利用脱硫塔前低温烟气蒸发脱硫废水可行性探讨

文_杜建伟 陈丕显 解传海 青岛润扬环境科技有限公司

脱硫废水是电厂废水中最难处理的废水之一，而国内电厂大锅炉发电机组已处于调峰常态化状态，有些机组的负荷变化可低至设计负荷的30%。在如此低负荷条件下，烟气量和烟气温度都会降低很多，加上频繁的负荷变化影响，会导致烟气余热喷雾蒸发干燥系统无法运行。为继续使用烟气余热进行脱硫废水浓缩减量处理以节约能源，有环保企业进行了电除尘后脱硫塔前的“烟道直接喷洒浓缩脱硫废水装置”“塔式喷淋蒸发浓缩脱硫废水装置”等试验项目。但比较可取的方式还应该是抽取部分满足蒸发浓缩需要低温烟气，以旁路烟道或旁路蒸发塔的方式进行换热蒸发。

1 基本模型

脱硫废水蒸发并不需要全部烟气参与，拟定抽取部分烟气，浓缩塔型式基本设计采用与脱硫塔系统相类似的结构形式进行过程分析，所示系统如图1。蒸发塔空塔气速3～4m/s，采用双层喷淋，浆液池液位3m，其它各功能层间距等设计均参考石灰石石膏法脱硫塔进行设计。烟气出口需安装除雾器，除雾器暂定采用常用的折流板型屋脊式除雾器。

图1 烟气余热蒸发脱硫废水浓缩塔

由于未经过软化预处理的脱硫废水中含有大量的钙镁离子和硫酸根离子，因此浓缩过程会伴随着喷嘴及管壁结垢现象，严重时会影响系统的正常运行。虽然塔内脱硫废水循环蒸发过程会有烟气中Cl-、SO3、SO3的持续融入，偏酸性环境会缓解结垢现象的产生，但浓缩倍率仍不宜过高。本文计算过程按照浓缩比为4进行计算，此时原脱硫废水Cl-浓度20000mg/L，浓缩后脱硫废水Cl-浓度80000mg/L。浓缩过程忽略由于酸性及浓度导致的Cl-迁移量。

根据《工业锅炉及炉窑湿法烟气脱硫工程技术规范》中表1所示，脱硫装置主要技术指标中，各种脱硫方法的“最小液气比为2L/m3”为参考，此液气比应满足基本的传热条件，同时考虑必要的喷淋覆盖率防止烟气短路等问题，本文设计液气比为3L/m3。

引风机从脱硫塔前烟道引热风QCY，与浓缩塔内脱硫废水循环泵喷淋液逆流换热，脱硫废水经加热蒸发，再经除雾器去除烟气携带的部分液滴后进入脱硫塔。脱硫废水QTS，由脱硫废水泵送到循环泵入口。浓缩后的脱硫废水QPS连同所含固体物质被排出浓缩塔进行后续处理。

图中：QCY，TCY-抽取烟气的流量和温度；QCW，TCW-除雾器冲洗水的流量和温度；QPY，TPY-排放烟气的流量和温度，其中QPY-排烟流量，QPYS-蒸发后的烟气含水量（QPYS=QXD+QZQ）：QXD-烟气携带液滴量，QZQ-烟气新增蒸发水量；TPY-排烟温度；QTS，TTS-脱硫废水的流量和温度；QPS，TPS-脱硫浓水排放的流量和温度。

2 物料平衡及热平衡分析

系统以某电厂660MW超超临界燃煤机组的实际烟气、脱硫废水参数进行计算，烟气温度95℃，烟气含水率7%，烟气量2140000Nm3/h ；脱硫废水量10m3/h，Cl-浓度为20000mg/L，pH值为5.5，脱硫废水温度为35℃。

2.1 物料平衡

设进出塔的烟气除含水量增加外，其他成分不变；设烟气携带雾滴成分与喷淋液成分相同；设脱硫废水总的浓缩倍率为4：1。则进浓缩塔水量=原烟气带入水量+脱硫废水量QTS+除雾器冲洗水量QCW；出浓缩塔水量=原烟气带入水量+烟气新增蒸发水量QZQ+烟气携带液滴量QXD+浓缩脱硫废水排放量QPS。

2.2 热平衡

为简化分析计算过程，脱硫废水的热力学参数均参照水进行，烟气比热按照95℃到75℃平均定压比热容CP=1.432kJ/(Nm3·℃)计算，塔内浆液温度及烟气出口温度均设为60℃， 并以此为冷热平衡点进行计算。

其中输入热量全部为95℃热烟气带入，输出热量为加热所有进水及汽化潜热，并全部中和到冷热平衡点60℃排放。

2.3 平衡计算中各参数

2.3.1 QCW，TCW-除雾器冲洗水的流量和温度

按照脱硫塔除雾器冲洗设计中，冲洗强度为40L/m2/min，冲洗水温度TCW=25℃，单层除雾器运行冲洗时间为2min/h，双层除雾器按照顶层冲洗2min，底层冲洗1min计算。除雾器流通面烟气流速按照4～5m/s计算。

2.3.2 浓缩后的脱硫废水

主要以两种形态排出，一是浆液池底部浓液排放QPS，二是以烟气携带的方式排放QXD。总的排放量按照固液混合态QPS+QXD=2.5m3/h计算。其中，烟气携带量单层除雾器与双层除雾器计算不同。单层除雾器，当脱硫塔内空塔气速为3.5m/s时，一级间距30mm折流板型屋脊式除雾器出口液滴质量浓度为1300mg/m3；双层除雾器出口液滴质量浓度按照除雾器性能要求75mg/m3进行计算。

3 主要耗电设备运行功耗

引风机功率：P1=Q△P/1000/0.8(P1-引风机计算功率kW，Q-输送风量m3/s, △P-系统烟气运行压差，0.8-风机效率)。

循环水泵功率：P2=ρQH/0.85/1000/3600,（P2-循环水泵计算功率kW，Q-循环水量m3/h,0.85-泵效率，H-泵扬程分别为23m、25m。溶液密度为ρ=1.1t/m3）。

根据上述平衡以及设定值进行计算并统计成表，详见表1。

表1 气水平衡及功耗计算表

4 结论

通过某电厂的实际烟气参数和脱硫废水参数，进行了以脱硫塔前低温烟气蒸发浓缩脱硫废水的计算分析，系统采用了与脱硫塔型式类似的结构，对比分析了一层除雾与二层除雾系统的主要耗电设备的计算功率，以及吨脱硫废水蒸发的有效能耗。①单层除雾器实际有效蒸发脱硫水量为5.26m3/h，低于设计蒸发量7.5m3/h值很多，按此方案设计的系统虽然总功率小，但大量脱硫废水重新返回到脱硫塔，不仅做了很多无用功，还会破坏脱硫系统水平衡，不建议使用。②双层除雾器总功率虽然比单层除雾器高145kW，但有效蒸发量为7.34m3/h，高于单层除雾器方式。③蒸发吨脱硫废水的计算功耗双层除雾器与单层除雾器的均为78kW。因此，烟气余热蒸发浓缩塔虽然利用的是烟气余热，甚至可以说是“废热”，但蒸发过程由于为避免烟气携带增加的除雾器，以及除雾器正常运行必须的冲洗水影响，整体能耗还是很高，建议在低电价场合使用。