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電廠含鹽廢水蒸發處理技術

發布時間:2019-12-18 17:21:37  中國污水處理工程網

  我國淡水資源極其有限且分布不均,水環境污染嚴重;痣娖髽I用水需求大且成本高,水正在成為影響火電企業經濟效益的主要因素。隨著《中華人民共和國環境保護法》《國務院辦公廳關于推行環境污染第三方治理的意見》《水污染防治行動計劃》、《中國制造 2025》等一系列相關政策相繼出臺和實施,提高火電企業用水效率,實現水資源的梯級利用和廢水零排放,已經成為火電企業實現可持續發展的必由之路。

  電廠高含鹽廢水(總含鹽量>1%)主要來自脫硫廢水(燃煤電廠)和化學酸堿廢水,這些廢水含 有以 Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等為主的大量無機鹽,高含鹽廢水雖在全廠用水中占比不大,卻是制約電廠實現廢水零排放的主要因素,也是目前研究的熱點。近年來我國火電廠高含鹽廢水多是經初步處理后直接排放,造成了嚴重的環境污染和水資源浪費,尋找技術穩定、節能環保的廢水處理方法迫在眉睫。

  1 電廠含鹽廢水蒸發處理技術

  廢水處理方法多種多樣,圖 1 匯總了一些適用于處理高含鹽廢水的方法,主要包括蒸發法、膜法和冷凍法。

  蒸發法指將含鹽水經加熱、沸騰蒸發成水蒸氣,使鹽水不斷濃縮,含鹽水體積減小,溶質濃度增大,進而進行含鹽水處理或結晶鹽回收的方法。

  蒸發法是最早用于脫鹽處理的方法,也是目前火電廠處理含鹽廢水較為經濟有效的辦法,其產生的冷凝水可以直接作為電廠鍋爐用水,也可以進一步處理后直接飲用,而結晶鹽則可處理成工業鹽加以利用,實現零排放目的。

 

  1.1 多級閃蒸

  多級閃蒸(MSF)脫鹽技術由英國學者 Silver R S在 1957 年提出[7],其工藝流程如圖 2 所示。鹽水首先通過閃蒸室頂部的冷凝管束,在冷凝管束中被各級閃蒸室內生成的逐漸升溫的蒸汽預熱,最后經由鹽水加熱器加熱的蒸汽(汽輪機低壓抽汽)加熱到最高溫度(90~115 ℃)后進入第一級閃蒸室。

 

  由于閃蒸室中的壓力低于鹽水在該溫度下所對應的飽和蒸汽壓力,鹽水迅速沸騰,直到溫度降到沸點。其中,一部分鹽水汽化,生成的蒸汽通過除霧器去除溶解的鹽類物質后,在頂部的進水冷凝管束表面冷凝,然后生成淡水被收集。未汽化的鹽水則流入下一級壓力較低的閃蒸室繼續上述過程。MSF系統必須有一個真空裝置來去除不可冷凝氣體,并維持所需的負壓。

  MSF 法常用于海水淡化、火電廠鍋爐供水、食品、化工、廢水治理等領域,在海水淡化領域已商業化應用30 余年,淡水生產能力可達5 000~75 000 m³/d。

  MSF 法很少單獨用于處理鹽水,常與膜法、多效蒸發技術等結合使用,以提高系統處理效果。MabroukA N 等設計的多級閃蒸和機械蒸汽壓縮相結合(MSF-MVR)脫鹽系統,通過視覺設計仿真(VDS)對系統不同工況的模擬,得出該系統的性能系數是傳統 MSF 系統的 2.4 倍。

  1.2 多效蒸發

  多效蒸發(MED)系統由多個蒸發器串聯而成,其基本原理如圖 3 所示。前一效蒸發器蒸發所生成的二次蒸汽流進下一效蒸發器作為鹽水的加熱熱源并被冷凝為蒸餾水,即后一效蒸發器充分利用了前一效蒸發器流出的二次蒸汽余熱,各效蒸發器的操作壓力、相應加熱蒸汽溫度與溶液沸點依次降低。低溫多效蒸發(LT-MED)操作溫度低,50~70 ℃的低品位蒸汽均可作為理想的熱源,可充分利用電廠的低溫廢熱,實現二次蒸汽的再利用,大大降低抽取背壓蒸汽對電廠發電的影響,減緩設備的腐蝕和結垢,達到節能的目的。

 

  MED 法最早應用于海水淡化,近年來不斷發展,已廣泛應用于果汁濃縮、造紙業和廢堿液回收等,淡水生產能力可達 40 000 m³/d。Dahdah T H 等基于上層建筑的概念提出低溫多效蒸餾-熱蒸汽壓縮(MED-TVC)作為傳統 MED 的一種改進,并利用 MED 裝置內發生的閃蒸過程,確定了系統的最佳方案及最優運行條件;經過案例驗證,該系統結構節省了成本,適用于海水淡化工廠和具有海水淡化系統的電廠,并擴展至混合熱力脫鹽裝置,在熱電聯產中展示了顯著的優越性。

  1.3 機械蒸汽再壓縮蒸發

  作為20 世紀90 年代末開發出來的新型高效節能蒸發技術,機械蒸汽再壓縮蒸發(MVR)又可稱為熱泵技術,其基本原理是將蒸發器中原本需要用冷卻水冷凝的二次蒸汽,經壓縮風機提高其壓力和飽和溫度,增加其熱焓,然后再送入蒸發器加熱室作為熱源加熱料液,其基本原理如圖 4 所示。大多數 MVR 裝置生產能力約 500 m³/d,同傳統 MED 相比,二次蒸汽的潛熱得到了充分利用,節能 50%。

 

  我國 MVR 技術的相關研究雖起步較晚,但已成為國家重點推廣的節能環保技術之一,在濃縮制鹽、化工污水處理、食品工業、制藥(維生素等)、廢水處理(含鹽廢水、含重金屬廢水等)等領域商業化應用運行良好。毛彥霞進行了內置式 MVR中試裝置處理不同含鹽量的單污染物模擬廢水、模擬 RO 濃水和模擬脫硫廢水的試驗研究,發現其處理 1 t 原水、RO 濃水原水、脫硫廢水原水的平均能耗分別為 23.3、23.0、23.5 kW·h,最高水回收率達91.2%,證明該裝置基本可行。為了盡早實現 MVR技術在高鹽有機廢水零排放領域的推廣與應用,我國科研人員還需在 MVR 設備國產化和操作條件優化等方面深入開展研究工作,以降低設備成本。具體聯系污水寶或參見http://www.5897214.live更多相關技術文檔。

  1.4 噴霧蒸發

  噴霧蒸發(SED)是近期發展起來的一項新的非常規強化蒸發脫鹽技術,屬于增濕-除濕技術的一種,其原理是依據雙流體霧化原理使濃鹽水在熱空氣中霧化并迅速蒸發,在相變過程中實現固液分離。SED 可充分利用廢熱廢氣,水回收率高達90%以上,可直接形成鹽晶,實現零排放。閃蒸是噴霧蒸發的常見蒸發形式。趙子競通過進行液滴蒸發零維模型的 MATLAB 模擬、Fluent 離散相三維模型仿真及相關實驗驗證,得出當空氣初始溫度為 90 ℃、噴霧溫度為 20 ℃、氣液體積比為 45 000時,直徑為 0.1 mm 的霧滴在 1.29 s 內完全蒸發,實現了零排放,此時空氣相對濕度為 78 %,而當氣液體積比降至 40 000、液滴直徑降至 0.0 367 mm 時達到氣液平衡,空氣處于飽和狀態。此外,某大學設計的噴霧蒸發技術設備可以把146 790 mg/L的高質 量濃度鹽水濃縮為 351 880 mg/L,技術性能穩定。

  SED 法在食品、化工等領域應用廣泛,但在廢水處理中應用較少。在國內,蒸發塘利用機械SED 技術,大大增加了蒸發速度,減小了蒸發塘面積。燃煤電廠針對濕法脫硫廢水的特點,通常結合爐后煙風系統配置,基于噴霧干燥原理,利用鍋爐尾部煙氣余熱使煙道內脫硫廢水迅速完成噴霧蒸發,溶解物迅速結晶并被除塵器捕集,實現脫硫廢水的近零排放。SED 法與傳統的 RO、MSF、MED 等方法聯合運用,可以大大增加高鹽廢水的濃縮率,提高整個脫鹽系統的綜合經濟效益。

  1.5 蒸發法技術比較

  MED、MSF、MVR、SED 幾種主要蒸發法在節能性、環保性、經濟性及規模和預處理要求方面的比較見表 1。相比 MSF、MED 和 MVR 等常規的含鹽廢水處理方法,SED 具有裝置操作靈活、預處理簡單、不易結垢及環保性良好等優點,適于處理較高鹽度含鹽廢水,且脫鹽效率高,鹽分甚至可以完全結晶,經濟性好、節能效果顯著,能克服常規處理方法的缺點,具有較大的研究價值。但是,含鹽廢水的復雜性使得單一技術難以實現對含鹽廢水的高效節能處理,因此,技術集成優化是火電廠含鹽廢水處理技術發展的重要趨勢。

 

  2 蒸發結晶技術及應用案例

  2.1 蒸發結晶技術

  蒸發結晶技術路線一般為“預處理單元”+“減量濃縮單元”+“蒸發結晶單元”,廢水必須經相應預處理再送入蒸發結晶單元,若直接采用蒸發的方法處理,勢必會消耗大量蒸汽和電力。蒸發結晶單元是整個脫硫廢水零排放系統的關鍵,主要包括前面所述各種蒸發法及噴霧干燥/結晶等,其本質均為通過末端廢水的物理性蒸發實現鹽與水的分離。

  圖 5給出了 8 個利用蒸發結晶技術實現零排放的較常用工藝,即:預處理+MVC 濃縮+MVC 結晶、預處理+多級預熱+多效蒸發(MED)+結晶、預處理+高壓反滲透+MVC 蒸發+MVC 結晶、預處理+膜濃縮+正滲透+機械蒸發(MVC)結晶、預處理+MVC 蒸發+三效混流強制循環蒸發結晶、預處理+MED 結晶、Na2CO3 軟化+多效立管降膜蒸發+結晶、臥管噴淋薄膜蒸發+結晶。

 

  蒸發結晶技術是一種有效的脫鹽技術,但其投資及運行成本較高,綜合考慮經濟性和環保要求,在現場開展中試工作,確定合適的蒸發結晶廢水零排放技術應為今后火電廠廢水處理的重中之重。

  2.2 蒸發結晶技術應用案例

  目前國內已有十幾家火電廠運用不同的蒸發結晶技術實現了含鹽廢水零排放,典型案例及應用效果見表 2。由表 2 可知,這幾家電廠采用的末端蒸發結晶技術為多效強制循環蒸發結晶或機械蒸汽再壓縮蒸發結晶,雖然從不同程度上實現了零排放,但仍存在經濟投資大、結晶鹽是雜鹽等問題。因此,尋找能夠商業化應用的火電廠含鹽廢水零排放普適技術成為火電廠當前急需解決的首要問題。

 

  3 結 語

  蒸發結晶技術通過預處理改善廢水水質,減少取排水水量,提高循環水濃縮效果,減少高鹽廢水量,最終實現電廠含鹽廢水零排放。但國內真正實現零排放的電廠很少,而且都集中在燃煤電廠,燃氣電廠還沒有相關零排放項目實施,技術、投資、運行成本均是制約零排放實施的重要因素。噴霧蒸發結晶技術作為處理含鹽廢水較節能經濟有效的新方法,具有較大的發展前景。燃氣電廠的壓縮空氣具有較大的壓力能,若能加以利用,通過噴霧蒸發輔助霧化濃鹽水,則對電廠含鹽廢水處理將會是一個新的飛躍。

  根據火電廠含鹽廢水處理現狀,結合火電廠現有熱源,借鑒其他領域的成熟技術,對現有火電廠含鹽廢水處理技術進行改造是現階段處理電廠含鹽廢水的一種思路,如海水淡化、濃鹽水煙氣脫硫、洗煤等均是對含鹽廢水綜合利用的有益探索。(來源:《熱力發電》  作者:時國華 王佳 楊林棣 張金瑞)

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