燃煤电厂脱硫废水烟道蒸发产物特性分析

国能龙源环保有限公司大同分公司 马 帅

1 引言

伴随2015年《水污染防治行动计划》的发布，国家在治理水污染方面的力度逐渐加大，在水污染中，脱硫废水的成分比较复杂，而且包含重金属，得到了社会各界的广泛关注。因此，本文研究的燃煤电厂脱硫废水烟道蒸发产物特性论题在现实层面意义重大。

2 脱硫废水处理技术分析

现阶段，脱硫废水处理技术除包括生物处理和零排放技术外，还有化学沉淀方法。对化学沉淀方法来说，该种脱硫废水处理技术在我国电厂拥有较高的利用率。化学沉淀方法可以明显去除大多数金属以及悬浮物，可以符合有关行业标准，但是化学沉淀方法无法有效去除可溶性盐分，例如无法去除氯离子，不能很好地去除重金属离子，在去除硒方面表现不佳，同时运行此方法的费用很高。

就生物处理技术来说，此技术不仅可以利用微生物能够对生物降解的可溶性有机污染物进行处理，还能够把大部分不可溶性污染物转变成絮状物，能够明显去除脱硫废水的重金属，举例说明，生物处理技术能够将硒降低到10-9级，可以把汞降低到10-12级。生物处理技术的缺点是系统比较复杂，造价比较高，而且有很高的概率会生产带毒的有机硒及带毒有机汞，使二次污染问题出现。烟道蒸发方法即通过气液两相流喷嘴，对脱硫废水进行雾化处理，将其喷到空气预热器及除尘器中间的烟道内部，借助烟气的余热充分蒸发废水，让废水的污染物转变成结晶物或者盐类，除尘器会同时捕集废水污染物以及飞灰，达到不排放脱硫废水目标。

3 研究背景

依据美国环境保护署（EPA）的报告，脱硫废水烟道蒸发有一定概率导致的不利影响如下，如果蒸发产物混到飞灰中，将有较大可能性改变其特性，对飞灰综合运用造成不利影响，除尘器无法捕集全部的含氯产物，将有一定概率加剧除尘器腐蚀问题以及烟道腐蚀问题，还会使运行维护的成本不断增加。脱硫废水烟道蒸发产物包括固态产物以及气态产物，静电除尘器在去除固态颗粒方面效果较好，但是在去除气态产物方面效果不佳，出于对脱硫废水烟道蒸发导致的负面影响进行评估目的，相关人员在研究时应该从以下几方面出发：一是对脱硫废水烟道蒸发产物的固态及气态产物分配比例进行探究。二是研究固态产物特性和固态产物特性给飞灰性质、飞灰综合运用造成的影响。三是需要分析静电除尘器无法捕集的物质会给之后的设备造成何种影响。

4 试验系统和试验设备

4.1 气态产物的试验系统分析

量取10mL 的脱硫废水，将其放置在三口烧瓶内部，在恒温150℃的油浴锅内部进行加热，让鼓风机空气贴近脱硫废水的液面，完成吹扫操作，鼓风机空气的体积流量是0.1m³/h。三口烧瓶排出气体将进至洗气瓶内部，洗瓶的纯水会吸收气态产物，将余下气体排空，使用离子色谱来分析洗气瓶内部水的成分，纯水体积是100mL[1]。

4.2 固态产物的试验系统和试验设备

脱硫废水烟道蒸发实验的过程：先把模拟烟气加到混气瓶内部，使用加热装置来加热烟气，利用测温装置对烟气温度进行控制，在符合需要的烟气温度之后，利用风机，把高温烟气通向脱硫废水烟道蒸发的试验装置，利用气液相流喷嘴进行雾化，使其变成细小液滴，液滴长度大约为50μm。

之后液滴和高温烟气进行充分接触，出现明显的热交换现象，此时脱硫废水会立刻蒸发，达到蒸发处理脱硫废水目的。试验系统除了会将温度测点设置在烟气入口和烟气出口外，还会将其设置在烟道上部、烟道中部、烟道下部，利用热电偶完成测量工作。就湿度测量来说，选用两个高温型温湿度传感器，型号分别是KZWS/GW 及KZWS/G，该温湿度传感器的湿度范围在0～100%，精度为±3%RH，属于24VDC 供电，数据采集位置设置在烟道出口和烟道入口。雾化喷嘴选择SUJ-J1型的双流体喷嘴。双流体喷嘴使用的压缩空气由HDW750型空气压缩机供应。试验的尾部烟气采样工作使用EN2型便捷式精密烟气分析仪，在出口位置收集废水蒸干的产物。脱硫废水成分分析表见表1。

表1 试验所用脱硫废水的成分分析表（单位：mg/L）

就试验的控制参数来说，烟气体积流量是40m3/h，烟气温度是150℃，脱硫废水的体积流量是40ml/min，空气压缩机的排气压力是0.2MPa。

4.3 产物表征的分析仪器

利用X 射线衍射仪即XRD 对脱硫废水烟道蒸发产物组成和脱硫废水烟道蒸发产物的物相进行分析。选择CuKα 辐射，试验X 射线的管压是40kV，其管流是50mA，试验步进是0.01°，2θ的范围是5°到80°，每分钟扫描速度是2°。对衍射谱图解析来说，需利用X 射线粉末衍射数据库开展物相分析操作。利用X 射线能谱仪即EDS 分析所含元素，该X 射线能谱仪为INCA 能谱仪。利用S-450型扫描电子显微镜即SEM 来对各飞灰样品的颗粒形貌进行观察。选择Au 离子溅射方法进行制样，在能谱分析过程中，设定加速电压是25kV，在此基础上开展各放大倍率的电子图像观察工作。

就飞灰比电阻来说，试验选择DR-3型高压飞灰比电阻试验台来完成测定工作，测量温度是25℃，测量电压是2kV。在气相产物检测工作中，本次试验选用了IC6000离子色谱仪[2]。

5 试验结果分析

5.1 蒸发产物特性分析

利用离子色谱来分析脱硫废水蒸发气态产物试验系统所得洗气瓶的水样，获得离子色谱图，发现水样包含多种阴离子，除NO2-、NO3-和F-外，还有Br-及Cl-，说明脱硫废水烟道蒸发环节的气态产物除有一定概率包含HCl、HBr 和HF 外，还有可能包含HNO2及HNO3，表明在脱硫废水烟道蒸发时，少数卤素物质及含氮物质将通过气态形式进行挥发。

对HCl 物质挥发量、HF 物质挥发量、HBr 物质挥发量、HNO2物质挥发量、HNO3物质挥发量进行分析，发现HCl 挥发量较多，为154.1mg/L，通过深层次计算，可获得脱硫废水烟道蒸发的气态产物和固态产物比例，发现Br-气态产物及NO2-气态产物比例很高，而NO3-气态产物占据比例很低。

5.2 固态产物特性分析

通过脱硫废水烟道的蒸发试验系统，能够得到定量固态产物，对固态产物开展EDS 分析，能够发现脱硫废水蒸发产物的元素除O 元素、S 元素、Ca元素、Na 元素外，还有Mg 元素、Cl 元素和Fe 元素。脱硫废水蒸发产物的元素含量见表2[3]。

表2 脱硫废水蒸发产物的元素含量表（单位：%）

为深入分析固态产物包含的详细物质成分，试验开展XRD 分析，通过固态产物XRD 图谱，发现固态产物包含物质除CaSO4和NaSO4外，还有NaCl。

依据飞灰化学成分分析表，能够发现飞灰化学成分主要为氧化物，除SiO2和K2O 外，还有Al2O3与Na2O，SiO2与Al2O3是主要成分，总质量分数超过60%。脱硫废水烟道的蒸发产物主要是CaSO4、Na2SO4及NaCl，Ca 元素含量和Cl 元素含量要远比飞灰的Ca 元素及Cl 元素含量多。飞灰化学成分分析表见表3。

表3 飞灰化学成分分析表（单位：%）

出于深入分析脱硫废水蒸发的固态产物和飞灰之间的差别目的，工作人员使用扫描电子显微镜来扫描固态产物以及飞灰，获得二者的形貌特征图，能够发现固态产物是片状或者柱状品型，飞灰是球状。图1为固态产物SEM 图，图2为飞灰SEM 图。

图1 固态产物SEM 图

图2 飞灰SEM 图

按照用在水泥与混凝土的飞灰标准，限制飞灰的游离氧化钙指标和碱含量指标，脱硫废水烟道的蒸发产物不包含氧化物，而且碱性金属的含量较低，说明将适量脱硫废水喷向烟道并不会影响飞灰综合运用。

5.3 分析脱硫废水烟道给飞灰比电阻造成的影响

脱硫废水烟道蒸发的固态产物和飞灰性质之间区别较大，固态产物有一定概率会使飞灰特性发生改变，导致静电除尘器在除尘方面的功能发生变化，其关键指标为飞灰比电阻[4]。

飞灰比电阻这一指标可以在衡量飞灰导电功能工作中发挥重要作用，一般来说，按照飞灰比电阻大小，能够把粉尘划分为低比电阻飞灰、中比电阻飞灰、高比电阻飞灰三类。在低比电阻飞灰中，ρ ≤104Ω·cm；在中比电阻飞灰中，104＜ρ ＜5×1010Ω·cm；在高比电阻飞灰中，ρ ≥5×1010Ω·cm。

静电除尘器性能受到的影响如下：首先，电晕电流需要借助极板的飞灰层传导至接地收尘极，假如飞灰比电阻大于临界值，在此情况下，电晕电流在经过飞灰层时会遭受限制，对电晕放电特性有所影响，进而对除尘效率造成不利影响。其次，就飞灰来说，高比电阻飞灰具有较强的黏附力，为清理电极的飞灰层，应加大振打的强度，这时飞灰二次飞扬将超过正常情况，最后会给除尘效率带来负面影响。

出于对脱硫废水烟道蒸发的飞灰比电阻变化进行探究目的和评估除尘性能改变情况目的，试验测量蒸发产物和飞灰质量依据1∶20比例混合、蒸发产物和飞灰质量依据1∶50比例混合、蒸发产物和飞灰质量依据1∶100比例混合、原灰样比电阻。本次试验使用的高压飞灰比电阻试验台为DR-3型，以此设备完成对比电阻的测定工作，测量的电压是2kV，室温是25℃，灰样从某热电厂获取。

分析各个比例给飞灰比电阻造成的影响，能够发现在蒸发产物和飞灰质量比是1∶20情况下，比电阻是8×108Ω·cm；在质量比是1∶50情况下，比电阻是5.4×108Ω·cm；在质量比是1∶100情况下，比电阻是5×108Ω·cm；原灰样的比电阻是4.5×108Ω·cm，表明脱硫废水烟道蒸发的固态产物能够让飞灰比电阻有所提升。因为钙镁物质比电阻很高，固态产物的钙镁含量比飞灰的钙镁含量更高，在此前提下，飞灰比电阻有所增加，因为其波动处在指定数量级中，而且同样归属于中比电阻飞灰范围，说明不会对除尘性能造成太大影响。

5.4 气态产物给腐蚀和脱硫塔造成的影响分析

对脱硫废水烟道蒸发来说，此过程会对大量的气态HCl 进行释放，相关数据表明，某机组烟气的HCl 质量浓度是13.85mg/m3，将某个300MW 机组当作研究对象，此机组的烟气量大概是1×106m3/h，设定脱硫废水的处理量是2t/h，挥发量是154.1mg/L，假定除尘器能够捕集所有的固态含氯物质，那么在脱硫废水烟道蒸发影响下出现的HCl 增加量达到0.03mg/m3，此增加量在总量中所占比例为0.2%，与此同时，在除尘器无法高效捕集固态产物情况下，该数值会增大[5]。

HCl 能够明显腐蚀金属管道设备，HCl 的腐蚀机理如下文所示：

Fe+2HCl→FeCl2+H2、2Fe+6HCl→2FeCl3+3H2、2FeCl2+Cl2→2FeCl3、2Fe+3Cl2→2FeCl3、4FeCl3+3O2→3Fe2O3+6Cl2、4FeCl2+3O2→3Fe2O3+4Cl2、Fe2O3（保护膜）+6HCl→2FeCl3+3H2O、4FeCl2+O2→2FeCl3+2FeOCl、2FeOCl+O2→2Fe2O3+2Cl2。

分析腐蚀速率和温度之间的关联，如果烟气的HCl 体积分数是50×10-6，在此情况下，金属腐蚀速率要远超过不含有HCl 情况下金属的腐蚀速率。此外，如果温度不超过200℃，此时伴随温度不断提升，腐蚀速率会逐渐增加，假如温度超过200℃，此时腐蚀速率会飞快增加。

与此同时，HCl 气体有较高的概率在烟道出口位置发生露点腐蚀现象，HCl 露点温度不仅和HCl 浓度有关，还和烟气的水分含量存在密切关联，HCl 露点温度大约在27～60℃。

就脱硫废水烟道蒸发来说，其气态产物给脱硫系统造成的影响表现为脱硫塔会吸收所有烟气增多的氯化物，其后果是使脱硫废水排放量得到增加，同样会限制石膏在脱水方面的性能。

依据脱硫系统氯平衡的分布状况，能够发现此系统中的氯不仅来自石灰石、工业水和烟气，还包含脱硫废水烟道蒸发出现的氯。在脱硫系统中，氯去除工作指的是去除石膏的氯及去除脱硫废水的氯，按照氯平衡，如果其他条件不发生变化，此时设定所有挥发的氯被转移至脱硫废水内部，脱硫废水增加量和挥发氯在脱硫废水总氯中所占比率一致，数值是2.7%。

6 结语

脱硫废水烟道蒸发的固态产物主要是盐类，而且固态产物的Ca 元素含量及Cl 元素含量远比飞灰的Ca 元素含量和Cl 元素含量多，未能对飞灰综合运用造成影响。脱硫废水烟道蒸发的产物存在许多钙镁物质，将使飞灰比电阻增加，不会超出中比电阻飞灰范围。脱硫废水烟道的蒸发使烟气的Cl 元素增多，将有一定概率使除尘器及烟道腐蚀增多，增加脱硫废水排放，严重影响石膏在脱水方面的功能。