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【技术汇】烟道蒸发脱硫废水零排放的优化应用研究

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2021-01-19
简介
【技术汇】烟道蒸发脱硫废水零排放的优化应用研究摘要烟道蒸发脱硫废水是目前应用较广泛的脱硫废水零排放工艺。以嘉兴新嘉爱斯热电厂的烟道蒸发脱硫废水零排放工程项目为依托,从三方面对传统烟道蒸发工艺进行了优化研究:设置浓缩系统,进行低尘蒸发浓缩优化,将低尘热烟气作为热源大大降低了系统结垢、堵塞等风险,气水分道减轻了除尘器的湿度影响;模拟喷射区优化设备选型对喷射系统优化;设置自清洗过滤系统,增强了系统的可靠性和稳定性。通过对比分析了原水和浓水的品质、有无废水投运的除尘器灰的品质。结果表明:脱硫废水零排放优化工艺对除尘器入口的温降仅3~5℃,湿度增加0.25%;脱硫塔入口的温降为5~10℃,湿度增加1%;投加的废水导致了灰分中氯化物、氨氮、氧化钙等物质含量的增多,但不影响灰分二次回收利用的品质要求,废水工艺对原除尘脱硫系统的影响很小;经核算系统运行费用,每吨废水处理费用仅12.8元,价格优于常规的烟道蒸发工艺。该研究结果可为脱硫废水零排放工艺优化提供借鉴。关键词:脱硫废水;零排放;浓缩;烟道蒸发废水二次污染源的产生正日益成为焦点,而国家近几年进一步收紧政策使得企业不得不开始考虑脱硫废水零排放处理问题

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【技术汇】烟道蒸发脱硫废水零排放的优化应用研究摘要烟道蒸发脱硫废水是目前应用较广泛的脱硫废水零排放工艺。以嘉兴新嘉爱斯热电厂的烟道蒸发脱硫废水零排放工程项目为依托,从三方面对传统烟道蒸发工艺进行了优化研究:设置浓缩系统,进行低尘蒸发浓缩优化,将低尘热烟气作为热源大大降低了系统结垢、堵塞等风险,气水分道减轻了除尘器的湿度影响;模拟喷射区优化设备选型对喷射系统优化;设置自清洗过滤系统,增强了系统的可靠性和稳定性。通过对比分析了原水和浓水的品质、有无废水投运的除尘器灰的品质。结果表明:脱硫废水零排放优化工艺对除尘器入口的温降仅3~5℃,湿度增加0.25%;脱硫塔入口的温降为5~10℃,湿度增加1%;投加的废水导致了灰分中氯化物、氨氮、氧化钙等物质含量的增多,但不影响灰分二次回收利用的品质要求,废水工艺对原除尘脱硫系统的影响很小;经核算系统运行费用,每吨废水处理费用仅12.8元,价格优于常规的烟道蒸发工艺。该研究结果可为脱硫废水零排放工艺优化提供借鉴。关键词:脱硫废水;零排放;浓缩;烟道蒸发废水二次污染源的产生正日益成为焦点,而国家近几年进一步收紧政策使得企业不得不开始考虑脱硫废水零排放处理问题。传统的脱硫废水三联箱处理工艺具有投资大、运行费用高、部分污染物难达标、且还有少量废水产生等问题。目前的脱硫废水零排放工艺主要采用预处理+末端处理,其中末端处理主要是通过蒸发将脱硫废水实现零排放。浓缩烟道蒸发脱硫废水零排放工艺是在烟道蒸发基础上优化而来的一种湿法脱硫废水处理工艺,本文通过将其应用于嘉兴新嘉爱斯热电厂的220t/h锅炉上,分析了该技术优化特点、对烟气各相关系统运行的影响以及废水处理费用,以为烟道蒸发脱硫废水处理工艺优化提供依据。1湿法脱硫废水概述湿法脱硫系统产生的废水具有以下特性:水质特性变化大,且不稳定;腐蚀性强,pH值为5~6,偏酸性,氯离子(CL-)含量高,为5~20g/L;悬浮物SS含量较高,为10~60g/L,且变化大;硬度大,含大量的金属离子(Ca2+、Mg2+等),总量为20~50g/L;化学需氧量(COD)超标,在脱硫废水中,还原态的无机物连二硫酸盐是形成化学耗氧的主要原因,其可生化性差;重金属(Hg、Cr、Pb、Ni、Cd)含量高等。脱硫废水经传统工艺(三联箱)处理后可以去除废水中的悬浮物、重金属、部分钙镁,但排放的废水中有些指标仍然难以达到《火电厂石灰石-石膏法湿法脱硫废水水质控制指标》(DL/T997—2006)标准的要求,主要为CL-、SS、COD、氟化物等,不能排入市政污水管道。有些电厂特别是中小型的机组,由于脱硫废水量少,利用废水处理系统处理脱硫废水的经济性较低,经常将脱硫废水输送至灰场或煤场进行喷洒处理。这种利用空旷的场区进行脱硫废水自然蒸发的处置方式虽然可以降低场区扬尘,但最终脱硫废水中的污染物将随着煤再一次进入到锅炉系统中,由于场区的喷洒为开放式,对污染物的流向较难约束,可能会对地下水或空气造成再次的污染。因此,采用该处置方式时需要考虑其对周边环境造成的影响。为了实现真正意义的脱硫废水零排放,目前针对脱硫废水的末端处理方式主要有蒸发结晶和烟道蒸发两种处理工艺。1.1蒸发结晶工艺在高温状态下对工艺废水进行蒸发,除结晶水外所有水分均以水蒸气形式排出,经冷凝后形成纯净的蒸馏水回用,废水中的盐类和污染物经过浓缩结晶形成固体产物。此类产物一般是被送往垃圾处理厂填埋或将其回收作为有用的化工原料。蒸发结晶处理工艺对水质的适应能力较好,但因能耗较高导致其处理成本高、经济性较差,同时结晶出的盐很难作为工业盐在市场流通,进而容易产生新的固体废物。1.2烟道蒸发工艺将末端废水雾化后喷入除尘器入口前烟道内,利用烟气余热将雾化后的废水蒸发,也可以引出部分烟气到喷雾干燥器中,利用烟气的热量对末端废水进行蒸发处理。在烟道雾化蒸发处理工艺中,废水中的水分以水蒸气的形式进入脱硫吸收塔内,冷凝后形成蒸馏水,进入脱硫系统循环利用。同时,末端废水中的溶解性盐在废水蒸发过程中结晶析出,并随烟气中的灰一起在除尘器中被捕集。目前烟道蒸发处理工艺主要有主烟道蒸发技术和旁路烟道蒸发技术和旁路喷雾干燥蒸发技术,这三种烟道蒸发技术在工艺原理、水质适应能力、处理能力、运行费用和技术缺陷方面的对比,详见表1。表1烟道蒸发技术对比2烟道蒸发技术的优化应用案例分析嘉兴新嘉爱斯热电有限公司的脱硫废水零排放工艺采用了浓缩烟道蒸发技术,该工艺与以往的烟道蒸发工艺的不同在于将旁路蒸发浓缩与烟道蒸发相叠加,在除尘器后引一部分低尘热烟气进入蒸发浓缩塔,充分利用了烟气的余热将脱硫废水浓缩,并把高湿烟气引回除尘器后与原烟气混合进入脱硫塔;混合后的烟气温度降低、湿度增加,可节省后续工艺水的耗量;浓缩后的废水再由喷射系统喷洒入除尘器前烟道,在烟道里二次加热蒸发,随烟气进入除尘器,结晶体和污染物与飞灰一起由除尘器捕集,最终与飞灰一起处置。该浓缩烟道蒸发技术流程图,见图1。图1浓缩烟道蒸发技术流程图嘉兴新嘉爱斯热电有限公司2#锅炉为220t/h额定蒸发量,配套一炉一塔湿法脱硫工艺,常规的脱硫废水产生量约为1.0t/h,考虑到脱硫废水间歇外排和操作人员运行排班情况,脱硫废水处理量按3.5t/h设计。该脱硫废水零排放工程项目新上一台旁路增压风机及蒸发塔,废水经蒸发浓缩后,脱硫废水量降低至0.5~0.7t/h,含固量为5%~10%。浓缩废水经喷射系统喷洒于除尘器前部烟道,后随热烟气蒸发,污染物随除尘器捕集混合灰收集外运,工艺简便、无二次污染源产生。嘉兴新嘉爱斯热电有限公司脱硫废水零排放工程项目主要设计参数见表2。表2嘉兴新嘉爱斯热电有限公司脱硫废水零排放工程项目主要设计参数2.1低尘蒸发浓缩优化经过预处理的脱硫废水是低浓度的废水,为了减轻对除尘器的影响,本项目设置了浓缩系统,以提高废水的浓度。由于将低尘热烟气作为蒸发热源,蒸发系统内部的含尘量较少,系统较洁净,不易引起设备结垢、管道堵塞等故障。水蒸气和浓缩废水分两路回除尘脱硫系统,对烟道、除尘器等设备起到了一定的保护作用,不会有大量的高湿烟气混入除尘器前的高粉尘烟道,造成烟道和除尘器内部粉尘结团黏壁;有限的浓缩废水量喷洒不会造成大幅度的温降和湿度的增加,确保了设备的正常运行及可靠的防腐性能。新建一座蒸发塔,塔内设置两层喷淋层,塔底部浆池内设置搅拌器,脱硫废水通过大流量循环泵不断循环浓缩。在蒸发塔内利用135℃的低尘热烟气与废水进行换热浓缩,水分在高温烟气作用下蒸发,最终进入湿法脱硫塔。随着水分的蒸发,废水的浓度不断升高,废水量大大降低,废水量可以浓缩至原来的1/10。经水质分析,蒸发浓缩前后废水水质的对比表明(见表3):除了氨氮以外,蒸发浓缩后废水中各种物质的含量均有所提高,而氨氮主要是由于热烟气的吹脱作用部分进入了气相,导致其浓度有所下降。表3蒸发浓缩前后脱硫废水水质对比2.2喷射系统优化烟道蒸发工艺是一种基于喷雾干燥技术的工艺,基本原理是将溶液雾化喷入高温烟道内,废水以雾滴状与高温气体接触,液滴在高温烟气的作用下在烟道内蒸发结晶,废水中的杂质及可溶盐晶体进入干式除尘系统随粉煤灰一起被捕集,一同被收集存储及外排,系统废水经消耗殆尽从而达到脱硫废水零排放的目的。为了更精确的设备选型和喷枪布置,采用了CFD流场模拟。流场模拟采用标准k-ε模型模拟烟道内的湍流流动,该模型通过对湍流动能k和湍流动能耗散率ε进行半经验的模化来封闭湍流状态下的流动控制方程。对于脱硫废水的流动,采用离散相模型,即在拉格朗日坐标系下处理液滴相,在欧拉坐标系下处理气相。假设粒子的运动按照随机轨迹模型与气相耦合,粒子在运动过程中与四周进行着动量、热量和物质交换,发生水分蒸发、挥发分析出。对于气相的非预混反应,采用漩涡/动力学模型进行模拟。该模型可以很好地模拟湍流与化学反应的相互作用,在计算化学反应速率时,同时计算湍流耗散速率和阿累尼乌斯速率,继而取其中的较小者。经CFD流场模拟,可得到不同粒径雾滴和废水喷射速度对考察面温度分布的影响,见图2和图3。由图2可见,雾滴粒径越小,温度分布越均匀,雾滴粒径为50μm温度分布的均匀性优于雾滴粒径为75μm的,说明粒径越小雾滴在高温烟道里越容易蒸发,气液两相混合时间越短,温度分布的均匀性越好。
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