加约8～10倍，约30%的旁路烟气的烟尘和废水中盐份从干燥塔底部除去，其余在静电除尘的第一、第二电场被除去，干燥塔投运后，电除尘出口烟气组分中氯化氢和氟化氢含量有所上升；锅炉热效率降低约0.2%～0.3%；加热后返回烟气湿度增加7%～10%，对电除尘性能没有影响，对最终排放口烟气污染物组分也没有影响。

3.3 旋转雾化盘的运行情况

喷雾干燥塔的核心部件是脱硫废水的高速旋转雾化盘，雾化盘在出厂之前已经过动平衡试验，现场安装后再次进行动平衡试验，试验合格后正式投入运行，雾化盘在高速电机的驱动下高速旋转，采用润滑油对高速转动机械进行冷却，与食药品行业不同之处在于，本干燥塔在烟道的负压高尘环境运行，润滑油极易随烟气抽走，所以润滑油系统必须确保在恒定的压缩空气密封压力的情况下，才能保证正常的润滑油压，从而保证雾化器不偏心，确保雾化盘运行正常。由于雾化盘接触脱硫废水部分采用耐磨防腐材料，没有腐蚀和堵塞情况的发生。

3.4 干燥风量与干燥出力匹配的调节

干燥控制有三种模式可选，一种模式采用随负荷变化，调节喷入水量的方式进行调节，依据干燥塔干燥能力试验结果，即：经过对机组不同的负荷(100%、75%、50%)段，旁路干燥塔最大干燥能力(底渣水分小于2%)的试验结果，在烟气档板开度不变的情况下，形成喷入废水流量与机组负荷的相关性曲线。另外两种分别是基于能量平衡干燥控制方式和基于盐平衡干燥控制方式，目前干燥塔多以负荷调节废水调节阀开度方式为主运行。

4 对灰渣品质的影响

采用喷雾干燥技术处理脱硫废水后，电除尘底部分粉煤灰氯离子含量会上升到0.4%～0.6%，硫酸根离子含量大约在0.56%～0.87%，粉煤灰氯离子含量超过高强高性能混凝土用的粉煤灰氯离子含量0.02%的标准，也超过含氯量0.06%～0.3%海砂混凝土标准的要求，这部分粉煤灰只能降级使用，根据《高强高性混凝土用矿物外加剂》(GB1T18736-2002)、《海砂混凝土应用技术规范》(JBJ206-2010)、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GBT1596-2005)、《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)混凝土和水泥相关国家和行业规定[7-10]，可以作为普通混凝土的粉煤灰掺配。干燥塔底渣经过取样分析后，见表3。

从以上数据可见，电除尘电场的灰可以降级到普通混凝土和海砂混凝土使用。而对干燥塔底渣来说，因渣中阴离子中硫酸根和氯离子含量较高，不能用作混凝土的掺配使用，只能作为铺路用。电除尘一、二电场的飞灰可以通过干燥塔系统的进一步设计优化得到品质提升，作为海砂混凝土或用作高性能的混凝土掺配使用。

表3 干燥塔底渣实测数据

项 目水分/%样品F(干基)/%样品Cl(干基)/%样品SO4(干基)/%2016-11-231.120.291.687.762016-11-240.820.221.421.882016-11-250.350.842.1916.472016-11-262.250.241.104.312016-11-270.750.271.291.72

5 结语

采用旁路烟气干燥脱硫废水实现脱硫废水零排放，系统和设备简单，对主机安全运行没有任何影响，也没对超低排放设备造成负面影响，投资节省，系统运行和维护费用低，能耗省，没有新的固体废弃物产生，每t废水消耗1.1万m3330～350℃烟气，占300MW机组总烟气量的3.28%，折算后影响机组煤耗0.8～1.2g/(kW·h)(按汽机热耗8000、原炉效93%估算煤耗)。烟气旁路干燥技术是目前燃煤发电厂脱硫废水零排放的一个好的选择。

尽管这种脱硫废水零排放的处理方式有很多优点，但有几个方面仍有进一步优化设计的必要：从实测数据可以看到电除尘底部粉煤灰的氯离子含量超过了高品质混凝土和水泥的掺配要求，因此在后续的工作中，采用需要对干燥塔流场进行优化或者增设辅助的小型旋流除尘器，提升其收尘能力，将更多的盐分从干燥塔除去，保证电除尘收集的飞灰品质，最终达到根据氯离子含量进行分类收集，分级销售使用的目的。二是为降低对锅炉效率的影响，可以对较大量脱硫废水进行干燥前的浓缩减量，降低返回烟气湿度，可以进一步减少对空预器热风的温降。另外，提高进干燥塔的脱硫废水pH，降低烟气中卤化氢气体和三氧化硫的浓度，降低干燥塔排烟温度，提高干燥塔热效率。

[1]Ray Gansley. Reducing and eliminating WFGD waster water for coal- fired power plants[C].Phil Rader-Alstom Power ECS John Brother-Duke Enerey MEGA Symposium 2014:Baltimore.

[2]Motofumi Ito, Shintaro Honjo, Norikazu Inaba et al. MHI's Simple Zero Liquid Discharge System for Wet FGD[R].

[3]Shabde V S, Hoo K A. Design and Operation of a Spray Dryer for the Manufacture of Hollow Microparticles[J].Ind Eng chem Res,2006,45(25):8329-8337.

[4]盘思伟,姚唯健,程诺伟.介绍一种湿法脱硫废水处理方法[J].电力环境保护,2008,24(6):10-11.

[5]胡志光,杜海红,常爱玲,等.湿法烟气脱硫废水中硫化物的去除试验研究[J].电力环境保护,2009,25(5):53-54.

[6]赵素红.电化学技术在环境保护中的应用[J].电力科技与环保,2013,29(6):11-13.

[7]GB/T18736-2002,高强高性能混凝土用矿物外加剂[S].

[8]JGJ206-2010,海砂混凝土应用技术规范[S].

[9]GBT1596-2005,用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].

[10]GB175-2007,通用硅酸盐水泥[S].

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Coal-fired boiler flue gas bypass drying technology to achieve zero liquid discharge of desulfurization water

The composition of the desulfurization waste water (WFGD waste water)for coal-fired power plant is complex and harmful,and it's hard to deal with, as the environmental policy is getting more and more strict,it's the time to search for a economic approach to achieve zero liquid discharge of desulfurization water.It introduces a new zero liquid discharge method for desulfurization waste water,at which desulfurization waste water is sprayed into a vertical chamber and dryed by bypasshot flue gas extracted from the main flue .The method adopts rotary spray drying technology which is widely used in food and drug industry.The system have been put into operating successfully for four months.Test results show that 30～50 thousand m3/h 350℃ flue gas can dry up to 4t/h desulfurization waste water;it decreases boiler efficiency 0.3%.The moisture content of the product ash from the bottom of the drying chamber is less than 2%,there is no droplet contact to chamber wall ,and the Chlorine ion in ash from first field of electrostatic precipitator is about 0.4%～0.6%,the ash can still be used as mixture of thenormal concrete.

flue gas bypass;drying-chamber;spray-dryer water content;chlorine ion

浙能集团2016年科技项目(ZNKJ-2016-028)

X703.1

B

1674-8069(2017)03-018-04

2016-11-10；

2017-01-05

袁伟中(1965-)男，浙江省镇海人，高级工程师，主要从事火力发电厂热能动力和环保技术研究。E-mail:gheadyuan@aliyun.com