摘要
随着我国环保标准的不断提高，对火电厂提出了全厂废水零排放的要求，其最大的困难就在于脱硫废水高效低成本无害化处理。鄂州电厂在一期工程2×330MW机组上创造性地采用团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术，利用脱硫废水配制团聚剂除尘，有效地解决脱硫废水零排放的难题，同时大幅提高静电除尘器的除尘效率、降低烟气中的SO3含量。鄂州电厂的成功应用表明，利用团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术实现火电厂脱硫废水零排放工艺成熟可靠，投资节省较多，运维费用极低，运行操作简单，设备维护方便，是脱硫废水处理方面的重大创新，具有一定的推广价值。
关键词:团聚除尘;脱硫废水;烟道蒸发;粉煤灰;协同
0引言
鄂州电厂一期工程2×330MW机组于1999年正式投产，采用进口“W”型火焰锅炉，设计燃用山西无烟煤。为满足超低排放要求，鄂州电厂采用高频电源叠加脉冲电源等先进技术对原静电除尘器进行了改造，但因场地空间受到限制，改造后电除尘出口粉尘设计值只能达到50mg/m3。结合鄂州电厂的实际情况，烟尘超低排放仅靠常规脱硫协同除尘已不可能实现，在技术路线的选择上面临着较大的困难。同时其烟气脱硫采用石灰石－石膏湿法脱硫工艺，脱硫废水的含盐量极高，pH值一般＜6，主要含有Ca2+、Mg2+、SO42－、Cl-等离子，具有成分复杂、高硬度、高腐蚀性等特点，也是燃煤电厂废水零排放中处理难度最大的废水。
为解决脱硫废水零排放和烟尘超低排放这两个难题，结合自身特点，鄂州电厂于2019年采用了团聚除尘协同脱硫废水烟道蒸发技术，利用脱硫废水来配制团聚剂溶液，雾化喷入锅炉尾部烟道来实现电厂脱硫废水的无害化消纳利用。同时，团聚剂能够使烟气中PM2.5以下的细颗粒物絮凝、长大成为大颗粒，更加有利于电除尘设备对超细粉尘的捕获，从而提高电除尘的效率，再通过脱硫系统协同除尘实现烟尘超低排放。
1团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术
团聚除尘协同脱硫废水烟道蒸发技术通过利用脱硫废水配制团聚剂溶液，在燃煤锅炉空预器入口高温烟道、电除尘入口烟道中喷入雾化的团聚剂溶液，液滴与烟道中的烟气充分混合，水份吸收烟气的热量而蒸发，其中的盐份形成固体，与粉尘一起经电除尘器脱除后被收集到灰斗中，从而在提高电除尘效率的同时，实现了脱硫废水的零排放。具体的工艺流程如图1所示。
图1团聚除尘协同脱硫废水零排工艺流程
团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术由团聚剂乳化系统、废水缓存系统、雾化喷射系统以及自动控制系统等组成，主要包含以下几种核心技术:
(1)细颗粒物团聚技术通过在团聚剂中添加高分子化合物，可使颗粒物之间以电性中和、吸附架桥的方式团聚在一起，增强细颗粒物的团聚效果，从而提高静电除尘器的除尘效率。
(2)Cl-钝化技术团聚剂中的官能团可以抑制溶液中CI－离子活性，减缓金属的腐蚀速度，从而避免脱硫废水对系统设备和烟道的腐蚀。
(3)雾化喷射技术采用压缩空气将脱硫废水通过喷枪的雾化喷嘴送至烟道，保证雾化粒径＜60μm，液滴进入空预器前、后烟道，烟气高温瞬间蒸干雾滴。
(4)SO3脱除技术团聚剂与SO3在高温条件下，可以发生磺化反应，生成有机磺酸盐高分子化合物。团聚剂溶解在脱硫废水中喷入烟道后，除增加细颗粒物的团聚效果外，还可以同时脱除烟气中的SO3。
2团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术在鄂州电厂的应用
2.1项目概况鄂州电厂团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术研究
项目按“一拖二”模式设计，一套团聚系统供应两台锅炉。项目建设16m×16m×6m的混凝土结构厂房一座，全套设备主要由团聚剂配置系统、团聚剂稀释系统、团聚溶液供应及喷射系统等组成。每台锅炉设置三套团聚除尘喷射系统，共配置32支喷枪，每支喷枪最大出力0.2t/h。
在BMCR工况下，燃用设计煤种，空预器入口烟气温度≤380℃，除尘器入口烟气温度≤153.5℃，电除尘出口粉尘浓度≤50mg/m3，投入团聚除尘系统后，电除尘出口粉尘排放浓度控制在30mg/m3之内，满足脱硫系统协同除尘达到粉尘超低排放标准的要求。该项目单台机组烟道蒸发处理脱硫废水的能力达到3t/h，整套系统两台机组合计处理脱硫废水能力达到6t/h。自投运以来，系统运行稳定，各项指标均达到设计要求。
2.2项目技术优化
根据类似项目案例，采用烟道直喷技术主要存在烟道积灰和喷嘴堵塞等问题，且该技术对喷枪雾化要求较高，为此结合鄂州项目特点，对关键技术进行优化处理。
(1)高效雾化喷枪及流场模拟优化设计
本项目采用新型专利雾化喷枪，喷嘴材质采用特殊合金钢，耐腐蚀、耐磨损，喷出的雾滴不刷墙，喷射高Cl-含量的脱硫废水时可以减少结垢。雾化喷嘴根据实际工况单独定制，根据不同喷入点的烟温情况，采用不同的雾化粒径，并采用在线监控喷嘴调节模块，在线控制每支喷枪流量、压力，确保废水雾化参数满足设计值，最大雾化粒径D50＜60μm。根据计算机对机组全工况下的模拟计算结果，确定相关设计方案，在不同负荷下，雾化量和雾化粒径能够自适应调整，保证了脱硫废水雾滴在进入安全位置前完全蒸发成为气态。
(2)烟道防腐、防结垢及防积灰技术措施
机组尾部烟道形状不规则，存在较多变径、转弯等突变结构，烟气在该段烟道内部的速度、压力和温度分布不均匀，烟气在运动过程中会产生大量的局部涡流或紊流，易造成废水雾滴触碰烟道内壁，存在烟道内腐蚀、积灰和结垢的风险。本工程通过对废水喷入烟道后，烟气与废水雾滴在烟道内的速度矢量进行分析，得出烟气与废水液滴之间的运动关系，模拟废水液滴在烟道内部的运动轨迹，以此优化流场，确定雾化设备安装位置、数量、喷入角度、速度和喷雾量，确保雾化后的废水雾滴在烟道内的整个行程中不会碰壁或触底，成功避免了烟道中产生腐蚀、结垢、积灰的情况。同时，各个雾化设备的雾化量、雾化粒径等参数均可根据现场实际运行情况进行独立的在线调节，以确保沿程烟道内烟气温度始终高于酸露点，避免出现酸腐蚀情况。
2.3团聚强化除尘效果
在除尘器入口烟道雾化喷入团聚剂溶液和脱硫废水的混合液，根据烟囱排放口安装的在线监测粉尘仪，进行团聚液喷量的调整。除尘器前烟气温度134℃，投入脱硫废水团聚混合液喷雾经过烟道蒸发后，团聚剂会加强细颗粒之间的碰撞、絮凝，使难以捕集的PM2.5细微颗粒不断长大，形成链状的大颗粒，更加有利于被电除尘捕集，从而提高了电除尘的除尘效率，减少粉尘排放量。同时，烟气温度最大降幅约9℃，烟气湿度增加＜1%，可以降低粉尘比电阻，也在一定程度上有利于提高电除尘的效率。经性能试验验证，结果表明:在机组300MW负荷、电除尘器正常运行状态下，团聚除尘系统停运时，实测电除尘出口粉尘浓度为36.7mg/m3;团聚除尘系统投运后，机组电除尘器出口粉尘浓度为23.9mg/m3。从试验数据可以看出，团聚强化除尘技术对电除尘效率的提升非常显著。在团聚除尘系统投入后的实际运行中，一期机组的净烟气粉尘排放浓度长期稳定在5mg/m3以下。由此可见，采用团聚强化除尘技术协同脱硫系统除尘的技术路线，在燃烧无烟煤的W型锅炉上实现了机组粉尘的超低排放。
2.4脱硫废水零排效果
粉煤灰中Cl-含量与废水中Cl-浓度、废水喷入量以及单位时间内产生的粉煤灰量有关。改造后通过对脱硫废水的连续取样化验监测表明，其中的Cl-含量最大值约在15000mg/L左右，脱硫废水水质如表1所示。
按照脱硫废水Cl-浓度15000mg/L计算，每吨脱硫废水中Cl-含量为15kg。根据锅炉相关参数，单台机组BMCR工况下飞灰量最大约为39.3t/h。实际运行中，单台机组在满负荷下的脱硫废水喷入量控制在3t/h内，脱硫废水导致的粉煤灰中的Cl-含量可以控制在0.1%以内。
本项目按照每台机组平均1.5t/h的脱硫废水消耗量统计，每年2台机组能够去除脱硫系统中的Cl-总量在300t以上。
表1脱硫废水水质检测数据
3团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术其他影响分析
3.1对电除尘的影响分析
本项目以脱硫废水作为钝化团聚剂稀释溶液，脱硫废水团聚液雾滴喷入烟道后，水分快速蒸发形成水蒸气，脱硫废水中的盐分形成固体结晶后随飞灰一起被除尘器回收。团聚剂组成成份主要为C、H、O等元素，无毒、无害，飞灰的成分以及飞灰含水量、粒径分布等参数无明显变化，对电除尘放电除尘、储灰斗及输灰系统正常运行无影响。
3.2对粉煤灰的影响分析
在实际运行中，按照单台机组在满负荷下的脱硫废水蒸发量不超过3t/h的原则进行控制，并在不同喷入量下对电除尘灰斗中的粉煤灰进行了取样化验，其中Cl-含量以及相关重金属的检测结果与理论分析基本一致，如表2所示。
从表2数据结果分析可知，粉煤灰中Cl-含量随着脱硫废水喷入量的增加呈明显上升趋势，单台机组满负荷工况下脱硫废水喷入量为3t/h，Cl-平均含量为0.086%。
按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55－2011)对混凝土拌合物中水溶性Cl-含量的规定，对用于除冰盐等浸蚀性物质的腐蚀环境中的钢筋混凝土以及预应力混凝土中的水溶性Cl-含量，要求最大不超过水泥重量的0.06%，在其他情况下，混凝土中的水溶性Cl-含量要求最大值均在水泥重量的0.1%以上。
因此，按照单台机组满负荷工况下脱硫废水喷入量不超过3t/h的标准进行控制，所产出的粉煤灰中的Cl-含量不超过0.1%，以任意比例掺配均可满足一般混凝土对于Cl-含量的要求，按照不大于水泥用量20%的比例掺配时，也可以满足用于最极端严苛条件下的混凝土对于Cl-含量的要求，对粉煤灰的综合再利用无较大影响。
表2粉煤灰中部分重金属及氯元素检测数据
3.3对SO3的协同脱除分析
在空预器入口前的烟道雾化喷入团聚液后，其中的团聚剂能够与烟气中的SO3发生磺化反应生成有机磺酸盐高分子化合物，从而有效降低烟气中的SO3含量。鄂州电厂对空预器后烟气中SO3浓度进行了检测试验，在满负荷工况下，团聚除尘系统未投入时，SO3平均浓度为31.6mg/m3，投入团聚系统后，SO3平均浓度降低到14.4mg/m3。
火电机组SCR脱硝装置逃逸的氨，与烟气中的SO3反应生成NH4HSO4，极易形成结晶附着于空预器换热片上，造成空预器堵塞。团聚除尘协同脱硫废水烟道蒸发技术在空预器前使用，可以有效减少烟气中的SO3含量，防止空预器堵塞，保障机组稳定运行。同时，大幅降低了随机组净烟气排放到大气中的SO3含量，可以减少酸雨和PM2.5的形成，有利于4结语
(1)鄂州电厂团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术实现脱硫废水零排放项目的成功实施，实现以废治废，是一种行之有效且经济可靠的脱硫废水零排放新工艺。
(2)相较于其他脱硫废水零排放技术，团聚除尘协同脱硫废水蒸发技术投资低、运行成本低、改造及维护简单，在脱硫废水零排放的同时可以降低烟尘和SO3的排放，实现多污染物协同治理目标。
(3)项目利用团聚强化除尘新技术在燃烧无烟煤的W型火焰锅炉上进行实际应用，对喷枪、流场以及烟道防腐防堵防积灰进行技术优化，确保系统运行可靠，对类似火电机组实现脱硫废水零排放以及烟尘超低排放提供了一种的新技术路线选择。
(4)项目工程实践表明，在空预器前雾化喷入团聚剂，能够降低烟气中SO3的浓度，从而减少NH4HSO4的生成，避免空预器堵塞，为火电厂解决空预器堵塞问题提供了新的技术选择。环境保护。
