湿法烟气脱硫水资源“双零”工艺的研究与应用

1、湿法烟气脱硫水资源“双零”工艺的研究与应用 （北京清新环境技术股份有限公司 北京 100142） 摘要：提出一种不消耗工艺水也不排放废水的脱硫工艺。通过回收饱和烟气中的水分实现工艺水的自给自足，通过脱硫废水的烟道处理实现废水零排放。对组成该工艺的冷凝水回收、废水烟道蒸发两个子工艺分别依托实际燃煤火电机组进行了测试，取得了比较理想的测试结果。该工艺一方面降低了对水资源的消耗和依赖，一方面消除了对水环境的污染，使得湿法脱硫工艺可以不依赖水资源而运行。一方面对湿法脱硫的环境影响给出极大的改善空间，一方面使得在干旱缺水地区也可以使用高效的湿法脱硫工艺。 关键词：湿法烟气脱硫 工艺水零消耗 废水零排放

2、废水烟道处理 烟气水回收 1 引言 我国能源供给以燃煤电站为主，燃煤电站的烟气脱硫以石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺为主。传统的石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺一方面消耗大量工艺水，一方面向环境排放相当数量的废水。我国又是一个水资源相当匮乏的国家，传统的石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺给紧张的水资源造成新的压力。 石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺消耗的工艺水，绝大部分以水蒸气的形态排放到大气中；所排放的废水含有高浓度的氯离子，废水处理系统难以处理。 本文就石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺对水资源的影响展开研究，通过理论分析、工程实践，提出一种不消耗工艺水也不排放废水的脱硫工艺。通过回收饱和烟气中的水分实现工艺水的

3、自给自足，通过脱硫废水的烟道处理实现废水零排放。 对于典型的660MW燃煤发电机组，使用传统的石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺，消耗工艺水约80t/h，产生废水约4t/h，使用本文所述工艺则可实现不消耗工艺水、不产生废水，环保价值、经济效益均非常明显。 2 工艺路线 湿法脱硫塔后的净烟气为饱和烟气，本文使用冷水喷淋，气、水直接换热的方式使烟气降温，使其中的饱和水蒸汽凝结为液态水，吸热升温后的水与冷凝水一起通过冷却器释放热量之后重新充当喷淋用的冷水，热水、冷水的差额外排作为湿法脱硫塔的工艺水。 湿法脱硫塔前的原烟气为高温烟气，本文将湿法脱硫产生的废水通过雾化装置喷入除尘器之前的原烟气，使其中的水分在

4、高温烟气中蒸发为水蒸气，其中的盐分以固体形态与烟气中的飞灰一起被除尘器捕捉而离开系统。 使用前述工艺改造过的湿法脱硫工艺流程图如图1所示，它不需要从系统外部补充水源，也不需要向系统外部水体排出液体。图中虚线框内为本文所述工艺。 1 24.32500=60750 烟气的比热容约为1.3?万?3(烟气) ?，则烟气温降为： 60750100001.3=4.67 易知，4.67的温降对于除尘器及其烟道是安全的。 3.3 脱硫塔中水的蒸发 在脱硫塔中，烟气与水充分接触，出口水蒸气为饱和状态，温度一般在45-55之间。 在标准大气压下，50的饱和分压力为12357.68Pa，含水率为： 12357.68

5、18?1000=98?3(烟气) 对于典型的燃煤烟气，脱硫塔前水蒸气体积比约7%，折合质量浓度为： 18?0.071000=56.25?(烟气) 易知，脱硫塔中蒸发水量为： 98?56.25=41.75 对于200万?3(烟气) ?烟气量，蒸发水量为： 1?341.752000000=83500=83.5 ?3(烟气)3.4 烟道水的冷凝回收 脱硫塔出口的烟气中的水蒸气为饱和状态，温度一般在45-55之间。 在标准大气压下，50的饱和分压力为12357.68Pa，含水率为： 12357.6818?1000=98?3(烟气) 在标准大气压下，40的饱和分压力为7388.73Pa，含水率为： 73

6、88.7318?1000=58.6 3?(烟气) 即，烟气温度降低10，可回收冷凝水： 98?58.6=39.4 对于200万?3(烟气) ?烟气量，冷凝水量为： 1?339.42000000=78800=78.8?3(烟气) 3.5 物料平衡 由前所述，对于200万?3 ?烟气量，废水量为4.86m3/?，塔内蒸发量为83.5m3/?，回收冷凝水为78.8m3/?，基本可以实现水资源的自给自足、自我净化。 以上计算过程为了计算方便做了适当简化，计算数值与实际情况有所偏差，为了更准确地计算，本文编制了非完整物料平衡表，如表1、表2所示。 3 表1气体侧物料平衡 项目 基本数据： 湿基流量 干基

7、流量 实际流量 温度 绝对压力 表压 大气压 焓 质量流量： 总计 H2O N2 O2 CO2 SO2 HCl HF 灰 液珠 体积含量： H2O O2 CO2 SO2 HCl HF 灰 液珠 标准体积含量： O2 SO2 HCl HF 灰 液珠 单位 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 空预器后-喷 水前 2 喷水后-除尘 器前 3 除尘器后-引风机前 4 引风机后-吸收塔前 5 吸收塔后-节水塔前 6 节水塔后-烟 囱前 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：本表忽略了氧化空气的影响。 4 表2液体侧物料平衡 项目 基本数据： H2O Cl- SO42- 温度 离子浓度： Cl- SO42- 单位 kg/h kg/h kg/h mg/L mg/L 20000.00 50000.00 7 除尘器前喷水 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 工艺水 注：本表未对液体侧物料做完全考察，只关注与本文有直接关系的水与离子。 由表1、表2可知，对于200万?3 ?烟气量： 1）产生废水4617.53kg/h，冷凝水回收90515.81kg/h，塔内蒸发水85709.39kg/h，可实现水资源自给自足、自我净化，且回收水略有富余。 2）换热量为709657238?690665715=18991523.31kJ/h，合 18991523.31 3600 =5275.42kW。 3）冷凝水Cl?浓度只有4.42?/?，比通常使用的脱硫工艺水水质好得多（通常为200800?

15、/?）。 4 工程实践 4.1 废水烟道蒸发 废水烟道蒸发工艺依托某公司燃煤发电机组进行测试，测试烟气量为20万Nm3/?。 在电除尘器前方烟道上安装高效双流体喷枪，将湿法脱硫产生的废水喷入烟道，使其中的水分在烟气中蒸发成为水蒸气，其中的盐分成为固体颗粒，经由电除尘器以飞灰的形态排出系统。 双流体喷枪使用压缩空气作为雾化气体，使用专门的高压水泵提供脱硫废水。 其中喷雾粒度是重要的，粒径应当足够细小，以便雾滴可以在进入电除尘器之前迅速、完全蒸发。 工艺流程图如图2所示。 5 图2废水烟道蒸发工艺流程图 运行参数与测试结果如表3所示。 表3废水烟道蒸发测试结果 机组 负荷率 % 88 90 80

16、装置 负荷率 % 100 100 100 烟气量 (干基、6%O2) Nm3/h 180631 201134 193267 烟气温度 143.0 147.0 135.0 喷水量 kg/h 412.57 434.21 374.78 喷水率 g/万Nm3 22.84 21.59 19.39 能耗 Wh/kg(水) 13.3 12.1 14.2 测试组别 1 2 3 4.2 冷凝水回收 冷凝水回收工艺依托某公司燃煤发电机组进行测试，测试烟气量为2万Nm3/?。 冷凝水回收工艺采用水与烟气逆向喷淋、直接接触换热的方式给烟气降温，吸热升温后的水经由气-水换热器由空气带走热量而降温。 6 冷凝器的气相出口

17、采用高效管束式除尘器将烟气中携带的水滴捕捉下来，确保有足够的冷凝水留在冷凝塔内，而不被烟气带走。 在系统内富集的水经由溢流管由缓冲罐收集、计量后排出系统。 工艺流程图如图3所示。 图3烟气冷凝水回收工艺流程图 运行参数与测试结果如表4所示。 表4烟气冷凝水回收测试结果 机组 负荷率 % 88 90 80 装置 负荷率 % 70 100 100 烟气量 (干基、6%O2) Nm3/h 18741 21016 18175 烟气温度 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 测试组别 1 2 3 回收水水质如表5所示。 表5回收水水质 项目 Cl- SO42- 单位 mg/L mg/L 第一组 0.42 1.39 第二组 0.24 0.82 第三组 0.069 0.51 5 几个衍生问题 1) 废水烟道蒸发对除尘效率的影响 7 废水烟道蒸发对烟气性质有两方面的影响：降低烟气温度、降低比电阻。 以3.2节算例为例： 烟气温度降低4.67。降温前的温度以130计，烟气流速可降低1.26%，除尘效率可提高0.03%。 水蒸气含量从7%提高到10%，比电阻从1.101011降低到5.971010，除尘效率相应有较大幅度提高。 2)

19、废水烟道蒸发对灰尘成分的影响 以某项目脱硫废水为例，主要污染物及其含量约为：硫酸盐，2500mg/L；氯化物，1613.7mg/L；悬浮物，764mg/L。 对表2所示喷水量4617.53kg/h，因喷水而进入烟道的固形物为22.5kg/h。由表1可知，烟气携带灰尘量为82646kg/h，因喷水而进入烟道的固形物与原有灰尘之比约为1:1000。 3) 废水烟道蒸发对烟道的影响 除尘器前的烟道为非防腐烟道，喷雾过程中如果形成局部低温或湿壁，会对烟道造成腐蚀。 雾滴与灰尘结合之后，会改变灰尘的性质，湿润的灰尘相互粘接会进一步改变灰尘的流体动力学特性，一定条件下会造成灰的沉积。 雾羽与烟道内壁、内撑杆相接触，会形成水膜，水膜沾附灰尘会迅速形成严重的灰尘积聚、板结。 此类问题需要根据具体项目的具体情况，分析其流场特点，充分利用烟道内部流场较为稳定的空间，合理选择喷枪的角度、压力、气/水比等，合理规避此类不利情况的出现。 4) 烟气排烟温度降低对烟气排放的影响 烟气水分冷凝回收会导致排烟温度降低，从而影响烟气排放高度。 烟气水分冷凝回收会形成污染物的二次脱除，从而对排放