濕法煙氣脫硫水資源“雙零”工藝的研究與應(yīng)用

1、濕法煙氣脫硫水資源“雙零”工藝的研究與應(yīng)用 （北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司 北京 100142） 摘要：提出一種不消耗工藝水也不排放廢水的脫硫工藝。通過回收飽和煙氣中的水分實(shí)現(xiàn)工藝水的自給自足，通過脫硫廢水的煙道處理實(shí)現(xiàn)廢水零排放。對(duì)組成該工藝的冷凝水回收、廢水煙道蒸發(fā)兩個(gè)子工藝分別依托實(shí)際燃煤火電機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試，取得了比較理想的測(cè)試結(jié)果。該工藝一方面降低了對(duì)水資源的消耗和依賴，一方面消除了對(duì)水環(huán)境的污染，使得濕法脫硫工藝可以不依賴水資源而運(yùn)行。一方面對(duì)濕法脫硫的環(huán)境影響給出極大的改善空間，一方面使得在干旱缺水地區(qū)也可以使用高效的濕法脫硫工藝。 關(guān)鍵詞：濕法煙氣脫硫 工藝水零消耗 廢水零排放

2、廢水煙道處理 煙氣水回收 1 引言 我國能源供給以燃煤電站為主，燃煤電站的煙氣脫硫以石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝為主。傳統(tǒng)的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝一方面消耗大量工藝水，一方面向環(huán)境排放相當(dāng)數(shù)量的廢水。我國又是一個(gè)水資源相當(dāng)匱乏的國家，傳統(tǒng)的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝給緊張的水資源造成新的壓力。 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝消耗的工藝水，絕大部分以水蒸氣的形態(tài)排放到大氣中；所排放的廢水含有高濃度的氯離子，廢水處理系統(tǒng)難以處理。 本文就石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝對(duì)水資源的影響展開研究，通過理論分析、工程實(shí)踐，提出一種不消耗工藝水也不排放廢水的脫硫工藝。通過回收飽和煙氣中的水分實(shí)現(xiàn)工藝水的

3、自給自足，通過脫硫廢水的煙道處理實(shí)現(xiàn)廢水零排放。 對(duì)于典型的660MW燃煤發(fā)電機(jī)組，使用傳統(tǒng)的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝，消耗工藝水約80t/h，產(chǎn)生廢水約4t/h，使用本文所述工藝則可實(shí)現(xiàn)不消耗工藝水、不產(chǎn)生廢水，環(huán)保價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益均非常明顯。 2 工藝路線 濕法脫硫塔后的凈煙氣為飽和煙氣，本文使用冷水噴淋，氣、水直接換熱的方式使煙氣降溫，使其中的飽和水蒸汽凝結(jié)為液態(tài)水，吸熱升溫后的水與冷凝水一起通過冷卻器釋放熱量之后重新充當(dāng)噴淋用的冷水，熱水、冷水的差額外排作為濕法脫硫塔的工藝水。 濕法脫硫塔前的原煙氣為高溫?zé)煔?，本文將濕法脫硫產(chǎn)生的廢水通過霧化裝置噴入除塵器之前的原煙氣，使其中的水分在

4、高溫?zé)煔庵姓舭l(fā)為水蒸氣，其中的鹽分以固體形態(tài)與煙氣中的飛灰一起被除塵器捕捉而離開系統(tǒng)。 使用前述工藝改造過的濕法脫硫工藝流程圖如圖1所示，它不需要從系統(tǒng)外部補(bǔ)充水源，也不需要向系統(tǒng)外部水體排出液體。圖中虛線框內(nèi)為本文所述工藝。 1 24.32500=60750 煙氣的比熱容約為1.3?萬?3(煙氣) ?，則煙氣溫降為： 60750100001.3=4.67 易知，4.67的溫降對(duì)于除塵器及其煙道是安全的。 3.3 脫硫塔中水的蒸發(fā) 在脫硫塔中，煙氣與水充分接觸，出口水蒸氣為飽和狀態(tài)，溫度一般在45-55之間。 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，50的飽和分壓力為12357.68Pa，含水率為： 12357.68

5、18?1000=98?3(煙氣) 對(duì)于典型的燃煤煙氣，脫硫塔前水蒸氣體積比約7%，折合質(zhì)量濃度為： 18?0.071000=56.25?(煙氣) 易知，脫硫塔中蒸發(fā)水量為： 98?56.25=41.75 對(duì)于200萬?3(煙氣) ?煙氣量，蒸發(fā)水量為： 1?341.752000000=83500=83.5 ?3(煙氣)3.4 煙道水的冷凝回收 脫硫塔出口的煙氣中的水蒸氣為飽和狀態(tài)，溫度一般在45-55之間。 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，50的飽和分壓力為12357.68Pa，含水率為： 12357.6818?1000=98?3(煙氣) 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，40的飽和分壓力為7388.73Pa，含水率為： 73

6、88.7318?1000=58.6 3?(煙氣) 即，煙氣溫度降低10，可回收冷凝水： 98?58.6=39.4 對(duì)于200萬?3(煙氣) ?煙氣量，冷凝水量為： 1?339.42000000=78800=78.8?3(煙氣) 3.5 物料平衡 由前所述，對(duì)于200萬?3 ?煙氣量，廢水量為4.86m3/?，塔內(nèi)蒸發(fā)量為83.5m3/?，回收冷凝水為78.8m3/?，基本可以實(shí)現(xiàn)水資源的自給自足、自我凈化。 以上計(jì)算過程為了計(jì)算方便做了適當(dāng)簡化，計(jì)算數(shù)值與實(shí)際情況有所偏差，為了更準(zhǔn)確地計(jì)算，本文編制了非完整物料平衡表，如表1、表2所示。 3 表1氣體側(cè)物料平衡 項(xiàng)目 基本數(shù)據(jù)： 濕基流量 干基

7、流量 實(shí)際流量 溫度 絕對(duì)壓力 表壓 大氣壓 焓 質(zhì)量流量： 總計(jì) H2O N2 O2 CO2 SO2 HCl HF 灰 液珠 體積含量： H2O O2 CO2 SO2 HCl HF 灰 液珠 標(biāo)準(zhǔn)體積含量： O2 SO2 HCl HF 灰 液珠 單位 Nm3/h (w.) Nm3/h (tr.) m3/h C kPa kPa kPa kJ/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h kg/h %(V.,w.) %(V.,tr.) %(V.,tr.) mg/Nm3 (tr.) mg/Nm3 (tr.) mg/Nm3 (tr.) mg/Nm3 (

8、tr.) mg/Nm3 (tr.) %(V.,tr.) mg/Nm3 (tr.) mg/Nm3 (tr.) mg/Nm3 (tr.) mg/Nm3 (tr.) mg/Nm3 (tr.) 1 空預(yù)器后-噴 水前 2 噴水后-除塵 器前 3 除塵器后-引風(fēng)機(jī)前 4 引風(fēng)機(jī)后-吸收塔前 5 吸收塔后-節(jié)水塔前 6 節(jié)水塔后-煙 囪前 2150000.00 2155741.39 2155741.39 2155741.39 2262311.50 2149864.59 1999500.00 1999500.00 1999500.00 1999500.00 1999500.00 1999500.00 330

9、3665.89 3280886.51 3314947.10 3060745.55 2643870.25 2458547.84 130.00 97.325 -4.000 101.325 690688863 126.15 97.325 -4.000 101.325 691658545 126.15 96.325 -5.000 101.325 691658266 125657.70 157097.68 608907.78 12396.90 103.31 51.65 206.62 0.00 7.25 5.50 15.50 6200.00 51.67 25.83 41333.33 0.00 7.25 5

10、.50 15.50 6200.00 51.67 25.83 103.33 0.00 7.25 5.50 15.50 6200.00 51.67 25.83 103.33 0.00 126.15 104.325 3.000 101.325 691658266 125657.70 157097.68 608907.78 12396.90 103.31 51.65 206.62 0.00 11.62 5.50 15.50 10.33 2.58 1.29 10.33 51.67 49.22 102.325 1.000 101.325 709657238 211367.09 157097.68 6089

11、07.78 20.66 5.17 2.58 20.66 103.31 6.99 5.50 15.50 5.17 2.58 1.29 5.17 10.33 39.22 101.325 0.000 101.325 690665715 120931.26 157097.68 608907.78 10.33 5.17 2.58 10.33 20.66 121040.16 157097.68 608907.78 12396.90 103.31 51.65 82646.00 0.00 7.00 5.50 15.50 6200.00 51.67 25.83 41333.33 0.00 6.00 6000.0

12、0 50.00 25.00 40000.00 0.00 6.00 6000.00 50.00 25.00 40000.00 0.00 125657.70 157097.68 608907.78 12396.90 103.31 51.65 82646.00 0.00 2957700.32 2962317.85 2879878.47 2879878.47 2952981.76 2862442.62 1975456.83 1975456.83 1975456.83 1975456.83 1975456.83 1975456.83 6.00 6000.00 50.00 25.00 100.00 0.0

13、0 6.00 6000.00 50.00 25.00 100.00 0.00 6.00 10.00 2.50 1.25 10.00 50.00 6.00 5.00 2.50 1.25 5.00 10.00 注：本表忽略了氧化空氣的影響。 4 表2液體側(cè)物料平衡 項(xiàng)目 基本數(shù)據(jù)： H2O Cl- SO42- 溫度 離子濃度： Cl- SO42- 單位 kg/h kg/h kg/h mg/L mg/L 20000.00 50000.00 7 除塵器前噴水 4617.53 92.35 230.88 50.00 4.42 93.87 90515.81 0.40 8.50 50.00 4.42 93.8

14、7 8 冷凝水回收 85709.39 0.40 8.50 50.00 9 工藝水 注：本表未對(duì)液體側(cè)物料做完全考察，只關(guān)注與本文有直接關(guān)系的水與離子。 由表1、表2可知，對(duì)于200萬?3 ?煙氣量： 1）產(chǎn)生廢水4617.53kg/h，冷凝水回收90515.81kg/h，塔內(nèi)蒸發(fā)水85709.39kg/h，可實(shí)現(xiàn)水資源自給自足、自我凈化，且回收水略有富余。 2）換熱量為709657238?690665715=18991523.31kJ/h，合 18991523.31 3600 =5275.42kW。 3）冷凝水Cl?濃度只有4.42?/?，比通常使用的脫硫工藝水水質(zhì)好得多（通常為200800?

15、/?）。 4 工程實(shí)踐 4.1 廢水煙道蒸發(fā) 廢水煙道蒸發(fā)工藝依托某公司燃煤發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試煙氣量為20萬Nm3/?。 在電除塵器前方煙道上安裝高效雙流體噴槍，將濕法脫硫產(chǎn)生的廢水噴入煙道，使其中的水分在煙氣中蒸發(fā)成為水蒸氣，其中的鹽分成為固體顆粒，經(jīng)由電除塵器以飛灰的形態(tài)排出系統(tǒng)。 雙流體噴槍使用壓縮空氣作為霧化氣體，使用專門的高壓水泵提供脫硫廢水。 其中噴霧粒度是重要的，粒徑應(yīng)當(dāng)足夠細(xì)小，以便霧滴可以在進(jìn)入電除塵器之前迅速、完全蒸發(fā)。 工藝流程圖如圖2所示。 5 圖2廢水煙道蒸發(fā)工藝流程圖 運(yùn)行參數(shù)與測(cè)試結(jié)果如表3所示。 表3廢水煙道蒸發(fā)測(cè)試結(jié)果 機(jī)組 負(fù)荷率 % 88 90 80

16、裝置 負(fù)荷率 % 100 100 100 煙氣量 (干基、6%O2) Nm3/h 180631 201134 193267 煙氣溫度 143.0 147.0 135.0 噴水量 kg/h 412.57 434.21 374.78 噴水率 g/萬Nm3 22.84 21.59 19.39 能耗 Wh/kg(水) 13.3 12.1 14.2 測(cè)試組別 1 2 3 4.2 冷凝水回收 冷凝水回收工藝依托某公司燃煤發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試煙氣量為2萬Nm3/?。 冷凝水回收工藝采用水與煙氣逆向噴淋、直接接觸換熱的方式給煙氣降溫，吸熱升溫后的水經(jīng)由氣-水換熱器由空氣帶走熱量而降溫。 6 冷凝器的氣相出口

17、采用高效管束式除塵器將煙氣中攜帶的水滴捕捉下來，確保有足夠的冷凝水留在冷凝塔內(nèi)，而不被煙氣帶走。 在系統(tǒng)內(nèi)富集的水經(jīng)由溢流管由緩沖罐收集、計(jì)量后排出系統(tǒng)。 工藝流程圖如圖3所示。 圖3煙氣冷凝水回收工藝流程圖 運(yùn)行參數(shù)與測(cè)試結(jié)果如表4所示。 表4煙氣冷凝水回收測(cè)試結(jié)果 機(jī)組 負(fù)荷率 % 88 90 80 裝置 負(fù)荷率 % 70 100 100 煙氣量 (干基、6%O2) Nm3/h 18741 21016 18175 煙氣溫度 143.0 147.0 135.0 回收水量 kg/h 312.9 627.0 765.4 回收水率 能耗 3 g/Nm kWh/kg(水) 16.70 29.77 4

18、2.11 0.18 0.17 0.13 測(cè)試組別 1 2 3 回收水水質(zhì)如表5所示。 表5回收水水質(zhì) 項(xiàng)目 Cl- SO42- 單位 mg/L mg/L 第一組 0.42 1.39 第二組 0.24 0.82 第三組 0.069 0.51 5 幾個(gè)衍生問題 1) 廢水煙道蒸發(fā)對(duì)除塵效率的影響 7 廢水煙道蒸發(fā)對(duì)煙氣性質(zhì)有兩方面的影響：降低煙氣溫度、降低比電阻。 以3.2節(jié)算例為例： 煙氣溫度降低4.67。降溫前的溫度以130計(jì)，煙氣流速可降低1.26%，除塵效率可提高0.03%。 水蒸氣含量從7%提高到10%，比電阻從1.101011降低到5.971010，除塵效率相應(yīng)有較大幅度提高。 2)

19、廢水煙道蒸發(fā)對(duì)灰塵成分的影響 以某項(xiàng)目脫硫廢水為例，主要污染物及其含量約為：硫酸鹽，2500mg/L；氯化物，1613.7mg/L；懸浮物，764mg/L。 對(duì)表2所示噴水量4617.53kg/h，因噴水而進(jìn)入煙道的固形物為22.5kg/h。由表1可知，煙氣攜帶灰塵量為82646kg/h，因噴水而進(jìn)入煙道的固形物與原有灰塵之比約為1:1000。 3) 廢水煙道蒸發(fā)對(duì)煙道的影響 除塵器前的煙道為非防腐煙道，噴霧過程中如果形成局部低溫或濕壁，會(huì)對(duì)煙道造成腐蝕。 霧滴與灰塵結(jié)合之后，會(huì)改變灰塵的性質(zhì)，濕潤的灰塵相互粘接會(huì)進(jìn)一步改變灰塵的流體動(dòng)力學(xué)特性，一定條件下會(huì)造成灰的沉積。 霧羽與煙道內(nèi)壁、內(nèi)撐桿相接觸，會(huì)形成水膜，水膜沾附灰塵會(huì)迅速形成嚴(yán)重的灰塵積聚、板結(jié)。 此類問題需要根據(jù)具體項(xiàng)目的具體情況，分析其流場(chǎng)特點(diǎn)，充分利用煙道內(nèi)部流場(chǎng)較為穩(wěn)定的空間，合理選擇噴槍的角度、壓力、氣/水比等，合理規(guī)避此類不利情況的出現(xiàn)。 4) 煙氣排煙溫度降低對(duì)煙氣排放的影響 煙氣水分冷凝回收會(huì)導(dǎo)致排煙溫度降低，從而影響煙氣排放高度。 煙氣水分冷凝回收會(huì)形成污染物的二次脫除，從而對(duì)排放