脫硫廢水處理技術(shù)
2015年4月16日，國務(wù)院發(fā)布了《水污染行動(dòng)計(jì)劃》(《水十條》)，國家將強(qiáng)化對各類水污染的治理力度，脫硫廢水因成分復(fù)雜、含有重金屬引起業(yè)界關(guān)注。在此背景下，某些地區(qū)要求電廠關(guān)閉廢水外排日，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放。
目前，國內(nèi)脫硫廢水零排放技術(shù)主要有3種，分別是蒸發(fā)池、蒸發(fā)結(jié)晶及煙道蒸發(fā)。蒸發(fā)池是通過自然蒸發(fā)減少廢水體積的一種方法，在美國約有10余個(gè)電廠應(yīng)用此技術(shù)進(jìn)行脫硫廢水的處理。蒸發(fā)池的處理效率取決于廢水水量而非污染物濃度，因此，該方法適用于處理高濃度、總量少的含鹽廢水。此外，蒸發(fā)池處理廢水成本低，適用于土地價(jià)格低的半干旱或干旱地區(qū)使用。但是此技術(shù)需要做防滲處理，且當(dāng)廢水處理量大時(shí)，所需土地面積增加，處理成本增加。為提高蒸發(fā)池的蒸發(fā)速率，減少蒸發(fā)池的占地面積，可考慮采用機(jī)械霧化蒸發(fā)。機(jī)械霧化蒸發(fā)技術(shù)利用高速旋轉(zhuǎn)的扇葉或是高壓噴嘴將廢水霧化成細(xì)小液滴，通過液滴與空氣的強(qiáng)烈對流進(jìn)行蒸發(fā)。在上世紀(jì)90年代，此技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于礦井高含鹽水及電廠高含鹽水的處理。但該技術(shù)存在液滴的風(fēng)吹損失，造成周邊環(huán)境的鹽污染。
蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)主要包括3個(gè)步驟，即預(yù)處理+膜/熱力濃縮+結(jié)晶:預(yù)處理主要是去除脫硫廢水中的硬度離子;濃縮主要是將脫硫廢水減量化，產(chǎn)生可用水和濃水;濃水經(jīng)過結(jié)晶器形成鹽分然后回收利用或者填埋。蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，在國內(nèi)外都有部分應(yīng)用，但經(jīng)濟(jì)上存在著投資和運(yùn)行費(fèi)用高等問題，限制了此技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
煙道蒸發(fā)技術(shù)是利用氣液兩相流噴嘴將脫硫廢水霧化并噴入空預(yù)器與除塵器之間的煙道中，利用煙氣余熱將廢水完全蒸發(fā)，使廢水中的污染物轉(zhuǎn)化為結(jié)晶物或鹽類，隨飛灰一起被除塵器捕集。對于脫硫廢水煙道蒸發(fā)的特性，張子敬等研究發(fā)現(xiàn)脫硫廢水的蒸發(fā)呈現(xiàn)前期快速蒸發(fā)和后期緩慢蒸發(fā)的特點(diǎn);康梅強(qiáng)等研究了煙道結(jié)構(gòu)、煙氣溫度和噴霧粒徑等參數(shù)對蒸發(fā)特性的影響;張志榮等研究了不同煙氣速度等對蒸發(fā)特性的影響;冉景煌等研究了不同物性液滴如酸堿液滴的蒸發(fā)特性。此外，對于煙道蒸發(fā)技術(shù)的可行研究，DENC等和JIANC等研究表明脫硫廢水煙道蒸發(fā)不會(huì)對除塵器產(chǎn)生負(fù)面影響;劉勇等研究表明脫硫廢水煙道蒸發(fā)對除塵器出口PM2.5濃度影響不大。此外，脫硫廢水煙道蒸發(fā)降低了煙道溫度，減少了脫硫系統(tǒng)的水耗量。但煙道蒸發(fā)技術(shù)受限于兩方面:處理廢水量少，且受鍋爐負(fù)荷影響大;不適用于除塵器前安裝煙冷器的電廠。
本研究涉及一種蒸發(fā)塔技術(shù)，可用于脫硫廢水的處理。蒸發(fā)塔工藝系統(tǒng)如圖1所示。脫硫廢水由料液泵輸送到蒸發(fā)塔頂部的霧化器霧化為霧滴;干燥過程所需的氣體從空預(yù)器前抽取，經(jīng)過氣體分布器后以一定角度進(jìn)入蒸發(fā)塔頂部，氣量可根據(jù)需要調(diào)整;經(jīng)霧化器霧化的液滴和來自氣體分布器的熱煙氣在噴霧蒸發(fā)塔內(nèi)相互接觸、混合，進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，即進(jìn)行干燥;干燥的產(chǎn)品與煙氣一起進(jìn)入電除塵器，隨粉塵一起被捕集。
該技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:1)實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放，緩解電廠廢水處理的壓力;2)不受鍋爐負(fù)荷的影響，脫硫廢水的處理量取決于塔型設(shè)計(jì)、引入煙氣量及煙氣溫度;3)易于在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行改造，改造費(fèi)用低;;4)操作簡單，運(yùn)行費(fèi)用低，且相對獨(dú)立于電廠現(xiàn)有系統(tǒng)，方便檢修維護(hù)。但該技術(shù)仍然存在需要探究的問題:1)系統(tǒng)的蒸發(fā)特性，其關(guān)系到塔型的設(shè)計(jì);2)脫硫廢水處理量與抽取煙氣量的關(guān)系，其關(guān)系到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性;3)系統(tǒng)對后續(xù)設(shè)備及飛灰綜合利用的影響，其關(guān)系到技術(shù)的應(yīng)用前景。
本研究搭建了小型蒸發(fā)塔，主要探究脫硫廢水的蒸發(fā)特性及對脫硫廢水的處理量與煙氣抽取量的關(guān)系，并進(jìn)行理論推導(dǎo)。對于蒸發(fā)塔技術(shù)下脫硫廢水蒸發(fā)特性的研究，有助于驗(yàn)證技術(shù)的可靠性及塔徑塔高的設(shè)計(jì);脫硫廢水處理量與煙氣抽取量的推導(dǎo)，有利于探究技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，二者都為蒸發(fā)塔技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用做出重要的鋪墊。
1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，脫硫廢水經(jīng)料液泵輸送蒸發(fā)塔頂部的旋流霧化器霧化為液滴，空氣經(jīng)加熱管加熱到一定溫度通過氣體分布器呈一定角度進(jìn)入蒸發(fā)塔，二者在噴霧干燥室內(nèi)相互接觸混合，進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)的干燥過程，干燥形成的顆粒物被旋風(fēng)分離器捕集，廢氣排空。
實(shí)驗(yàn)所用蒸發(fā)塔設(shè)計(jì)參數(shù)參考傳統(tǒng)干燥行業(yè)5 kg / h物料干燥的標(biāo)準(zhǔn)塔型，塔徑為1. 1 m，直筒高度為0. 8 m，灰斗角度為60°;所用給料泵為雷弗BT101 L蠕動(dòng)泵;蒸發(fā)塔黑點(diǎn)位置設(shè)置溫度探頭(天津吉星)，豎直方向距塔頂?shù)木嚯x分別為13 、33 、53及76 cm，徑向方向距塔壁的距離分別為50 、33 、19及3. 5cm ;塔體外部用巖棉進(jìn)行保溫(出日處保溫效果不好，因此，以塔體底部第2塊溫度表計(jì)為出日煙溫);塔頂設(shè)置霧化器和氣體分布器，其中霧化器為旋流霧化器，直徑為50 mm，內(nèi)置16個(gè)直徑3. 3 mm的圓形通道，最大處理量為5 kg / h ;電加熱器功率為18 kW，引風(fēng)機(jī)為SINNEN 1. 5 kW高壓風(fēng)機(jī)。
氣體分布器和霧化器的布置如圖3所示，熱空氣通過若干進(jìn)風(fēng)管和調(diào)節(jié)閥的控制均勻進(jìn)入進(jìn)風(fēng)通道中，通過導(dǎo)流板的調(diào)節(jié)呈一定角度旋轉(zhuǎn)并與旋流霧化器出來的霧滴進(jìn)行充分接觸和強(qiáng)烈的傳質(zhì)傳熱反應(yīng)。
霧化器霧矩的測量是將霧化器置于離地面20 cm處，地面鋪一層吸水紙，以霧化器正下方點(diǎn)為圓心，在吸濕紙畫出一個(gè)大的圓周，隨機(jī)間隔120°等角度取3條半徑作為測點(diǎn)(位置1-3 )進(jìn)行測量。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2. 1蒸發(fā)特性
塔體溫度變化可以顯示不同區(qū)域內(nèi)脫硫廢水的蒸發(fā)特性，溫度下降越多，說明此區(qū)域蒸發(fā)反應(yīng)越激烈。
實(shí)驗(yàn)所需脫硫廢水含固量為3. 92%，密度為1 019 kg / m-3。如圖4和圖5所示分別為為當(dāng)氣體分布器導(dǎo)流板角度為30°和20°、進(jìn)氣溫度為300℃、氣體通入量為160 kg/h時(shí)，隨著脫硫廢水給液量的不同，蒸發(fā)塔內(nèi)溫度場的變化趨勢。對比圖4中(a)圖和圖5中(a)圖可以看出，當(dāng)導(dǎo)流板角度為30°時(shí)，塔體高溫區(qū)集中在距塔頂53 cm的水平區(qū)域內(nèi);當(dāng)導(dǎo)流板角度為30°時(shí)，塔體高溫區(qū)集中在距塔頂76cm的水平區(qū)域內(nèi)，說明隨著導(dǎo)流板角度減小，高溫區(qū)呈現(xiàn)下移趨勢;對比圖4(c)圖和圖5中(b)圖可以看出，隨著導(dǎo)流板角度的減少，主反應(yīng)區(qū)也呈現(xiàn)下移的趨勢。
分別將圖4中(b)一(d)與(a)圖進(jìn)行對比，可以看出霧化器下端(距塔頂13 cm處)溫降較大，從塔體中心向塔壁方向，溫度逐漸降低;隨著噴入量的增加，貼近塔壁位置和塔體下部溫度下降開始明顯，說明隨著脫硫廢水噴入量的增加，主反應(yīng)區(qū)同時(shí)向塔體下部和塔壁方向偏移。蒸發(fā)塔的蒸發(fā)量與塔徑關(guān)系密切，當(dāng)塔徑較小時(shí)，脫硫廢水液滴會(huì)粘壁，造成塔壁結(jié)構(gòu)和腐蝕。因此需要通過適當(dāng)調(diào)節(jié)，使得液滴在粘壁之前蒸干。
將霧化器取出，置于地面20 cm處，地面鋪一層吸水紙，間隔120°等角度取3個(gè)測定，無風(fēng)狀況下，霧化器霧化半徑與給液量的關(guān)系如圖6所示，從圖6中可以看出，霧化器轉(zhuǎn)速為18 000 r / min的條件下，隨著給液量的增加，霧矩增大。
以3個(gè)位置的方差代表霧矩的均勻度，均勻度隨給液量的變化如圖7所示，可以看出隨著給液的增加，霧化器的均勻度變差。
另外，霧矩的大小還有霧化器的轉(zhuǎn)速有關(guān)，如圖8所示。給液量為1. 5 kg / h ，隨著轉(zhuǎn)速的增加，霧矩呈減小趨勢。從圖中也可以看出，3個(gè)位置的霧矩差距較大，其源于霧矩的不均勻性。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，為了避免未蒸發(fā)液滴的粘壁，往往以最大霧矩作為設(shè)計(jì)與運(yùn)行的依據(jù)。
進(jìn)風(fēng)量為160 kg / h時(shí)，不同導(dǎo)流板角度下，臨界粘壁給液量如圖9所示。塔徑一定的情況下，通過進(jìn)風(fēng)量以及導(dǎo)流板的調(diào)節(jié)，蒸發(fā)塔處理量大大增加，從無風(fēng)的2. 88 kg / h增加到進(jìn)風(fēng)量160 kg/h、導(dǎo)流板角度為20°的4. 38 kg / h ，處理量增加50%。
2. 2熱量衡算
如圖10所示為蒸發(fā)塔系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖，以蒸發(fā)塔為研究對象，進(jìn)塔能量包括空氣帶入的能量、物料帶入的能量及加熱器加入的能量，出塔能量包括蒸發(fā)產(chǎn)物帶出的熱量、廢氣帶走的熱量及塔體損失的能量，根據(jù)物料和能量守恒，可以計(jì)算出特定脫硫廢水處理量情況下，所需空氣量及出塔溫度。圖10中:L一絕干空氣流量(kg / h);I0一進(jìn)口空氣焓值(kJ/(kg 干空氣));x0一進(jìn)口空氣濕含量(kg 水·(kg 絕干空氣)-1);I1一進(jìn)塔空氣焓值(kJ/(kg 干空氣));x1一進(jìn)塔空氣濕含量(kg 水·kg-1) ;I2一出塔空氣焓值(kJ/(kg 干空氣));;x0一出塔空氣濕含量(kg 水·(kg 絕干空氣)-1);G1一脫硫廢水流量(kg / h);Tm1一脫硫廢水溫度(℃);w1一脫硫廢水含水率;G2脫硫廢水蒸發(fā)產(chǎn)物質(zhì)量流量(kg/h);Tm2 一蒸發(fā)產(chǎn)物溫度(℃);w2一蒸發(fā)產(chǎn)物含水率。
參考干燥理論，脫硫廢水蒸發(fā)過程中的物料守恒為:
脫硫廢水蒸發(fā)過程中的能量守恒為:
式中:I為空氣燴值(kJ·(kg 干空氣)-1);x為空氣濕含量(kg 水·(kg 干空氣)-1);T為空氣溫度(℃);Q為蒸發(fā)塔熱損失。
對于實(shí)際電廠煙氣，其焓值為:
式中:為實(shí)際電廠煙氣燴值(kJ· ( kg 干空氣)-1);c為粉塵的焓值(kJ·(kg 粉塵)-1) ;k為煙氣中粉塵含量(kg 粉塵·(kg干空氣)-1)。
實(shí)驗(yàn)過程中主要以熱空氣進(jìn)行干燥，粉塵熱值為0.
脫硫廢水的焓值:
蒸發(fā)產(chǎn)物的焓值:
式中:Cm為蒸發(fā)產(chǎn)物比熱容(kJ·(kg·℃) -1) ;Cw為水的比熱容(4. 186 kJ·(kg·℃) -1)。
塔體熱損失量:
式中:K為總傳熱系數(shù)(kJ · ( m2 · h ·℃)-1);A為蒸發(fā)塔散熱表面積(m2) 。
實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于塔體外部設(shè)置了保溫層，而且在噴液前有較長時(shí)間的預(yù)熱，當(dāng)塔內(nèi)噴液溫度下降時(shí)，塔體本身的熱反射對塔內(nèi)部有再熱作用，其再熱熱量為:
進(jìn)塔風(fēng)量為160 kg / h，通過未噴液時(shí)塔體的能量損失推算塔體散熱系數(shù)，選取進(jìn)氣溫度分別為200、 250、 300及325℃ ，探究不同噴液量下出日溫度的變化，并與計(jì)算值進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值是相符的。但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，理論值略大于實(shí)驗(yàn)值，其原因可能是塔體的再熱效應(yīng)減弱。
以某電廠600 MW機(jī)組為例，空預(yù)器前溫度為350℃、煙氣量約200萬Nm3、脫硫廢水處理量為7. 5 t/h，出塔煙溫設(shè)定為130℃，假設(shè)塔體設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)蒸發(fā)塔相似，且熱能利用率達(dá)90 %，則需抽取熱空氣量為107 296 kg絕干氣體·h -1，考慮到實(shí)際煙氣中粉塵也會(huì)放出熱量，因此實(shí)際煙氣值應(yīng)略低于此數(shù)值。假設(shè)煙氣密度與干空氣密度相同，為1. 293 kg·Nm -3，則抽取煙氣量為82 982 Nm3·h -1，抽取量約占總量的4. 15%，熱能損失較小，不會(huì)對電廠熱系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響。
3結(jié)論
本文提出了一種新型脫硫廢水零排放工藝一蒸發(fā)塔技術(shù)，搭建了小型蒸發(fā)塔，以真實(shí)的脫硫廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對此技術(shù)的蒸發(fā)特性及熱量衡算等進(jìn)行了研究，結(jié)論如下:
1)在一定條件下，脫硫廢水主蒸發(fā)區(qū)域在塔體中心位置，隨著噴液量的增加，主蒸發(fā)區(qū)域會(huì)向塔壁和塔體下部偏移;
2)氣體分布器的導(dǎo)流板角度可以決定塔體高溫區(qū)的位置，導(dǎo)流板角度變小，高溫區(qū)下移;
3)霧矩影響塔徑大小，其受給液量和霧化器轉(zhuǎn)速的雙重影響:給液量越大，霧矩越大;轉(zhuǎn)速越大，霧矩越小;
4)適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)導(dǎo)流板角度及進(jìn)風(fēng)量可增加脫硫廢水的處理量;
5)估算結(jié)果表明，此技術(shù)所需熱煙氣量不大，不會(huì)對電廠熱系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響。