電廠脫硫廢水處理膜蒸餾技術(shù)

———電廠脫硫廢水處理膜蒸餾技術(shù)脫硫廢水為濕法煙氣脫硫過程中產(chǎn)生的廢水，其高濁度、高硬度、高含鹽量、污染物種類多、水質(zhì)波動大、腐蝕性強等特點，成為燃煤電廠中成分最為簡單、處理難度最大的工業(yè)廢水。

機械式蒸汽再壓縮技術(shù)(簡稱MVR)雖然可將脫硫廢水做到零排放，但該方法存在易結(jié)垢、易腐蝕、運行成本和投資成本高等顯著問題。膜蒸餾(簡稱MD)是一新型膜分別技術(shù)，可利用太陽能、工業(yè)廢熱等低品位熱源，處理高濃度原料液，以獲得高品質(zhì)的產(chǎn)水。本文就膜蒸餾的原理、組件形式、蒸餾膜材質(zhì)、熱源選擇等方面討論該技術(shù)在燃煤電廠脫硫廢水處理中的應用前景。

1、脫硫廢水的來源與特點

在濕法煙氣脫硫工藝中，由于煙氣中的F-和Cl-的溶解，會使?jié){液中2種離子濃度漸漸上升，一方面，F(xiàn)-與漿液中的鋁聯(lián)合，對石灰石溶解產(chǎn)生屏蔽作用，從而影響脫硫效率;另一方面，漿液中Cl-濃度上升也會影響脫硫效率和石膏品質(zhì)，同時還會引起管道腐蝕。為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行、保證石膏產(chǎn)品質(zhì)量和保證脫硫效率，需要掌握漿液中Cl-濃度，一般要求低于20g/L，因此需排出部分漿液，以保證Cl-濃度達標。排出的漿液便是脫硫廢水。

脫硫廢水的典型特征包括：

①水質(zhì)波動范圍特別大;

②污染物種類多;

③硬度高，Ca2+濃度為476.2mg/L～5206mg/L，Mg2+濃度為204.7mg/L～9037.7mg/L;

④含鹽量很高，特殊是Cl-濃度為1127mg/L～14524mg/L，SO42-濃度為1142mg/L～25380mg/L;

⑤腐蝕性強;

⑥懸浮物含量高;

⑦重金屬超標。

2、膜蒸餾技術(shù)的原理與優(yōu)勢

膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸餾過程相結(jié)合的分別過程。膜的一側(cè)與熱的待處理溶液直接接觸(稱為熱側(cè))，另一側(cè)直接或間接地與冷的水溶液接觸(稱為冷側(cè))，熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處汽化通過膜進入冷側(cè)并被冷凝成液相，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實現(xiàn)混合物分別或提純的目的。

膜蒸餾的技術(shù)優(yōu)勢包括：

①可低溫操作，不需要將原料液加熱至沸點;

②常壓操作;

③理論脫鹽率達100%;

④產(chǎn)水水質(zhì)好;

⑤可處理高濃度原料液，分別性能不受滲透壓限制。

3、膜蒸餾技術(shù)分類

依據(jù)膜冷側(cè)水蒸氣冷凝方式的不同，膜蒸餾過程可分為4種不同形式(見圖1)：直接接觸式膜蒸餾(簡稱DC-MD)、氣隙式膜蒸餾(簡稱AMGD)、氣掃式膜蒸餾(簡稱SGMD)和真空膜蒸餾(簡稱VMD)。

DCMD：該組件內(nèi)，膜兩側(cè)的液體直接與膜面接觸，其一面是經(jīng)過加熱的原溶液為熱側(cè)，另一面是冷卻水為冷側(cè)，膜孔內(nèi)為汽相(蒸氣和空氣)，在熱側(cè)膜面上生成的水蒸氣透過膜至冷側(cè)凝聚成水，并和冷卻水合而為一。AMGD：該組件內(nèi)，膜的冷側(cè)裝有冷卻板，在其間就是氣隙室，當熱側(cè)水蒸氣透過膜在的氣隙室集中遇冷凝壁結(jié)成液態(tài)導出，而冷卻水在組件內(nèi)部降溫，凝聚水和冷卻水各有通道，互不混合。SGMD：該組件內(nèi)，膜的冷側(cè)通常以惰性氣體(如氮氣等)作載體，將透過膜的水蒸氣帶至組件外冷凝。VMD：該組件內(nèi)，膜的一側(cè)與進料液體直接接觸，透過側(cè)用真空泵抽真空，另一側(cè)的壓力保持在低于進料平衡的蒸氣壓之下，揮發(fā)組份從冷側(cè)引出后冷凝。

各種膜蒸餾組件的優(yōu)缺點為(見表1)：在四種膜蒸餾方式中，真空膜蒸餾的通量相對較大，傳質(zhì)效率高，熱利用效率高，而且操作過程中膜不易損壞，下游側(cè)的阻力也較其他3種要小，協(xié)作平板式蒸餾膜組件，便于與其他凈化處理過程耦合與集成，因此，真空膜蒸餾更加適合用于處理脫硫廢水。

4、膜蒸餾過程用膜

膜的疏水性和微孔性是膜蒸餾用膜的選擇關(guān)鍵。而足夠的機械強度、高熱穩(wěn)定性、高化學穩(wěn)定性以及較低的導熱系數(shù)也是膜蒸餾用膜材料所必需的。通常認為孔隙率為60%～80%，平均孔徑為0.1μm～0.5μm的膜最適于膜蒸餾。

目前，膜蒸餾過程膜材料的討論開發(fā)主要集中于3種膜材料，即聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)。聚四氟乙烯膜是以聚四氟乙烯為原料，采納特別工藝，經(jīng)壓延、擠出和雙向拉伸等方法制成的微孔膜。聚偏氟乙烯膜是PVDF溶液在支撐層通過先進生產(chǎn)工藝制造而成的微孔濾膜。雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)一般為多層共濟薄膜，是由聚丙烯顆粒經(jīng)共擠形成片材后，再經(jīng)縱橫兩個方向的拉伸而制得。

各種蒸餾膜材質(zhì)的優(yōu)缺點為(見表2)：針對電廠脫硫廢水含鹽量高、懸浮物含量高、硬度高導致易結(jié)垢、腐蝕性強等特點，綜合考慮材料性能與經(jīng)濟性，PTFE材質(zhì)的蒸餾膜更加適合用于處理脫硫廢水。

5、膜蒸餾過程熱源選擇

限制膜蒸餾商業(yè)化應用的主要緣由是該技術(shù)能耗及產(chǎn)水成本過高。在膜蒸餾過程中，90%的能耗來自于對原水的加熱，這導致膜蒸餾所需的熱量達到628kW/m3，產(chǎn)水價格高于2.2美元/t。另外，由于碳排放稅和能源價格的逐年上升，以燃燒化石燃料(煤、石油等)供應的電能/熱量驅(qū)動膜蒸餾過程顯得沒有有用意義，其產(chǎn)水成本也會進一步提高。然而，隨著太陽能技術(shù)的進展和低品位熱源(煙氣廢熱、低品位蒸汽及循環(huán)冷卻水潛熱等)的回收利用，使得膜蒸餾技術(shù)處理脫硫廢水的商業(yè)化前景再一次變得光明起來。依據(jù)KESIEME供應的計算公式，合理利用低品位熱源(50℃)，可以使膜蒸餾的產(chǎn)水價格下降至0.57美元/t，低于目前反滲透技術(shù)的產(chǎn)水價格。

因此，充分利用電廠的低溫廢熱(50℃～70℃的低品位蒸汽均可作為抱負的熱源)，可大大降低膜蒸餾系統(tǒng)的運行成本。

6、結(jié)束語

隨著環(huán)保政策日益嚴格，燃煤電廠脫硫廢水零排放處理已是大勢所趨。真空膜蒸餾技術(shù)+PTFE蒸餾膜+廢熱回收技術(shù)所具有的脫鹽率高、產(chǎn)水水質(zhì)好，水回收率高、抗污染、低運行成本等優(yōu)勢，已成為一項極具進展?jié)摿Φ拿摿驈U水零排放技術(shù)。但是，目前，針對膜蒸餾技術(shù)的機理性討論、過程強化、組件開發(fā)及新型膜材料研發(fā)等工作開展嚴峻不足，在肯定程度上制約了該技術(shù)在脫硫廢水零排放處理中的推廣應用。為增加膜蒸餾技術(shù)的有用性，今后，可在以下幾個方面開展討論工作。

①加強膜蒸餾技術(shù)的機理性討論，尤其針對嚴峻影響傳質(zhì)過程的兩個重要因素—溫度極化和濃度極化。

②開發(fā)新組件形式，提高傳質(zhì)效率。

③研發(fā)或改性膜材料，增加抗污染性，提高膜通量。

④研發(fā)低成本膜材料制作工藝，降低投資成本，提高市場競爭力。

⑤加強運行過程討論，累計運行閱歷，優(yōu)化工藝參數(shù)。

⑥研發(fā)高效低溫熱源回收技術(shù)，如煙氣廢熱、低品位蒸汽及循環(huán)冷卻水潛熱等。

⑦將膜蒸餾技術(shù)與其他水處理技術(shù)進行耦合，降低能耗，拓展市場范圍。

脫硫廢水為濕法煙氣脫硫過程中產(chǎn)生的廢水，其高濁度、高硬度、高含鹽量、污染物種類多、水質(zhì)波動大、腐蝕性強等特點，成為燃煤電廠中成分最為簡單、處理難度最大的工業(yè)廢水。

機械式蒸汽再壓縮技術(shù)(簡稱MVR)雖然可將脫硫廢水做到零排放，但該方法存在易結(jié)垢、易腐蝕、運行成本和投資成本高等顯著問題。膜蒸餾(簡稱MD)是一新型膜分別技術(shù)，可利用太陽能、工業(yè)廢熱等低品位熱源，處理高濃度原料液，以獲得高品質(zhì)的產(chǎn)水。本文就膜蒸餾的原理、組件形式、蒸餾膜材質(zhì)、熱源選擇等方面討論該技術(shù)在燃煤電廠脫硫廢水處理中的應用前景。

1、脫硫廢水的來源與特點

在濕法煙氣脫硫工藝中，由于煙氣中的F-和Cl-的溶解，會使?jié){液中2種離子濃度漸漸上升，一方面，F(xiàn)-與漿液中的鋁聯(lián)合，對石灰石溶解產(chǎn)生屏蔽作用，從而影響脫硫效率;另一方面，漿液中Cl-濃度上升也會影響脫硫效率和石膏品質(zhì)，同時還會引起管道腐蝕。為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行、保證石膏產(chǎn)品質(zhì)量和保證脫硫效率，需要掌握漿液中Cl-濃度，一般要求低于20g/L，因此需排出部分漿液，以保證Cl-濃度達標。排出的漿液便是脫硫廢水。

脫硫廢水的典型特征包括：

①水質(zhì)波動范圍特別大;

②污染物種類多;

③硬度高，Ca2+濃度為476.2mg/L～5206mg/L，Mg2+濃度為204.7mg/L～9037.7mg/L;

④含鹽量很高，特殊是Cl-濃度為1127mg/L～14524mg/L，SO42-濃度為1142mg/L～25380mg/L;

⑤腐蝕性強;

⑥懸浮物含量高;

⑦重金屬超標。

2、膜蒸餾技術(shù)的原理與優(yōu)勢

膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸餾過程相結(jié)合的分別過程。膜的一側(cè)與熱的待處理溶液直接接觸(稱為熱側(cè))，另一側(cè)直接或間接地與冷的水溶液接觸(稱為冷側(cè))，熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處汽化通過膜進入冷側(cè)并被冷凝成液相，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實現(xiàn)混合物分別或提純的目的。

膜蒸餾的技術(shù)優(yōu)勢包括：

①可低溫操作，不需要將原料液加熱至沸點;

②常壓操作;

③理論脫鹽率達100%;

④產(chǎn)水水質(zhì)好;

⑤可處理高濃度原料液，分別性能不受滲透壓限制。

3、膜蒸餾技術(shù)分類

依據(jù)膜冷側(cè)水蒸氣冷凝方式的不同，膜蒸餾過程可分為4種不同形式(見圖1)：直接接觸式膜蒸餾(簡稱DC-MD)、氣隙式膜蒸餾(簡稱AMGD)、氣掃式膜蒸餾(簡稱SGMD)和真空膜蒸餾(簡稱VMD)。

DCMD：該組件內(nèi)，膜兩側(cè)的液體直接與膜面接觸，其一面是經(jīng)過加熱的原溶液為熱側(cè)，另一面是冷卻水為冷側(cè)，膜孔內(nèi)為汽相(蒸氣和空氣)，在熱側(cè)膜面上生成的水蒸氣透過膜至冷側(cè)凝聚成水，并和冷卻水合而為一。AMGD：該組件內(nèi)，膜的冷側(cè)裝有冷卻板，在其間就是氣隙室，當熱側(cè)水蒸氣透過膜在的氣隙室集中遇冷凝壁結(jié)成液態(tài)導出，而冷卻水在組件內(nèi)部降溫，凝聚水和冷卻水各有通道，互不混合。SGMD：該組件內(nèi)，膜的冷側(cè)通常以惰性氣體(如氮氣等)作載體，將透過膜的水蒸氣帶至組件外冷凝。VMD：該組件內(nèi)，膜的一側(cè)與進料液體直接接觸，透過側(cè)用真空泵抽真空，另一側(cè)的壓力保持在低于進料平衡的蒸氣壓之下，揮發(fā)組份從冷側(cè)引出后冷凝。

各種膜蒸餾組件的優(yōu)缺點為(見表1)：在四種膜蒸餾方式中，真空膜蒸餾的通量相對較大，傳質(zhì)效率高，熱利用效率高，而且操作過程中膜不易損壞，下游側(cè)的阻力也較其他3種要小，協(xié)作平板式蒸餾膜組件，便于與其他凈化處理過程耦合與集成，因此，真空膜蒸餾更加適合用于處理脫硫廢水。

4、膜蒸餾過程用膜

膜的疏水性和微孔性是膜蒸餾用膜的選擇關(guān)鍵。而足夠的機械強度、高熱穩(wěn)定性、高化學穩(wěn)定性以及較低的導熱系數(shù)也是膜蒸餾用膜材料所必需的。通常認為孔隙率為60%～80%，平均孔徑為0.1μm～0.5μm的膜最適于膜蒸餾。

目前，膜蒸餾過程膜材料的討論開發(fā)主要集中于3種膜材料，即聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)。聚四氟乙烯膜是以聚四氟乙烯為原料，采納特別工藝，經(jīng)壓延、擠出和雙向拉伸等方法制成的微孔膜。聚偏氟乙烯膜是PVDF溶液在支撐層通過先進生產(chǎn)工藝制造而成的微孔濾膜。雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)一般為多層共濟薄膜，是由聚丙烯顆粒經(jīng)共擠形成片材后，再經(jīng)縱橫兩個方向的拉伸而制得。

各種蒸餾膜材質(zhì)的優(yōu)缺點為(見表2)：針對電廠脫硫廢水含鹽量高、懸浮物含量高、硬度高導致易結(jié)垢、腐蝕性強等特點，綜合考慮材料性能與經(jīng)濟性，PTFE材質(zhì)的蒸餾膜更加適合用于處理脫硫廢水。

5、膜蒸餾過程熱源選擇

限制膜蒸餾商業(yè)化應用的主要緣由是該技術(shù)能耗及產(chǎn)水成本過高。在膜蒸餾過程中，90%的能耗來自于對原水的加熱，這導致膜蒸餾所需的熱量達到628kW/m3，產(chǎn)水價格高于2.2美元/t。另外，由于碳排放稅和能源價格的逐年上升，以燃燒化石燃料(煤、石油等)供應的電能/熱量驅(qū)動膜蒸餾過程顯得沒有有用意義，其產(chǎn)水成本也會進一步提高。然而，隨著太陽能技術(shù)的進展和低品位熱源(煙氣廢熱、低品位蒸汽及循環(huán)冷卻水潛熱等)的回收利用，使得膜蒸餾技術(shù)處理脫硫廢水的商業(yè)化前景再一次變得光明起來。依據(jù)KESIEME供應的計算公式，合理利用低品位熱源(50℃)，可以使膜蒸餾的產(chǎn)水價格下降至0.57美元/t，低于目前反滲透技術(shù)的產(chǎn)水價格。

因此，充分利用電廠的低溫廢熱(50℃～70℃的低品位蒸汽均可作為抱負的熱源)，可大大降低膜蒸餾系統(tǒng)的運行成本。

6、結(jié)束語

隨著環(huán)保政策日益嚴格，燃煤電廠脫硫廢水零排放處理已是大勢所趨。真空膜蒸餾技術(shù)+PTFE蒸餾膜+廢熱回收技術(shù)所具有的脫鹽率高、產(chǎn)水水質(zhì)好，水回收率高、抗污染、低運行成本等優(yōu)勢，已成為一項極具進展?jié)摿Φ拿摿驈U水零排放技術(shù)。但是，目前，針對膜蒸餾技術(shù)的機理性討論、過程強化、組件開發(fā)及新型膜材料研發(fā)等工作開展嚴峻不足，在肯定程度上制約了該技術(shù)在脫硫廢水零排放處理中的推廣應用。為增加膜蒸餾技術(shù)的有用性，今后，可在