我国火电厂含盐废水蒸发/结晶技术进展

时国华，王 佳，杨林棣，张金瑞



我国火电厂含盐废水蒸发/结晶技术进展

时国华1，王 佳1，杨林棣1，张金瑞2

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003； 2.河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007）

火电厂含盐废水排放对环境污染严重，而单一常规的物理、化学、生物等水处理方法难以达到废水水质排放要求。本文根据火电厂水处理中存在的问题，结合国家对火电厂废水零排放方面的最新政策，分析了燃煤电厂中含盐废水水质特点，着重介绍了燃煤电厂处理含盐废水的几种常用蒸发法以及蒸发结晶零排放技术，列举了蒸发结晶技术在燃煤电厂废水处理的应用，指出了喷雾结晶技术处理含盐废水的优势，为火电厂含盐废水处理及零排放提供参考。

火电厂；含盐废水；零排放；蒸发技术；蒸发结晶；喷雾结晶；废水处理

我国淡水资源极其有限且分布不均，水环境污染严重。火电企业用水需求大且成本高，水正在成为影响火电企业经济效益的主要因素。随着《中华人民共和国环境保护法》《国务院办公厅关于推行环境污染第三方治理的意见》《水污染防治行动计划》、《中国制造2025》等一系列相关政策相继出台和实施，提高火电企业用水效率，实现水资源的梯级利用和废水零排放，已经成为火电企业实现可持续发展的必由之路[1]。

电厂高含盐废水（总含盐量>1%）主要来自脱硫废水（燃煤电厂）和化学酸碱废水，这些废水含有以Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等为主的大量无机盐[2-3]，高含盐废水虽在全厂用水中占比不大，却是制约电厂实现废水零排放的主要因素[4]，也是目前研究的热点。近年来我国火电厂高含盐废水多是经初步处理后直接排放，造成了严重的环境污染和水资源浪费，寻找技术稳定、节能环保的废水处理方法迫在眉睫。

1 电厂含盐废水蒸发处理技术

废水处理方法多种多样，图1汇总了一些适用于处理高含盐废水的方法，主要包括蒸发法、膜法和冷冻法。

图1 高含盐废水处理方法

蒸发法指将含盐水经加热、沸腾蒸发成水蒸气，使盐水不断浓缩，含盐水体积减小，溶质浓度增大，进而进行含盐水处理或结晶盐回收的方法。蒸发法是最早用于脱盐处理的方法，也是目前火电厂处理含盐废水较为经济有效的办法，其产生的冷凝水可以直接作为电厂锅炉用水，也可以进一步处理后直接饮用，而结晶盐则可处理成工业盐加以利用，实现零排放目的[5-6]。

1.1 多级闪蒸

多级闪蒸（MSF）脱盐技术由英国学者Silver R S在1957年提出[7]，其工艺流程如图2所示。盐水首先通过闪蒸室顶部的冷凝管束，在冷凝管束中被各级闪蒸室内生成的逐渐升温的蒸汽预热，最后经由盐水加热器加热的蒸汽（汽轮机低压抽汽[8]）加热到最高温度（90~115 ℃）后进入第一级闪蒸室。由于闪蒸室中的压力低于盐水在该温度下所对应的饱和蒸汽压力，盐水迅速沸腾，直到温度降到沸点。其中，一部分盐水汽化，生成的蒸汽通过除雾器去除溶解的盐类物质后，在顶部的进水冷凝管束表面冷凝，然后生成淡水被收集。未汽化的盐水则流入下一级压力较低的闪蒸室继续上述过程。MSF系统必须有一个真空装置来去除不可冷凝气体，并维持所需的负压[9]。

图2 多级闪蒸流程

MSF法常用于海水淡化、火电厂锅炉供水、食品、化工、废水治理等领域，在海水淡化领域已商业化应用30余年，淡水生产能力可达5 000~75 000 m3/d[10-12]。MSF法很少单独用于处理盐水，常与膜法、多效蒸发技术等结合使用，以提高系统处理效果。Mabrouk A N等[13]设计的多级闪蒸和机械蒸汽压缩相结合（MSF-MVR）脱盐系统，通过视觉设计仿真（VDS）对系统不同工况的模拟，得出该系统的性能系数是传统MSF系统的2.4倍。

1.2 多效蒸发

多效蒸发（MED）系统由多个蒸发器串联而成，其基本原理如图3所示。前一效蒸发器蒸发所生成的二次蒸汽流进下一效蒸发器作为盐水的加热热源并被冷凝为蒸馏水，即后一效蒸发器充分利用了前一效蒸发器流出的二次蒸汽余热，各效蒸发器的操作压力、相应加热蒸汽温度与溶液沸点依次降低[14]。

图3 多效蒸发处理装置基本原理[14]

低温多效蒸发（LT-MED）操作温度低，50~ 70 ℃的低品位蒸汽均可作为理想的热源，可充分利用电厂的低温废热，实现二次蒸汽的再利用，大大降低抽取背压蒸汽对电厂发电的影响，减缓设备的腐蚀和结垢，达到节能的目的[15-16]。

MED法最早应用于海水淡化，近年来不断发展，已广泛应用于果汁浓缩、造纸业和废碱液回收等，淡水生产能力可达40 000 m3/d[17-20]。Dahdah T H等[21]基于上层建筑的概念提出低温多效蒸馏-热蒸汽压缩（MED-TVC）作为传统MED的一种改进，并利用MED装置内发生的闪蒸过程，确定了系统的最佳方案及最优运行条件；经过案例验证，该系统结构节省了成本，适用于海水淡化工厂和具有海水淡化系统的电厂，并扩展至混合热力脱盐装置，在热电联产中展示了显著的优越性。

1.3 机械蒸汽再压缩蒸发

作为20世纪90年代末开发出来的新型高效节能蒸发技术，机械蒸汽再压缩蒸发（MVR）又可称为热泵技术，其基本原理是将蒸发器中原本需要用冷却水冷凝的二次蒸汽，经压缩风机提高其压力和饱和温度，增加其热焓，然后再送入蒸发器加热室作为热源加热料液，其基本原理如图4所示。大多数MVR装置生产能力约500 m3/d，同传统MED相比，二次蒸汽的潜热得到了充分利用，节能50%[22-23]。

图4 机械蒸汽再压缩蒸发处理装置基本原理

我国MVR技术的相关研究虽起步较晚，但已成为国家重点推广的节能环保技术之一，在浓缩制盐、化工污水处理、食品工业、制药（维生素等）、废水处理（含盐废水、含重金属废水等）等领域商业化应用运行良好[24-25]。毛彦霞[26]进行了内置式MVR中试装置处理不同含盐量的单污染物模拟废水、模拟RO浓水和模拟脱硫废水的试验研究，发现其处理1 t原水、RO浓水原水、脱硫废水原水的平均能耗分别为23.3、23.0、23.5 kW·h，最高水回收率达91.2%，证明该装置基本可行。为了尽早实现MVR技术在高盐有机废水零排放领域的推广与应用，我国科研人员还需在MVR设备国产化和操作条件优化等方面深入开展研究工作，以降低设备成本[27]。

1.4 喷雾蒸发

喷雾蒸发（SED）是近期发展起来的一项新的非常规强化蒸发脱盐技术，属于增湿-除湿技术的一种，其原理是依据双流体雾化原理使浓盐水在热空气中雾化并迅速蒸发，在相变过程中实现固液分离[28-29]。SED可充分利用废热废气，水回收率高达90%以上，可直接形成盐晶，实现零排放。闪蒸是喷雾蒸发的常见蒸发形式[30]。赵子竞[31]通过进行液滴蒸发零维模型的MATLAB模拟、Fluent离散相三维模型仿真及相关实验验证，得出当空气初始温度为90 ℃、喷雾温度为20 ℃、气液体积比为45 000时，直径为0.1 mm的雾滴在1.29 s内完全蒸发，实现了零排放，此时空气相对湿度为78 %，而当气液体积比降至40 000、液滴直径降至0.0 367 mm时达到气液平衡，空气处于饱和状态。此外，某大学设计的喷雾蒸发技术设备可以把146 790 mg/L的高质量浓度盐水浓缩为351 880 mg/L，技术性能稳定[32]。

SED法在食品、化工等领域应用广泛，但在废水处理中应用较少[33-35]。在国内，蒸发塘利用机械SED技术[36]，大大增加了蒸发速度，减小了蒸发塘面积。燃煤电厂针对湿法脱硫废水的特点，通常结合炉后烟风系统配置，基于喷雾干燥原理，利用锅炉尾部烟气余热使烟道内脱硫废水迅速完成喷雾蒸发，溶解物迅速结晶并被除尘器捕集[37]，实现脱硫废水的近零排放。SED法与传统的RO、MSF、MED等方法联合运用，可以大大增加高盐废水的浓缩率，提高整个脱盐系统的综合经济效益。

1.5 蒸发法技术比较

MED、MSF、MVR、SED几种主要蒸发法在节能性、环保性、经济性及规模和预处理要求方面的比较见表1。相比MSF、MED和MVR等常规的含盐废水处理方法，SED具有装置操作灵活、预处理简单、不易结垢及环保性良好等优点，适于处理较高盐度含盐废水，且脱盐效率高，盐分甚至可以完全结晶，经济性好、节能效果显著，能克服常规处理方法的缺点，具有较大的研究价值。但是，含盐废水的复杂性使得单一技术难以实现对含盐废水的高效节能处理，因此，技术集成优化是火电厂含盐废水处理技术发展的重要趋势[38-39]。

表1 主要蒸发技术比较

Tab.1 Comparison of major evaporation technologies

2 蒸发结晶技术及应用案例

2.1 蒸发结晶技术

蒸发结晶技术路线一般为“预处理单元”+“减量浓缩单元”+“蒸发结晶单元”，废水必须经相应预处理再送入蒸发结晶单元，若直接采用蒸发的方法处理，势必会消耗大量蒸汽和电力。蒸发结晶单元是整个脱硫废水零排放系统的关键，主要包括前面所述各种蒸发法及喷雾干燥/结晶等，其本质均为通过末端废水的物理性蒸发实现盐与水的分离。

图5[40]给出了8个利用蒸发结晶技术实现零排放的较常用工艺，即：预处理+MVC浓缩+MVC结晶、预处理+多级预热+多效蒸发（MED）+结晶、预处理+高压反渗透+MVC蒸发+MVC结晶、预处理+膜浓缩+正渗透+机械蒸发（MVC）结晶、预处理+MVC蒸发+三效混流强制循环蒸发结晶、预处理+MED结晶、Na2CO3软化+多效立管降膜蒸发+结晶、卧管喷淋薄膜蒸发+结晶。

图5 常用蒸发结晶零排放技术

蒸发结晶技术是一种有效的脱盐技术，但其投资及运行成本较高，综合考虑经济性和环保要求，在现场开展中试工作，确定合适的蒸发结晶废水零排放技术应为今后火电厂废水处理的重中之重。

2.2 蒸发结晶技术应用案例

目前国内已有十几家火电厂运用不同的蒸发结晶技术实现了含盐废水零排放，典型案例及应用效果见表2。由表2可知，这几家电厂采用的末端蒸发结晶技术为多效强制循环蒸发结晶或机械蒸汽再压缩蒸发结晶，虽然从不同程度上实现了零排放，但仍存在经济投资大、结晶盐是杂盐等问题。因此，寻找能够商业化应用的火电厂含盐废水零排放普适技术成为火电厂当前急需解决的首要问题。

表2 蒸发结晶技术实际应用效果

Tab.2 The application cases of evaporation crystallization technology

3 结 语

蒸发结晶技术通过预处理改善废水水质，减少取排水水量，提高循环水浓缩效果，减少高盐废水量，最终实现电厂含盐废水零排放。但国内真正实现零排放的电厂很少，而且都集中在燃煤电厂，燃气电厂还没有相关零排放项目实施，技术、投资、运行成本均是制约零排放实施的重要因素。

喷雾蒸发结晶技术作为处理含盐废水较节能经济有效的新方法，具有较大的发展前景。燃气电厂的压缩空气具有较大的压力能，若能加以利用，通过喷雾蒸发辅助雾化浓盐水，则对电厂含盐废水处理将会是一个新的飞跃。

根据火电厂含盐废水处理现状，结合火电厂现有热源，借鉴其他领域的成熟技术，对现有火电厂含盐废水处理技术进行改造是现阶段处理电厂含盐废水的一种思路，如海水淡化、浓盐水烟气脱硫、洗煤等均是对含盐废水综合利用的有益探索。

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Technical progress of evaporation/crystallization for saline wastewater in Chinese thermal power plants

SHI Guohua1, WANG Jia1, YANG Lindi1, ZHANG Jinrui2

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Henan Electric Power Survey & Design Institute, Zhengzhou 450007, China)

The discharge of saline waste water from thermal power plants has caused serious environmental pollution. It is really hard to meet the wastewater quality discharge standards by using of one single and conventional water treatment methods, such as a physical, chemical or biological method. In order to prevent the serious problems of water treatment existing in the thermal power plants, a series of government policy on the zero wastewater discharge are introduced and implemented. The characteristics of saline wastewater quality in thermal power plants are also briefly analyzed. Several common evaporation methods and zero liquid discharge crystallization processes for saline waste water treatment in coal fired power plants are mainly introduced. Some applications of evaporation crystallization technology are enumerated in coal fired power plant, then the advantages of spray crystallization technology in treating saline wastewater are also pointed out, and it makes such an important reference for the zero saline waste water discharge in thermal power plants.

thermal power plant, saline wastewater, zero liquid discharge, evaporation technology, evaporation crystallization, spraying crystallization, wastewater treatment

Natural Science Foundation of Hebei Province (E2016502027); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2017MS124); Scientific Research Project of Education Department of Hebei Province (Z2015119)

时国华(1980—)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为发电领域中新能源应用及能效技术，g.h.shi@ncepu.edu.cn。

X703

A

10.19666/j.rlfd.201808143

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2018-08-09

河北省自然科学基金面上项目(E2016502027)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2017MS124)；河北省高等学校科学技术研究项目(Z2015119)

王佳(1992—)，女，硕士研究生，jiawangha@outlook.com。

（责任编辑 李园）