燃煤電廠脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)設計及分析
摘 要：隨著我國環(huán)保政策的不斷完善和水資源的嚴重缺乏,，脫硫廢水的深度處理及廢水中水分回收具有重要的意義。本文構(gòu)建了脫硫廢水熱法零排放全流程系統(tǒng),，提出了三種熱法濃縮工藝：生蒸汽驅(qū)動的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-S）,，低溫煙氣驅(qū)動的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-G）；單級機械蒸汽再壓縮系統(tǒng)（MVR-S）和耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-MVR）,。以600 MW超臨界機組為例,，利用Aspen Plus軟件進行了流程模擬和系統(tǒng)經(jīng)濟性計算。計算結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)的以生蒸汽為熱源的多效蒸發(fā)系統(tǒng),，當采用低溫煙氣作為蒸發(fā)系統(tǒng)熱源,，則煙氣降溫5.5 ℃，如果忽略低溫煙氣成本,，則具有較低的噸廢水處理成本,；單級MVR系統(tǒng)由于利用熱泵蒸發(fā)技術，能耗大幅度下降,，但投資成本為傳統(tǒng)多效蒸發(fā)系統(tǒng)的113%,；耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)，由于在較低濃度下蒸發(fā)了部分進料,，因此其壓縮機功耗相對單級MVR下降了30%,，其噸廢水處理成本約為傳統(tǒng)多效蒸發(fā)系統(tǒng)的58.2%,。
關鍵詞：脫硫廢水;蒸發(fā)結(jié)晶;低能耗;零排放;機械蒸汽再壓縮;
0 引 言
隨著我國環(huán)保政策的不斷完善和水資源的嚴重缺乏，脫硫廢水的零排放技術（ZLD）成為了近年來的研究熱點,。ZLD是指：電廠不向地面水域排放廢水,，大部分水分回收利用，少量廢水進入固體廢物或固化在灰渣中,。根據(jù)國內(nèi)外已有的脫硫廢水零排放工藝,，可將ZLD可分解為三個關鍵環(huán)節(jié)：預處理，濃縮減量,，轉(zhuǎn)移或固化,。從廢水零排放系統(tǒng)的經(jīng)濟性和能耗上來看，濃縮減量環(huán)節(jié)是關鍵,。
目前國內(nèi)已投入工業(yè)化應用的濃縮減量技術主要采用熱法濃縮,。按照加熱方式不同，可分為：多效蒸發(fā)結(jié)晶和機械蒸汽再壓縮技術（MVR）等,。廣東河源電廠2×600MW超臨界燃煤機組,，脫硫廢水采用2級預處理+四效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)處理。蒸汽消耗0.28-0.35t/t廢水,，電耗30kWh/t廢水,。廣東三水恒益電廠2×600MW超臨界機組，脫硫廢水處理采用兩級臥式機械蒸汽壓縮蒸發(fā)技術+2級臥式多效蒸發(fā)技術工藝,。蒸汽消耗0.3t/t廢水,；電耗：30kWh/t廢水。如何降低傳統(tǒng)熱法濃縮環(huán)節(jié)的能耗,，是脫硫廢水零排放技術發(fā)展需要解決的重要問題之一,。
段威等總結(jié)了4種不同的脫硫廢水零排放工路線并進行了初步的技術-經(jīng)濟性分析，研究結(jié)果表明熱法濃縮干燥工藝噸水運營成本低,，更加適用于燃煤電廠脫硫廢水零排放工程。毛彥霞采用MVR對脫硫廢水進行了中試實驗,，試驗結(jié)果表明：MVR處理廢水效果較好,，產(chǎn)水能力較高，其出水水質(zhì)可以達到一級除鹽水的標準,，脫鹽率可以達到99%以上,，出水率可達80%。Dahmardeh等基于Aspen Plus軟件,，設計并優(yōu)化分析了一種基于多效蒸發(fā)-MVR耦合蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng),，討論了給定濃縮比下，關鍵參數(shù)對蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)性能和成本的影響,。
盡管目前針對燃煤電廠脫硫廢水零排放工藝路線的討論較多,，但是在同一基準上，定量對比不同脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)的能耗和經(jīng)濟性的研究，并不多見,。本文首先構(gòu)建了基于熱法濃縮技術的脫硫廢水零排放全流程,；針對濃縮減量環(huán)節(jié)，提出了三種濃縮工藝：多效蒸發(fā)（MEE）,、單級MVR（MVR-S）和耦合MVR的多效蒸發(fā)（MEE-MVR）,，利用流程模擬軟件Aspen plus建立了系統(tǒng)的質(zhì)量和能量平衡，討論了不同工藝的能耗,；最后對三種廢水零排放流程進行了經(jīng)濟性分析,，以期為低能耗燃煤電廠廢水零排放技術提供了一定的理論指導。
1 脫硫廢水處理系統(tǒng)流程
脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)主要分為預處理單元,、濃縮減量單元和結(jié)晶分鹽單元,，見圖1。針對不同的濃縮減量技術,，假設預處理單元和結(jié)晶分鹽單元都相同,。
脫硫廢水軟化預處理環(huán)節(jié)采用Ca(OH)2 + Na2CO3雙堿法，處理后的水質(zhì)指標見表1,。由表1可以看出：經(jīng)過軟化處理后,，廢水中鈣離子的質(zhì)量分數(shù)小于0.005‰，鎂離子的質(zhì)量分數(shù)小于0.001‰,，懸浮物的質(zhì)量分數(shù)小于0.001‰,，可以避免下游蒸發(fā)濃縮結(jié)晶過程中結(jié)垢。
脫硫廢水經(jīng)過預處理后,，廢水中主要的無機離子為Na+,、Cl-和SO42-，占溶解性總固體的比例通常大于90%,。直接經(jīng)蒸發(fā)濃縮處理后得到混合雜鹽,。結(jié)晶雜鹽遇水易溶解，且通常含有有機物甚至重金屬,，屬于固體廢棄物,。因此在蒸發(fā)結(jié)晶過程中實現(xiàn)分鹽，可以提高結(jié)晶鹽的資源化效率,，降低綜合處理成本,。分鹽結(jié)晶實質(zhì)是利用NaCl、Na2SO4等物質(zhì)濃度及溶解度差異,，在蒸發(fā)過程中控制合適的運行溫度和濃縮倍數(shù)來實現(xiàn)鹽的分離,。
根據(jù)預處理后的脫硫廢水三元體系相平衡圖（Na+/Cl-、SO42--H2O）確定分鹽結(jié)晶工藝流程,，如圖2所示,，分為五個階段：蒸發(fā)濃縮階段,、Na2SO4蒸發(fā)析晶階段（343.15 K）、Na2SO4·10H2O冷卻析晶階段（273.15 K）,、NaCl蒸發(fā)析晶階段（343.15 K）,、雜鹽蒸發(fā)結(jié)晶（343.15 K）。
為了減少結(jié)晶器的能耗,，假設濃縮減量環(huán)節(jié)出口的液體中NaCl和Na2SO4濃度為對應溫度下飽和溶液的濃度,。
1.1 多效蒸發(fā)系統(tǒng)
多效蒸發(fā)系統(tǒng)采用三效蒸發(fā)器對脫硫廢水進行濃縮，蒸發(fā)器和物料流程采用順流流程,，根據(jù)蒸發(fā)器熱源不同,，設計了兩種多效蒸發(fā)流程，見圖3,。
圖3多效蒸發(fā)工藝流程
多效蒸發(fā)系統(tǒng)的熱源可以來自電廠低壓缸抽汽,，也可以采用煙氣驅(qū)動的低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)。圖3a為傳統(tǒng)的以生蒸汽為熱源的三效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-S）流程示意圖,。經(jīng)過預處理的脫硫廢水分別經(jīng)過一效至三效蒸發(fā)后逐級濃縮,；生蒸汽（壓強：0.5 MPa，溫度：151.9 ℃）由一效加入,，每效包括加熱器與分離器,，物料與生蒸汽或者上級過來的二次蒸汽在加熱器中換熱，然后進入分離器閃蒸,，形成的二次蒸汽進入下一效,。最后一效的二次蒸汽通過冷凝器冷凝成液態(tài)水后匯流至二次冷凝水罐。一效至三效蒸發(fā)器壓力分別為54 kPa,、39 kPa,、29 kPa。
基于煙氣驅(qū)動的低溫三效蒸發(fā)濃縮工藝流程（MEE-G）,，見圖3b,。約50%的多效蒸發(fā)的冷凝液，經(jīng)除塵器出口低溫煙氣（132 ℃）加熱后,，獲得90 ℃-97 ℃的飽和蒸汽作為一效蒸發(fā)器熱源,。煙氣加熱器的熱量衡算，需要根據(jù)蒸發(fā)任務確定生蒸汽耗量進行計算,。
1.2 MVR系統(tǒng)
對于MVR蒸發(fā)濃縮工藝來說，當處理高濃度含鹽廢水時,，如果沸點升高值過大,，則使得換熱器的有效傳熱溫差降低，從而造成壓縮機需要提高較高的溫度來克服沸點升高的影響,，使得系統(tǒng)能耗過高,。文獻認為：對于MVR蒸發(fā)系統(tǒng),，當溶液沸點升高超過15 ℃時，單級蒸汽壓縮機提升的二次蒸汽溫度不能維持蒸發(fā)過程中的有效傳熱溫差,，需要采用二級MVR或分級壓縮系統(tǒng),。圖4給出了基于表1預處理后脫硫廢水水質(zhì)特性的含鹽溶液在不同蒸發(fā)溫度下沸點升高值變化規(guī)律?？芍舭l(fā)濃縮階段沸點升高值不到10 ℃,，因此本文采用單級MVR系統(tǒng)（MVR-S），見圖5,。
預處理后的脫硫廢水首先在凝結(jié)水預熱器和濃縮液預熱器中進行預熱,，預熱后廢水與循環(huán)液一起進入蒸發(fā)器中，蒸發(fā)壓力取29 kPa,。在蒸發(fā)器內(nèi)被壓縮蒸汽加熱,，蒸發(fā)器產(chǎn)出的二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮至45 kPa，作為蒸發(fā)器熱源,。壓縮機出口蒸汽一般為過熱蒸汽,，不利于蒸發(fā)器中的換熱，因此在進入蒸發(fā)器前,，引入少量冷凝水,，用于消除蒸汽過熱度。與多效蒸發(fā)系統(tǒng)相比,，MVR系統(tǒng)不需要二次蒸汽冷卻水系統(tǒng),。
1.3 耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)
對于單級MVR系統(tǒng)，壓縮機處理的蒸汽量為濃縮階段需要產(chǎn)出的全部二次蒸汽,，且廢水沸點升高值較大,，因此耗功較大。降低壓縮機功率的一個可行方法是：首先在較低濃度下對進料廢水進行預濃縮,，然后再經(jīng)MVR進一步蒸發(fā)水分至設定濃度,。考慮到系統(tǒng)熱集成,，采用兩個閃蒸罐和進料預熱器來降低系統(tǒng)能耗,，設計了耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-MVR），見圖6,。
預處理后的脫硫廢水經(jīng)預熱器被加熱至74 ℃,，然后送入低壓蒸發(fā)器（60 kPa），產(chǎn)出的濃縮液送入高壓蒸發(fā)器（76 kPa）,，最終得到濃縮液送至結(jié)晶單元,。設置了兩個閃蒸罐，用于回收部分蒸汽熱能,。其中低壓蒸發(fā)器產(chǎn)出的二次蒸汽與來自閃蒸罐-2出口蒸汽混合后,，經(jīng)壓縮機加壓升溫后（壓縮機出口壓力155 kPa）,，作為高壓蒸發(fā)器蒸發(fā)熱源；然后經(jīng)過閃蒸罐-1后回收部分蒸汽,，與高壓蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽混合,，作為低壓蒸發(fā)器的熱源。此外,，進料預熱器熱源為閃蒸罐-2出口冷凝水,。與單效MVR系統(tǒng)相比，壓縮機處理的蒸汽流量大大減小,，盡管其壓比略有增加,，但系統(tǒng)壓縮機功耗將會降低。
2 流程模擬及系統(tǒng)評價
2.1 系統(tǒng)模擬
以600 MW燃煤機組為例,，脫硫廢水處理量取10 t/h,。對預處理后脫硫廢水不同熱法蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，利用流程模擬軟件Aspen plus進行了流程模擬,，獲得了熱法濃縮和分鹽結(jié)晶環(huán)節(jié)的物料和能量平衡,。
預處理后的脫硫廢水屬于低硬度、高含鹽量的水體系,，采用ELECNRTL物性模型模擬廢水的無機電解質(zhì)體系,。系統(tǒng)流程中各單元功能模塊的選取參考文獻。
2.2 系統(tǒng)評價指標
本文提出的脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)的評價指標包括以下幾種：
1）單位能耗SEC（kJ/kg凝水）：蒸發(fā)量是1 kg時系統(tǒng)能耗,；SEC =N/W,；式中，N表示系統(tǒng)能耗,，包括熱耗和電耗,；W表示蒸發(fā)量；
2）系統(tǒng)能效系數(shù)COP：原料液蒸發(fā)結(jié)晶過程吸收的熱量和系統(tǒng)能耗之比,；即：COP =Q/N,；式中：Q表示蒸發(fā)器熱負荷；
3）節(jié)能率e：以傳統(tǒng)的以生蒸汽為熱源的三效蒸發(fā)系統(tǒng)為基準,，其他系統(tǒng)相對基準系統(tǒng)的節(jié)能性,。即：e=(SECre-SECob)/ SECre；式中,，SECre表示基準系統(tǒng)的單位能耗,；SECob表示其他系統(tǒng)的單位能耗。
對于多效蒸發(fā)系統(tǒng),、MVR系統(tǒng)等濃縮減量系統(tǒng)來說,，各系統(tǒng)消耗的能源種類不同。比如：電力；蒸汽,；煙氣熱能；因此需要客觀,、科學的評價系統(tǒng)能耗,。目前國內(nèi)外的能源統(tǒng)計與折算方法可歸納為3類：
1）熱值當量法：以能源所包含的熱量為指標，直接計算其能源“數(shù)量”大小,，不考慮其品位高低,；
2）等價值法或發(fā)電煤耗法：生產(chǎn)單位數(shù)量的二次能源或耗能工質(zhì)所消耗的各種能源折算成一次能源（比如：kg標煤）的數(shù)量。
3）等效電法：根據(jù)各種形式的能源轉(zhuǎn)換為電力時可能的最大轉(zhuǎn)換能力,，把各種形式的能源同一轉(zhuǎn)換為等效電力,。
2.3 結(jié)果及討論
表2為不同濃縮工藝的模擬計算結(jié)果。各方案性能計算結(jié)果均是在相同的進料流量,、組分,，相同的蒸發(fā)規(guī)模（9481 kg/h）和相同的結(jié)晶過程下模擬獲得。從表2和圖7中可以看出：
1）對于傳統(tǒng)的三效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-S）來說,，需要生蒸汽耗量4551.7 kg/h,，即單位蒸汽消耗量（單位蒸發(fā)量消耗的蒸汽量）為0.48，與文獻中給出的三效蒸發(fā)單位蒸汽消耗量經(jīng)驗值相符,。三效蒸發(fā)系統(tǒng)的末效產(chǎn)生的二次蒸汽需要冷凝器冷凝,，需要47904 kg/h冷凝水（假設冷凝水溫升為10 ℃）；
2）對于低溫煙氣驅(qū)動的三效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-G）,，其熱源為除塵器后的低溫煙氣,；在給定后脫硫廢水流量（10 m3/h）以及蒸發(fā)結(jié)晶過程需要的熱量，計算得到：煙氣加熱器負荷為3200 kW,，產(chǎn)出生蒸汽（飽和溫度92 ℃）1.26 kg/s,。以600 MW機組為例，BMCR工況下,，煙氣標態(tài)體積流量為218萬m3/h,，經(jīng)煙氣換熱器后，煙氣溫降5.5 ℃,。文獻對某600 MW電廠煙氣“消白”工程進行了現(xiàn)場測試,，結(jié)果表明：煙氣“消白”工程中的冷卻降溫對濕法脫硫（FGD）、濕式電除塵器（WESP）脫除SO3的影響很小,，煙氣溫降與FGD,、WESP、FGD+WESP對SO3的脫除效率之間沒有相關性,。但MEE-G對電廠性能影響仍需進一步研究,。
3）對于單級MVR系統(tǒng)（MVR-S），由于利用壓縮機對蒸發(fā)過程產(chǎn)出二次蒸汽加壓提質(zhì),，因此不需要消耗生蒸汽,，同時也取消了冷凝器,。與MEE-S相比，其單位能耗大幅度下降,；當采用不同能耗折算方法時,，系統(tǒng)節(jié)能率67.7%~94.9%；當采用熱值當量法計算時,，節(jié)能率最高,，但是這種折算方法沒有考慮電力和蒸汽的能量品位差異。
4）與MVR-S相比,，由于在較低濃度下蒸發(fā)了部分進料水分（總蒸發(fā)量的40%左右）,，使得耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-MVR）壓縮機處理的蒸汽流量大幅度下降；此外利用閃蒸罐回收部分蒸汽能,，相對于MVR-S,，MEE-MVR系統(tǒng)的壓縮機功耗下降了30%左右；COP提高了24.5%,。
3 經(jīng)濟性分析
基于Aspen Plus流程模擬,，獲得了不同熱法除鹽系統(tǒng)的物質(zhì)和能量平衡數(shù)據(jù)，可用于系統(tǒng)經(jīng)濟性評估,。
設備投資成本包括：直接成本和間接成本,。其中直接成本Cd指主要設備購置費，比如：預熱器,；蒸發(fā)器,；泵；冷凝器,；結(jié)晶器等,，可以采用規(guī)模因子法進行計算。各設備的投資成本數(shù)據(jù)見文獻,。間接成本Cid包括：預備費,；工程費和監(jiān)理費用；建設承包合同費等,。為了簡化起見,，假設間接成本為直接成本的0.55，即：Cid=0.8Cd,?？偼顿Y成本CTIC包括直接成本、間接成本和其他費用,。其中,，其他費用包括：啟動費；流動資金；專利及研發(fā)費和建設期利息,。為了簡化計算,，假設總投資成本CTIC=2（Cd+Cid）。
為了定量比較不同系統(tǒng)的經(jīng)濟性,，本文計算了噸廢水的處理成本LCOW,。噸廢水處理成本LCOW包括：投資成本Ccap和運行成本。年運行成本包括三部分：用電成本Cel,；用蒸汽成本Cth；預處理成本（加藥成本）Cch和運行維護費用CO&M,。其中用電成本,、用蒸汽成本根據(jù)電和蒸汽單價及系統(tǒng)消耗量計算；加藥成本根據(jù)預處理加藥量和藥品單價計算,；假設運行維護費用CO&M=3% Ccap,。經(jīng)濟性分析關鍵參數(shù)見表3。
圖8描述了不同系統(tǒng)的噸廢水處理成本（LCOW）及其組成比較,?？梢钥闯觯?/p>
1）傳統(tǒng)三效蒸發(fā)結(jié)晶工藝（MEE-S）的LCOW最高（52.0元/t），其中57%來自蒸汽成本,；其次來自化學成本（36.2%）,、電力成本（4.9%）；投資成本和運行維護成本最低,，僅占2.1%,；
2）如果采用低溫煙氣驅(qū)動的三效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-G），如果忽略低溫煙氣成本,，盡管投資成本相對于傳統(tǒng)三效蒸發(fā)系統(tǒng)增加了13.8%,，但該系統(tǒng)的LCOW降至2.5元/t。其中化學成本占83.4%,；電力成本占11.2%,；
3）對于單級MVR系統(tǒng)（MVR-S），由于采用了比較昂貴的蒸汽再壓縮系統(tǒng),，其投資成本相對于MEE-S,，增加了113%，但是LCOW（32.5元/t）仍低于MEE-S,，原因在于：MVR-S系統(tǒng)的單位能耗相對于MEE-S系統(tǒng),，降低了83.7%；
4）與MVR-S相比,，由于MEE-MVR的于壓縮機耗功較低,，盡管增加了低壓蒸發(fā)器和閃蒸器等設備，但總投資下降了10%。此外由于單位能耗低于MVR-S系統(tǒng),，使得MEE-MVR系統(tǒng)的LCOW為30.2元/t,，低于MVR-S系統(tǒng)，約為MEE-S系統(tǒng)的58.2%,。
4 結(jié) 論
提出了三種脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng),，以600 MW超臨界機組為例（廢水處理量10 m3/h），對不同系統(tǒng)進行了流程模擬和經(jīng)濟性分析,。研究結(jié)果表明：
1）對于采用汽機抽汽作為熱源的三效蒸發(fā)濃縮工藝（MEE-S）來說,，系統(tǒng)能耗為0.48 t蒸汽/t水；噸廢水成本52元,，其中熱耗成本占57%,；
2）如果采用低溫煙氣驅(qū)動的三效蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)（MEE-G），煙氣降溫5.5 ℃,。相對于MEE-S系統(tǒng),，投資成本增加了13.8%，但能耗成本大幅度下降,；
3）與MEE-S相比,，單級MVR系統(tǒng)（MVR-S）能耗大幅度下降，但是投資成本增加113%,；
4）對于耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-MVR）,，盡管投資成本略高于MVR-S系統(tǒng)，但噸廢水成本低于MVR-S,，約為MEE-S系統(tǒng)的58.2%,。
作者簡介：安雪峰（1996-），男,，河北衡水人,，碩士研究生，從事熱力系統(tǒng)建模優(yōu)化研究,。E-mail:anxf@ncepu.edu.cn;劉廣建（1977-）,，男，河南新鄉(xiāng)人,，副教授,，從事潔凈煤技術，熱力系統(tǒng)建模等研究,。E-mail:liugj@ncepu.edu.cn;
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