某300MW燃煤机组脱硫废水旁路烟道蒸发系统设计
摘要：燃煤电厂脱硫废水处理采用旁路烟道蒸发处理工艺具有投资运行成本低、系统简单等优点，系统的运行效果和运行稳定性受机组负荷、烟气温度、烟气流场等多个因素的影响。根据某300MW燃煤机组烟气参数和脱硫废水水质水量波动情况，对旁路烟道蒸发系统进行了优化设计。脱硫废水旁路烟道蒸发系统运行参数显示：系统运行稳定，达到了设计要求；蒸发水量为5m3/h的工况下，脱硫废水蒸发后粉煤灰氯离子质量分数在0.25%以内，不影响粉煤灰的综合利用，锅炉效率下降约0.43百分点。为了尽可能降低对锅炉效率的影响，可对脱硫废水进行浓缩减量处理。
关键词：脱硫废水；旁路烟道蒸发；300MW燃煤机组；烟气温度；水质；水量；粉煤灰；零排放
0 引言
随着国家和地方环境保护政策的日益严格，火电厂废水的处理回用乃至“零排放”处理成为近年来火电厂环保工作的重点。石灰石-石膏湿法脱硫工艺目前在燃煤电厂烟气脱硫中应用广泛，产生的脱硫废水由于水质复杂、处理难度大，成为全厂废水“零排放”处理的关键环节。近年来，多效蒸发结晶工艺、机械蒸汽再压缩蒸发结晶工艺、主烟道雾化蒸发工艺以及旁路烟道蒸发工艺等多种脱硫废水“零排放”处理工艺相继出现并进行了示范应用，为脱硫废水的有效处理提供了技术支撑，收到了较好的效果。其中，旁路烟道蒸发工艺由于系统简单、投资成本低、对主烟道系统影响小等优点受到了大量关注，也在多家电厂得到了应用。但脱硫废水旁路烟道蒸发处理工艺尚处于起步阶段，系统运行稳定性受烟气、水质、水量等多个因素的影响，系统设计的合理性直接影响系统运行的效果和稳定性。
脱硫废水旁路烟道蒸发系统的设计优化可采取数学建模计算、流场模拟计算等方法，在此基础上，结合实验室的小试及中试试验进一步验证计算结果，对设计参数通过数学计算-实验室试验之间的迭代进行优化。通过建模理论计算和Fluent软件模拟，研究废水雾化粒径、烟气入口温度对脱硫废水蒸发的影响。研究结果表明：随着液滴粒径的增加，蒸发时间先缓慢增加，到达80µm后蒸发时间增加明显；提高烟气入口温度，液滴蒸发时间变短，基本成线性关系。根据旁路烟道蒸发处理系统引接的空气预热器（以下简称空预器）入口前烟气温度和蒸发废水量等数据，可以对引接的高温烟气量进行调节。此外，由于高温条件有利于废水液滴的蒸发，因此可根据引接烟气的温度调节废水的雾化粒径，控制废水液滴的蒸发时间，从而优化旁路烟道蒸发塔的设计尺寸，确保旁路烟道蒸发系统运行中不会出现废水液滴粘壁的情况。
另外，脱硫废水旁路烟道蒸发系统的设计还需要考虑系统运行对后续除尘系统运行及粉煤灰品质的影响，确保废水蒸发处理系统运行不会影响除尘系统稳定运行，不会对粉煤灰品质造成显著影响。有研究表明，为保证脱硫废水能被及时蒸发并维持旁路烟道蒸发系统的稳定运行，空预器入口前烟气温度需控制在200℃以上。废水蒸发系统的运行会导致一、二次风温度降低，一级省煤器出口给水温度也会有所降低，由此导致锅炉煤耗有所增加，因此，需要控制进入旁路烟道蒸发处理系统的废水量。同时，通过控制蒸发的脱硫废水水量，可以确保粉煤灰品质满足综合利用的要求。目前的研究大多侧重于旁路烟道蒸发系统的设计和模拟计算，对系统配置、系统运行结果的论述相对较少，对系统的整体设计也相对较少。
本文以某300MW燃煤机组脱硫废水旁路烟道蒸发系统为例，根据机组运行的烟气参数和脱硫废水水质、水量参数设计旁路烟道蒸发干燥系统，为脱硫废水旁路烟道蒸发系统的设计以及应用提供参考。
1 脱硫废水水质、水量情况
脱硫废水水量的确定与燃煤煤质、工艺水水质、烟气温度以及脱硫系统运行等多个因素有关。根据现场试验，在燃煤煤质稳定、脱硫工艺水水质稳定（氯离子质量浓度为200mg/L左右）、脱硫塔内浆液中氯离子质量浓度控制在12000mg/L左右且脱硫系统能够正常稳定运行的工况下，脱硫废水水量约为10m3/h。脱硫废水经三联箱系统处理后的出水水质情况见表1。
水质分析结果显示，经过三联箱处理后，脱硫废水中的重金属离子基本被去除，固体悬浮物质量浓度显著降低，但依然含有高质量浓度的溶解性盐和钙镁离子，氯离子质量浓度约为9860mg/L，水质较为复杂。
2 机组烟气情况
旁路烟道蒸发系统运行所用的烟气取自空预器入口前烟道，满负荷工况下空预器入口前烟气参数见表2。
3 工艺系统设计说明
3.1 工艺系统流程及系统设计说明
喷雾干燥废水处理工艺系统主要包括废水给料系统、烟气系统、喷雾干燥塔系统和除灰系统，工艺流程如图1所示。
3.1.1 废水给料系统
脱硫系统产生的废水经现有的三联箱石灰浆液调质后进入清水箱储存，清水箱内的废水由废水输送泵输送至喷雾干燥塔的缓冲箱中，再经废水提升泵送入干燥塔的高位给料箱中，自流进入喷雾塔。废水给料系统主要包括箱罐及相应的泵等，部分设备可以利旧。脱硫废水三联箱处理系统的三联箱可以用作废水调质反应箱，清水箱可以用于储存调质后的废水。
3.1.2 烟气系统
烟气系统主要包括烟气挡板、膨胀节和烟道等。
（1）烟气挡板。烟气挡板包括入口挡板和出口挡板，入口挡板设置在空预器前主烟道引出管道上，出口挡板设置在喷雾干燥塔下部的出口烟道上。烟气挡板均采用单轴双挡板结构，执行机构为电驱动，其中入口挡板采用调节型，出口挡板采用开关型。每套干燥系统包括2个入口电动调节挡板、2个入口手动挡板及1个出口电动开关挡板。挡板的密封风采用锅炉送风机输送的空气。
（2）烟道。旁路烟道蒸发系统的烟道主要为喷雾干燥塔与空预器主烟道和除尘器前主烟道连接的烟道，烟道根据可能发生的最差运行条件（例如：烟气温度、压力、流量以及脱硫废水的水质、水量等）进行设计，并满足烟道自重荷载、风雪荷载、地震荷载、灰尘积累、内衬和保温材料质量等相关设计要求。喷雾干燥塔出口净烟道最小壁厚按不低于6mm设计，烟道内烟气流速按不超过15m/s设计，烟道承压按照±5000Pa设计。烟道采用具有气密性的双面焊接结构，所有非法兰连接的接口都进行连续焊接。烟道外部设置充分的加固和支撑以防止振动，同时要保证在各种烟气温度和压力下能够稳定运行。烟道设计时应尽量减小烟道系统的压降，其布置方式、形状和内部部件（如导流板和转弯处导向板）等均应进行优化设计。
3.1.3 喷雾干燥塔系统
喷雾干燥塔系统是旁路烟道蒸发系统的核心装置，主要包括喷雾干燥塔、旋转雾化器、气体分布器等。
（1）喷雾干燥塔。喷雾干燥塔采用Q345钢，塔体尺寸根据废水处理量、烟气温度等进行设计。以最大废水处理量为6m3/h、进出口烟气温度分别为360℃和120℃进行计算。此外，为了避免极端工况下废水没有及时蒸发而接触干燥塔内壁，干燥塔直径设计时考虑一定的余量。经过计算，该项目蒸发干燥塔的内径设计为9.0m，筒体高度为17.0m，总高约38.0m（包括顶部检修房及下部过车通道），塔顶设置检修房，并设置检修起吊装置。
（2）旋转雾化器。旋转雾化器是整个旁路烟道蒸发工艺最核心的设备，其工作原理是将调质后的脱硫废水泵送至高速旋转的雾化盘，在离心力的作用下，废水伸展为薄膜或被拉成细丝（取决于转速和浆液量），在雾化盘边缘破裂分散为液滴。液滴直径的大小取决于旋转速度和废水量，旋转速度越大液滴直径越小，废水量越小雾化后的液滴直径越小。连续稳定的喷雾性能是干燥过程能保持稳定的基础，该雾化器能保证液体流量变化不大的情况下雾滴的粒径分布不发生显著改变，使浆液雾滴在接近饱和温度时瞬间干化，不会有水分凝结在干燥塔壁上，这一点对于一个单旋转雾化器来说是至关重要的。旋转雾化器由一台功率高达45kW的电机提供动力，考虑到脱硫废水具有腐蚀性，雾化器的过流部件采用哈氏合金材质。旋转雾化器的转速可以通过变速箱控制在10000～14000r/min，根据处理水量和烟气温度、烟气量等参数可以调整雾化器转速，确保废水液滴能被及时蒸发。
（3）气体分布器。在脱硫废水旁路烟道蒸发工艺中，雾化液滴与烟气的充分混合有利于气液间的传热和废水液滴的蒸发，从而提高系统运行的安全性、稳定性。气体分布器的作用是均匀烟气流场分布，促进喷雾干燥塔内雾化液滴与高温烟气之间的有效混合，促进废水液滴及时蒸发，提高系统运行的稳定性。气体分布器布置在喷雾干燥塔上部烟气入口处，不与废水接触，采用304不锈钢。
3.1.4 其他辅助系统
其他辅助系统包括压缩空气系统、循环冷却水及清洗水系统。压缩空气主要用于将蒸发干燥塔底部的灰渣气力输送至灰库和旋转雾化器泄压。旋转雾化器运行时转速达10000r/min以上，高速旋转产生大量的热，使得旋转雾化器处于高温状态，不仅影响雾化装置的运行效果，而且会缩短其使用寿命。因此，需要接一路循环冷却水用于冷却高速运行中的旋转雾化器。设置清洗水系统的主要作用为：
（1）喷雾干燥塔系统启动和停运前，先通入清洗水对旋转雾化装置进行冲洗；
（2）清洗脱硫废水管道及泵等，避免脱硫废水对设备造成腐蚀。
3.2 旁路烟道蒸发处理系统主要技术参数
旁路烟道蒸发系统主要技术参数见表3，喷雾干燥塔主要设备技术参数见表4。
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3.3 系统运行情况分析
对旁路烟道蒸发系统的运行进行测试，满负荷工况下，蒸发脱硫废水水量为5m3/h和6m3/h时，粉煤灰中氯离子质量分数分别为0.250%和0.300%。GB/T50146—2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》规定，粉煤灰用于掺配制预应力混凝土时的最大掺配比例为15%；GB50164—2011《混凝土质量控制标准》规定，对于预应力混凝土，混凝土拌合物中水溶性氯离子的质量分数最大为0.060%（最严格要求）。因此，在旁路烟道蒸发系统最大设计蒸发水量工况下（蒸发水量为6.0m3/h），粉煤灰掺配制预应力混凝土的掺配比例为15%时，预应力混凝土拌合物中水溶性氯离子质量分数约为0.045%，满足氯离子质量分数小于0.060%的要求，不影响粉煤灰的综合利用。满负荷工况下，蒸发脱硫废水水量为5m3/h和6m3/h工况下，锅炉效率分别下降约0.43百分点和0.54百分点，对锅炉煤耗的影响分别为1.33，1.67g/（kW·h）（以煤耗为310g/（kW·h）计算）。因此，对于旁路烟道蒸发系统，蒸发处理水量对锅炉负荷和机组运行煤耗有一定的影响。为了尽可能降低对锅炉效率及发电煤耗的影响，脱硫废水水量较大时可进行浓缩减量处理，降低通过旁路烟道蒸发系统处理的水量。
4 结论与建议
脱硫废水旁路烟道蒸发处理工艺具有系统简单、对主机系统运行影响小等优点，但系统运行对锅炉效率和发电煤耗有一定影响。因此，在工艺方案论证、实施时需综合考虑，尤其是废水水量较大时，可将其浓缩减量后通过旁路烟道蒸发系统进行处理。
为确保系统安全稳定运行，系统设计时需要综合考虑废水水质、水量以及空预器入口前烟气的温度等参数，系统运行过程中应根据废水水量和空预器入口前烟气温度等参数通过调节入口挡板开度来控制引接的烟气量，使干燥塔出口烟气温度与除尘器入口前主烟道内烟气温度基本一致，尽可能减少空预器入口前烟气用量，降低对锅炉运行效率和发电煤耗的影响。
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