刘军军
京能（锡林郭勒）发电有限公司 026000
摘 要: 燃煤电厂脱硫废水具有高浊度、高盐、成分复杂的特点，采用零排放脱硫废水处理技术可以满足热能行业对废水排放标准日益严格的要求。本文总结了脱硫废水的来源、水质特点及传统处理方法，介绍了无排放处理技术的工艺流程，应用现状及燃煤零排放技术研究方向。需要注意的是，现有的零脱硫废水脱硫技术一般采用预处理、浓缩、固化处理，因此燃煤电厂鼓励建设和改造零排放废水应结合实际情况而定，充分考虑投资、运行成本和社会经济效益，择优选择合适的工艺流程并提出未来改进和优化的需求，开发具有高混凝沉淀效率的新型混凝剂，减少传统混凝沉淀工艺中混凝剂用量和脱硫废水预处理阶段的零排放技术，开发新型环保型膜分离材料，提高膜浓缩法中零废水排放技术，还原步骤的膜处理效率，降低膜处理技术成本，推广采用旁路烟气蒸发技术，改进工艺流程，提高废水处理能力，降低蒸发能耗和设备损耗。
关键词: 脱硫废水; 零排放处理技术; 燃煤电厂
引言
在我国，燃煤发电仍然是主要的发电方式。在燃烧过程中，煤会产生含有高比例二氧化硫的烟气并污染空气。因此，必须采用合适的烟气脱硫工艺。我国大部分燃煤电厂采用湿法石灰石-石膏法对烟气进行脱硫，产生的脱硫废水中氯离子、硫酸根离子和碳离子含量高，重金属离子含量也高。目前脱硫废水大多采用常规的中和-化学沉淀-絮凝-澄清工艺处理，出水水质不能满足现行环保要求，存在硬度高、氯离子浓度高、腐蚀性强等缺点，且难以加工、回收和使用，而直接排放会对环境造成严重破坏。随着《燃煤电厂低排放低能耗现代化工作方案综合实施方案》和《火电厂污染物防治减排政策》的出台和实施，提出了更加严格的要求。使燃煤电厂节水、去除污染物，废水脱硫零排放技术成为研究的热点。脱硫废水零排放的处理途径很多，基本技术主要分为蒸发结晶技术和烟气热干燥技术。本文介绍了燃煤电厂脱硫废水的来源和水质特点、零排放废水脱硫工艺的基本技术原理、优缺点以及研究和应用现状以及未来非脱硫废水技术研究方向的展望。
1 脱硫废水来源及特点
在烟气湿法脱硫中，盐分（如Cl-、F-和SO2-4等）以及悬浮物等杂质在回收过程中不断积累，，以避免设备沉积和腐蚀并为维持系统的稳定性，保证脱硫副产物——石膏的质量，当杂质浓度达到一定水平时，应将部分浆液排出让废水脱硫。脱硫废水的产生受装置容量、煤质、石灰石质量、脱硫工艺水质和排放循环等因素的影响，电厂废水中污染物含量越多的废水越难处理。此外，脱硫废水一般具有以下特性： ①低酸度，pH值在4.0～6.0之间； ②悬浮物含量高，沉降性能差，浊度高； ③高盐度，高硬度，易析出，有腐蚀性； ④ 多种微量重金属及其他污染物残留，包括铅（Pb）、镍（As）、汞（Hg）、铬（Cd）等一级污染物，以及锌、铜、硫化物、氟化物等二级污染物。 ⑤成分复杂，水质和水量差异较大。
2 常规脱硫废水处理方法
脱硫废水的传统处理主要是中和废水的pH值，降低第一类污染物和部分重金属离子的浓度。因此，国内外燃煤电厂应用最广泛的脱硫废水处理技术是化学混凝沉淀工艺，其主要包括中和、沉淀、絮凝澄清等过程。其中，中和池、反应池和絮凝池统称为“三联箱”，最终通过板框压滤机脱水并排出污泥。该法工艺简单，工艺也较成熟，运行费用较低，处理量大，处理后的水水质均能达标，但是其化学品消耗量大，污泥产量大，污泥处置困难。废水的化学悬浮物（TSS）、需氧量（COD）、盐度和重金属也不易达标，腐蚀性强，废水回收利用受到严重限制，所以直接排放将会带来诸多的环境危害。
3常用零排放工艺
3.1工艺路线的种类
固化方法包括高温烟气蒸发系统、MVR系统、多效蒸发系统、MVR和多效蒸发。不同的固化工艺，其初始预处理和浓度降低量也是不一样的。
3.1.1 软化预处理
去除废水中的悬浮物、钙镁硬度并随后降低浓度（如反渗透、纳滤、超滤、直接渗透、高低压反渗透、电渗析等），最后固化。而这条工艺的运营成本以及投资成本最高的。
3.1.2 常规预处理
去除废水中悬浮物后的固化。而这种工艺的资金成本最低。
3.1.3 无预处理
废水直接浓缩，固化后还原，主要工艺有结晶、闪蒸和低温烟气浓缩。该加工路线的运营成本最低，其次是投资的成本。第一种固化方法可以使用任何一种，第二种和第三种固化方法一般采用旋转雾化系统和双流体喷枪系统。
3.2 工艺路径的开发
近年来，各种技术从预处理和降低浓度到固化。国内零排放厂商与燃煤电厂合作，进行了大量的小试、中试、调试，最终对不同的技术、各技术的优缺点进行了总结和改进，并添加了新的技术。
（1）淘汰直接渗透等技术； MVR等蒸发系统会消耗大量的蒸汽和电力，占地面积和建筑面积大，建设、运行和维护成本也高，包括设备沉积和腐蚀等一些问题，都需要进一步的解决；
（2）2017年是“软化+膜浓缩”技术爆发的一年，但在发现运营问题后，项目数量一直在稳步下降。主要问题是：软化剂的高运行成本，水质波动大，膜系统清洗困难，软化效果差，清洁周期和停机时间短，抗冲击性差。
（3）采用分盐结晶工艺，结晶盐指标可达到《GB/T5462-2003工业盐》一级标准，但发电厂往往没有工业盐销售许可证，这也是流程后期新项目很少的原因。
（4）“高温旁路油烟蒸发”在2019年普遍存在，但也存在相应的技术缺陷，如：废水处理能力有限，喷嘴易磨损；如空气预热前的高温烟气蒸发，吸入的烟气越多，碳消耗量增加越大，系统效率降低，处理的废水量有限。但是这种工艺也特别适用于废水量小的发电厂。
（5）“低温结晶蒸发或烟雾浓缩”技术解决了“软化+膜浓缩”化学成本高、抗冲击性差的问题，也解决了“高温”水处理效果差的问题。对于脱硫废水量大的电厂，资金和运行成本低，系统简单，同时受到业主和企业的高度重视。
4燃煤电厂脱硫废水探析
4.1废水产生原因
脱硫技术是脱硫废水的主要来源，目前燃煤电厂普遍采用传统的脱硫技术，即湿法石灰石-石膏法，在焚烧炉处理二氧化硫时会产生大量废水。
4.2 脱硫废水性质
废水具有高腐蚀性、高盐度和高硬度，其腐蚀性会对环境和设备造成破坏； 其高含盐量导致脱硫过程的效率减弱； 其硬度高，废水容易凝固，会严重损坏设备。 此外，废水中还含有大量不同的重金属，容易受到二次污染。
5燃煤电厂脱硫废水零排放技术分析
5.1 预处理技术
(1)蒸发结晶技术。通过在脱硫废水中加入碳酸钠、絮凝剂、有机硫等化学试剂，可以去除废水中固结的重金属、悬浮物等污染物。然后用机械蒸汽或多效蒸发器冷凝成晶体，所得冷凝水可循环使用，可单独制备结晶盐。目前，我国部分燃煤电站已实施该技术，废水预处理流量为22/h，实现零排放的目标。
(2)膜浓缩蒸发结晶技术。在纯蒸发结晶技术的基础上，结合直接渗透、反渗透等处理技术的使用，淡水部分处理后可直接循环使用，剩余部分可采用机械蒸汽处理或多次处理，然后分别处理结晶盐。与上述方法相比，该技术集成了浓缩工艺，技术更加成熟，同时达到了零排放的目标，还可以降低投资成本，具有更广阔的应用前景。
5.2 浓缩技术详解
(1)蒸发技术。蒸发技术常用于污染物零排放系统。
目前，燃煤电厂主要使用机械蒸汽，而蒸发是电厂的首选技术。蒸发操作消耗大量热能，蒸汽由高温逐渐变为低温，大大提高了该技术应用的经济性。与机械蒸汽相比，多效蒸发器可以有效地增加蒸发过程中产生的能量，提高了经济性，并且由于系统处理后的潜热更大，可以达到节能效果。多效蒸发器的节能效果与效数成正比，但五效以上的节能效果趋于缓慢增加，效数较好的是二效或三效。机械蒸汽与传热温差呈正相关，节能效果是多效蒸发器的十倍以上。
(2)正渗透技术。直接渗透技术能有效处理高盐度废水。采用半透膜，利用两侧的渗透压差，以高盐水为核心，自动选择性扩散并流入提取液侧。提取液通过溶解在水中，可以产生很大的驱动力，从而使水分子从半透膜中扩散出来，如果废水的盐度达到150 000 mg / L，就具有相同的影响。通过将提取液稀释，然后蒸发分解，可以回收溶质再循环利用，提取溶质所需的能量要小于蒸发潜热。分解后，通过缩合处理回收氨和二氧化碳，然后重复上述过程。其优点是功耗低、使用方便、安全可靠。
(3)结晶技术。结晶器是应用结晶技术的必备设备，结晶器的操作可与普通蒸发器的操作相媲美。废水处理的核心是循环结晶系统，结晶器包含一个膨胀容器，管束换热器通过循环管线连接。该系统的循环泵将废水输送到热交换器进行热交换，然后循环结晶。进入结晶器的废水与系统中原有的浓盐悬浮液合流，然后被加热器加热，温度会显著升高，废水返回闪蒸罐，发生弛豫产物，然后在废水中从换热器流出的盐浆从闪蒸罐中心切向进入罐内，形成涡流，最终形成更大的闪蒸面积，使蒸汽聚集在水箱中。此时，除雾分离设备在其进入压缩机中发挥作用。压缩机一经压缩，蒸汽温度升高，然后进入换热器夹套冷凝，促进盐泥蒸发，冷凝水全部流入换热器罐内进行冷凝。总之，含盐量较高的废水在进入闪蒸罐前会继续积聚，加热后水分蒸发，浓缩盐分逐渐饱和沉淀，从而达到零排放的效果。
5.3 烟道喷雾干燥
烟道喷雾干燥是一种带废气处理的废水脱硫无压处理技术，其原理主要是利用烟气与废水之间的热交换，分为旁路蒸发和直接下游喷雾蒸发。直接喷射蒸发技术根据污水喷射的位置可分为高温尾气蒸发和低温尾气蒸发。
脱硫废水在排气管内采用直喷蒸发过程，完全雾化后到达排气管蒸发。湿气完全蒸发成气态水蒸气，烟气100%进入脱硫吸收塔。回收污染环境的冷凝水随着水分的蒸发，物料中的盐分结晶成固体颗粒，被除尘器吸走并最终进入干灰中，这意味着没有废水排放。而烟气直喷技术利用烟气余热蒸发废水，从而不会造成二次污染。
随着旁路废气的蒸发，一部分高温烟气从锅炉空气预热器的进气管吸入旁路喷雾蒸发器，预净化的废水和浓缩物被喷入旁路喷雾蒸发器和水蒸汽形成的蒸汽，随后从收集器中的废水蒸发，可溶性盐结晶被收集在收集器中，水蒸汽到达脱硫装置后再进行循环利用。旁路排气系统复杂，影响机组热效率，投资成本高。其优点是操作适应灵活，对负载的适应能力强，对设备的应变小。
烟气蒸发技术具有可靠性高、初期投资低、无晶体加工、装置和系统简单、无新污染物、运行维护成本低、盐分问题等特点。空气预热器后低温喷雾蒸发技术的缺点是系统必须在较高负荷下投入使用（空气预热器排出的废气温度≥110℃）。喷雾蒸发从空气预热器前面的烟道吹出，对电器的效率影响较大。两种直接烟气喷射技术都存在喷嘴堵塞和堵塞的风险，所以对烟气结构提出了更高的要求。
6脱硫废水浓缩减量技术
浓缩减量是对预处理后的脱硫废水浓度进行处理，减少后续零排放过程的处理工作量和脱硫废水处理成本。膜浓缩技术具有投资成本低、经济性好的优点。广泛用于脱硫出水的零排放处理，但处理流程相对较长。在工业中，通常会结合使用几种膜技术。
6.1 正渗透法
正渗透法是利用选择性分离膜两侧的高浓度差，使水分子从拉液的高盐侧向低盐侧自发扩散，是该领域目前的研究方向之一膜分离。近年来，直接渗透膜的制造工艺不断改进，生产水平也有了长足的进步。由于其耗电量低、废水水质高、污物少，最初在国内外上市，但正渗透膜的发展仍存在高浓差极化、水流量低、制造理想困难等问题。推进解决方案需要在新膜材料、膜改性、膜合成方法、驱动解决方案的兼容性、分离和回收等方面进一步研究。
6.2 反渗透法
反渗透是利用反渗透膜在一定压力下被动分离溶液中的溶剂和溶质的过程。当施加在膜一侧液体上的压力超过其渗透压时，溶剂逆着自然渗透方向进行反渗透，渗透液集中在膜的低压侧和高压侧。反渗透膜可拦截> 0.1 nm 的物质，是一种比较精细的膜分离产品，能有效拦截水中相对分子质量>100的无机盐类、胶体物质和有机物，从而产生更纯净的水。反渗透技术电耗低，安全可靠，脱盐率高（通常>95%），出水稳定，它可以在室温下进行，广泛应用于水处理实践中，而一些压力磨损等问题也需要在未来的研究中加以改进和解决。
6.3 电渗析
电渗析技术是在离子交换的基础上发展起来的。它们的工作原理是由于电位差，在正极和负极之间交替放置多个正极和负极膜。由于离子交换膜的选择性渗透性，当电极后的两端接上直流电源时，水中的阴阳离子分别向阳极和阴极迁移，形成离子浓度和浓度降低的交替光室。随着离子浓度的增加，产生浓度，获得脱盐和净化溶液。电渗析技术具有能耗低、化学品用量少、对废水含盐量适应性强等优点，但耗水量大且难以去除某些难解离的物质，易规模化、设备也较多，所以要对技术改进板的材料以及流道的设计进行处理。
6.4 膜蒸馏技术
膜蒸馏技术可用于降低非挥发性溶解水溶液的浓度，目的是仅允许水蒸气通过过滤膜。膜蒸馏可以利用来自较低火力发电厂的大量废热，捕获几乎 100% 的溶解非挥发性物质 。但是由于火力发电厂劣质热源较多，目前仍缺乏性能可靠、长期稳定运行的商用蒸馏膜。
7 燃煤电厂脱硫废水零排放技术发展展望
我国的废水零排放脱硫技术尚处于起步阶段，而且零排放技术仍然存在技术不成熟、投资和运行成本高、适用性和排放率低等弊端。因此，如何进行技术创新，开发出高效、低成本、应用范围广的脱硫废水零排放新技术，将成为技术研究的重点。现有的蒸发结晶技术具有操作灵活性高、对水质适应性强的优点，但也存在预处理要求高、降低含水量、浓度复杂、系统能耗高等缺点。在相应的后续研究中，应重点研究优化脱硫废水预处理和降低浓度的技术，开发新型化学混凝剂，提高混凝处理效果，减少用量，降低成本。现有烟气余热干燥技术具有工艺简单、能耗低、对设备影响小等优点，但对设计、工艺和产品未经处理、完全固化的要求较高，存在一定的环境风险。相应的后续研究应侧重于烟道长度和烟气温度、液滴尺寸和喷嘴布置对废水处理效果的影响，优化和改进低温后固化产物和余热的区域回收。其中一种新的废水脱硫零排放技术首先就使用纳滤系统对脱硫废水进行了初步浓缩。纳滤产水经电渗析系统和蒸发结晶系统处理，制得高纯工业盐，采用带盘管反渗透系统和燃气蒸发系统进行高级处理。该类脱硫废水双通道浓缩技术结合了蒸发结晶技术和烟气余热干燥技术的优点。其特点是污染物去除彻底，系统运行高效稳定。所以可能会为优化技术，燃煤电厂的废水脱硫一个新的思路。
结束语
随着脱硫废水零排放工艺的成熟，零排放工艺逐渐发展为简单、稳定、运行成本低、节水节能的技术路径。废水量较小的电厂一般采用高温旁路烟气蒸发技术路线，废水量大的电厂采用结晶膨胀蒸发或低温烟气浓缩+高温旁路烟气蒸发的技术路线。目前国内普遍采用的技术路线也是最经济、最环保的处理路线。当然，考虑到我国水质和电厂条件的特殊性，适合我国国情的旁路废水脱硫零排放技术的推广和改进，始终需要在科研、设计、制造和应用等方面进行合作并进行不断地改进和创新。
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