【技術匯】火電廠團聚除塵協同脫硫廢水零排放技術應用研究
摘要
隨著我國環保標準的不斷提高，對火電廠提出了全廠廢水零排放的要求，其最大的困難就在于脫硫廢水高效低成本無害化處理。鄂州電廠在一期工程2×330MW機組上創造性地采用團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術，利用脫硫廢水配制團聚劑除塵，有效地解決脫硫廢水零排放的難題，同時大幅提高靜電除塵器的除塵效率、降低煙氣中的SO3含量。鄂州電廠的成功應用表明，利用團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術實現火電廠脫硫廢水零排放工藝成熟可靠，投資節省較多，運維費用極低，運行操作簡單，設備維護方便，是脫硫廢水處理方面的重大創新，具有一定的推廣價值。
關鍵詞：團聚除塵;脫硫廢水;煙道蒸發;粉煤灰;協同
0引言
鄂州電廠一期工程2×330MW機組于1999年正式投產，采用進口“W”型火焰鍋爐，設計燃用山西無煙煤。為滿足超低排放要求，鄂州電廠采用高頻電源疊加脈沖電源等先進技術對原靜電除塵器進行了改造，但因場地空間受到限制，改造后電除塵出口粉塵設計值只能達到50mg/m3。結合鄂州電廠的實際情況，煙塵超低排放僅靠常規脫硫協同除塵已不可能實現，在技術路線的選擇上面臨著較大的困難。同時其煙氣脫硫采用石灰石－石膏濕法脫硫工藝，脫硫廢水的含鹽量極高，pH值一般＜6，主要含有Ca2+、Mg2+、SO42－、Cl-等離子，具有成分復雜、高硬度、高腐蝕性等特點，也是燃煤電廠廢水零排放中處理難度最大的廢水。
為解決脫硫廢水零排放和煙塵超低排放這兩個難題，結合自身特點，鄂州電廠于2019年采用了團聚除塵協同脫硫廢水煙道蒸發技術，利用脫硫廢水來配制團聚劑溶液，霧化噴入鍋爐尾部煙道來實現電廠脫硫廢水的無害化消納利用。同時，團聚劑能夠使煙氣中PM2.5以下的細顆粒物絮凝、長大成為大顆粒，更加有利于電除塵設備對超細粉塵的捕獲，從而提高電除塵的效率，再通過脫硫系統協同除塵實現煙塵超低排放。
1團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術
團聚除塵協同脫硫廢水煙道蒸發技術通過利用脫硫廢水配制團聚劑溶液，在燃煤鍋爐空預器入口高溫煙道、電除塵入口煙道中噴入霧化的團聚劑溶液，液滴與煙道中的煙氣充分混合，水份吸收煙氣的熱量而蒸發，其中的鹽份形成固體，與粉塵一起經電除塵器脫除后被收集到灰斗中，從而在提高電除塵效率的同時，實現了脫硫廢水的零排放。具體的工藝流程如圖1所示。
圖1團聚除塵協同脫硫廢水零排工藝流程
團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術由團聚劑乳化系統、廢水緩存系統、霧化噴射系統以及自動控制系統等組成，主要包含以下幾種核心技術:
(1)細顆粒物團聚技術通過在團聚劑中添加高分子化合物，可使顆粒物之間以電性中和、吸附架橋的方式團聚在一起，增強細顆粒物的團聚效果，從而提高靜電除塵器的除塵效率。
(2)Cl-鈍化技術團聚劑中的官能團可以抑制溶液中CI－離子活性，減緩金屬的腐蝕速度，從而避免脫硫廢水對系統設備和煙道的腐蝕。
(3)霧化噴射技術采用壓縮空氣將脫硫廢水通過噴槍的霧化噴嘴送至煙道，保證霧化粒徑＜60μm，液滴進入空預器前、后煙道，煙氣高溫瞬間蒸干霧滴。
(4)SO3脫除技術團聚劑與SO3在高溫條件下，可以發生磺化反應，生成有機磺酸鹽高分子化合物。團聚劑溶解在脫硫廢水中噴入煙道后，除增加細顆粒物的團聚效果外，還可以同時脫除煙氣中的SO3。
2團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術在鄂州電廠的應用
2.1項目概況鄂州電廠團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術研究
項目按“一拖二”模式設計，一套團聚系統供應兩臺鍋爐。項目建設16m×16m×6m的混凝土結構廠房一座，全套設備主要由團聚劑配置系統、團聚劑稀釋系統、團聚溶液供應及噴射系統等組成。每臺鍋爐設置三套團聚除塵噴射系統，共配置32支噴槍，每支噴槍最大出力0.2t/h。
在BMCR工況下，燃用設計煤種，空預器入口煙氣溫度≤380℃，除塵器入口煙氣溫度≤153.5℃，電除塵出口粉塵濃度≤50mg/m3，投入團聚除塵系統后，電除塵出口粉塵排放濃度控制在30mg/m3之內，滿足脫硫系統協同除塵達到粉塵超低排放標準的要求。該項目單臺機組煙道蒸發處理脫硫廢水的能力達到3t/h，整套系統兩臺機組合計處理脫硫廢水能力達到6t/h。自投運以來，系統運行穩定，各項指標均達到設計要求。
2.2項目技術優化
根據類似項目案例，采用煙道直噴技術主要存在煙道積灰和噴嘴堵塞等問題，且該技術對噴槍霧化要求較高，為此結合鄂州項目特點，對關鍵技術進行優化處理。
(1)高效霧化噴槍及流場模擬優化設計
本項目采用新型專利霧化噴槍，噴嘴材質采用特殊合金鋼，耐腐蝕、耐磨損，噴出的霧滴不刷墻，噴射高Cl-含量的脫硫廢水時可以減少結垢。霧化噴嘴根據實際工況單獨定制，根據不同噴入點的煙溫情況，采用不同的霧化粒徑，并采用在線監控噴嘴調節模塊，在線控制每支噴槍流量、壓力，確保廢水霧化參數滿足設計值，最大霧化粒徑D50＜60μm。根據計算機對機組全工況下的模擬計算結果，確定相關設計方案，在不同負荷下，霧化量和霧化粒徑能夠自適應調整，保證了脫硫廢水霧滴在進入安全位置前完全蒸發成為氣態。
(2)煙道防腐、防結垢及防積灰技術措施
機組尾部煙道形狀不規則，存在較多變徑、轉彎等突變結構，煙氣在該段煙道內部的速度、壓力和溫度分布不均勻，煙氣在運動過程中會產生大量的局部渦流或紊流，易造成廢水霧滴觸碰煙道內壁，存在煙道內腐蝕、積灰和結垢的風險。本工程通過對廢水噴入煙道后，煙氣與廢水霧滴在煙道內的速度矢量進行分析，得出煙氣與廢水液滴之間的運動關系，模擬廢水液滴在煙道內部的運動軌跡，以此優化流場，確定霧化設備安裝位置、數量、噴入角度、速度和噴霧量，確保霧化后的廢水霧滴在煙道內的整個行程中不會碰壁或觸底，成功避免了煙道中產生腐蝕、結垢、積灰的情況。同時，各個霧化設備的霧化量、霧化粒徑等參數均可根據現場實際運行情況進行獨立的在線調節，以確保沿程煙道內煙氣溫度始終高于酸露點，避免出現酸腐蝕情況。
2.3團聚強化除塵效果
在除塵器入口煙道霧化噴入團聚劑溶液和脫硫廢水的混合液，根據煙囪排放口安裝的在線監測粉塵儀，進行團聚液噴量的調整。除塵器前煙氣溫度134℃，投入脫硫廢水團聚混合液噴霧經過煙道蒸發后，團聚劑會加強細顆粒之間的碰撞、絮凝，使難以捕集的PM2.5細微顆粒不斷長大，形成鏈狀的大顆粒，更加有利于被電除塵捕集，從而提高了電除塵的除塵效率，減少粉塵排放量。同時，煙氣溫度最大降幅約9℃，煙氣濕度增加＜1%，可以降低粉塵比電阻，也在一定程度上有利于提高電除塵的效率。經性能試驗驗證，結果表明:在機組300MW負荷、電除塵器正常運行狀態下，團聚除塵系統停運時，實測電除塵出口粉塵濃度為36.7mg/m3;團聚除塵系統投運后，機組電除塵器出口粉塵濃度為23.9mg/m3。從試驗數據可以看出，團聚強化除塵技術對電除塵效率的提升非常顯著。在團聚除塵系統投入后的實際運行中，一期機組的凈煙氣粉塵排放濃度長期穩定在5mg/m3以下。由此可見，采用團聚強化除塵技術協同脫硫系統除塵的技術路線，在燃燒無煙煤的W型鍋爐上實現了機組粉塵的超低排放。
2.4脫硫廢水零排效果
粉煤灰中Cl-含量與廢水中Cl-濃度、廢水噴入量以及單位時間內產生的粉煤灰量有關。改造后通過對脫硫廢水的連續取樣化驗監測表明，其中的Cl-含量最大值約在15000mg/L左右，脫硫廢水水質如表1所示。
按照脫硫廢水Cl-濃度15000mg/L計算，每噸脫硫廢水中Cl-含量為15kg。根據鍋爐相關參數，單臺機組BMCR工況下飛灰量最大約為39.3t/h。實際運行中，單臺機組在滿負荷下的脫硫廢水噴入量控制在3t/h內，脫硫廢水導致的粉煤灰中的Cl-含量可以控制在0.1%以內。
本項目按照每臺機組平均1.5t/h的脫硫廢水消耗量統計，每年2臺機組能夠去除脫硫系統中的Cl-總量在300t以上。
表1脫硫廢水水質檢測數據
3團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術其他影響分析
3.1對電除塵的影響分析
本項目以脫硫廢水作為鈍化團聚劑稀釋溶液，脫硫廢水團聚液霧滴噴入煙道后，水分快速蒸發形成水蒸氣，脫硫廢水中的鹽分形成固體結晶后隨飛灰一起被除塵器回收。團聚劑組成成份主要為C、H、O等元素，無毒、無害，飛灰的成分以及飛灰含水量、粒徑分布等參數無明顯變化，對電除塵放電除塵、儲灰斗及輸灰系統正常運行無影響。
3.2對粉煤灰的影響分析
在實際運行中，按照單臺機組在滿負荷下的脫硫廢水蒸發量不超過3t/h的原則進行控制，并在不同噴入量下對電除塵灰斗中的粉煤灰進行了取樣化驗，其中Cl-含量以及相關重金屬的檢測結果與理論分析基本一致，如表2所示。
從表2數據結果分析可知，粉煤灰中Cl-含量隨著脫硫廢水噴入量的增加呈明顯上升趨勢，單臺機組滿負荷工況下脫硫廢水噴入量為3t/h，Cl-平均含量為0.086%。
按照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55－2011)對混凝土拌合物中水溶性Cl-含量的規定，對用于除冰鹽等浸蝕性物質的腐蝕環境中的鋼筋混凝土以及預應力混凝土中的水溶性Cl-含量，要求最大不超過水泥重量的0.06%，在其他情況下，混凝土中的水溶性Cl-含量要求最大值均在水泥重量的0.1%以上。
因此，按照單臺機組滿負荷工況下脫硫廢水噴入量不超過3t/h的標準進行控制，所產出的粉煤灰中的Cl-含量不超過0.1%，以任意比例摻配均可滿足一般混凝土對于Cl-含量的要求，按照不大于水泥用量20%的比例摻配時，也可以滿足用于最極端嚴苛條件下的混凝土對于Cl-含量的要求，對粉煤灰的綜合再利用無較大影響。
表2粉煤灰中部分重金屬及氯元素檢測數據
3.3對SO3的協同脫除分析
在空預器入口前的煙道霧化噴入團聚液后，其中的團聚劑能夠與煙氣中的SO3發生磺化反應生成有機磺酸鹽高分子化合物，從而有效降低煙氣中的SO3含量。鄂州電廠對空預器后煙氣中SO3濃度進行了檢測試驗，在滿負荷工況下，團聚除塵系統未投入時，SO3平均濃度為31.6mg/m3，投入團聚系統后，SO3平均濃度降低到14.4mg/m3。
火電機組SCR脫硝裝置逃逸的氨，與煙氣中的SO3反應生成NH4HSO4，極易形成結晶附著于空預器換熱片上，造成空預器堵塞。團聚除塵協同脫硫廢水煙道蒸發技術在空預器前使用，可以有效減少煙氣中的SO3含量，防止空預器堵塞，保障機組穩定運行。同時，大幅降低了隨機組凈煙氣排放到大氣中的SO3含量，可以減少酸雨和PM2.5的形成，有利于4結語
(1)鄂州電廠團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術實現脫硫廢水零排放項目的成功實施，實現以廢治廢，是一種行之有效且經濟可靠的脫硫廢水零排放新工藝。
(2)相較于其他脫硫廢水零排放技術，團聚除塵協同脫硫廢水蒸發技術投資低、運行成本低、改造及維護簡單，在脫硫廢水零排放的同時可以降低煙塵和SO3的排放，實現多污染物協同治理目標。
(3)項目利用團聚強化除塵新技術在燃燒無煙煤的W型火焰鍋爐上進行實際應用，對噴槍、流場以及煙道防腐防堵防積灰進行技術優化，確保系統運行可靠，對類似火電機組實現脫硫廢水零排放以及煙塵超低排放提供了一種的新技術路線選擇。
(4)項目工程實踐表明，在空預器前霧化噴入團聚劑，能夠降低煙氣中SO3的濃度，從而減少NH4HSO4的生成，避免空預器堵塞，為火電廠解決空預器堵塞問題提供了新的技術選擇。環境保護。
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