基于烟气蒸发的燃煤电厂脱硫废水零排放处理技术

基于烟气蒸发的燃煤电厂脱硫废水零排放处理技术      东南大学能源与环境学院2017.7.12,1,报告内容,脱硫废水水质特点及其零排放处理技术脱硫废水烟道蒸发零排放处理技术2.1 技术原理2.2 脱硫废水蒸发特点2.3 工程应用试验2.4 基于脱硫废水烟道蒸发处理的多污染物协同治理技术脱硫废水喷雾干燥零排放处理技术烟道蒸发与喷雾干燥零排放技术对比,脱硫废水来源：石膏旋流器排水,一、脱硫废水水质特点及其零排放处理技术,法律要求：环境保护法、水污染防治法等,政策要求：火电厂污染防治技术政策、水污染防治行动计划等,脱硫废水零排放要求：,脱硫废水,脱硫废水水质特点,腐蚀性强(溶液中含有大量的腐蚀性离子，如Cl-、SO32-、F-等),pH偏酸性（5.5-6.5）,重金属含量超标(主要含有Hg、Cr、Pb、Ni、Cd、Cu、Zn等),处理难度高(可生化性差、Cl-很难去除等问题),浊度高(6000-25000ppm),Cl-浓度高（15000-20000ppm）,脱硫废水水质特点：呈弱酸性，pH值通常为5.5-6.5；悬浮物种类多、含量高，包括灰份、惰性物质、石膏、CaSO3、CaCO3等；含盐量（Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-）高；水质波动大、水量不稳定。,由于水质的特殊性，脱硫废水处理难度大,一、脱硫废水水质特点及其零排放处理技术,脱硫废水零排放处理技术工艺：蒸发结晶技术烟道蒸发技术喷雾干燥技术其他技术,一、脱硫废水水质特点及其零排放处理技术,蒸发结晶技术,烟道蒸发技术,喷雾干燥技术,2.1 技术原理利用双流体雾化喷嘴将脱硫废水雾化并喷入空预器与除尘器之间的烟道中，利用烟气余热将废水完全蒸发，使废水中的污染物转化为结晶物或盐类，随飞灰一起由后续除尘器捕集；国内已有不少应用实例；东南大学正在开展的研究：脱硫废水蒸发特性及其应用试验脱硫废水烟道蒸发对后续电除尘、WFGD系统的影响基于脱硫废水烟道蒸发的PM/Hg/SO3协同治理研究,二、脱硫废水烟道蒸发零排放处理技术,脱硫废水烟道蒸发技术工艺,脱硫废水的蒸发主要分为两个阶段：等速蒸发与降速蒸发；日本学者将脱硫废水的蒸发过程细分为5 个阶段，即温度上升阶段、等速蒸发阶段、硬壳形成阶段、沸腾阶段及干燥阶段，并认为由于硬壳的形成，脱硫废水的蒸发速率比纯水慢。,2.2 脱硫废水蒸发特性,脱硫废水蒸发过程,表面结壳现象,脱硫废水烟道蒸发过程,利用荧光示踪法及测试脱硫废水蒸发过程中烟气温湿度变化考察蒸发特性：120-180烟温下，脱硫废水可在0.501.00s内蒸发完毕；烟温约降低5-8 ；高含盐量（30000mg/L）脱硫废水蒸发速率略慢于纯水；脱硫废水蒸发后Cl-主要以固体盐分析出，酸性条件下会有少量进入气相。,2.2 脱硫废水蒸发特性,荧光示踪法测试脱硫废水蒸发过程原理,脱硫废水蒸发过程中烟温变化过程,脱硫废水烟道蒸发过程（荧光示踪法）,2.3 工程应用试验,东南大学能环学院与江苏电力设计院合作利用1台300MW机组锅炉1/4的烟气量进行了示范试验；示范结果表明，废水蒸发析出的颗粒物导致的除尘器负荷增加很有限，以现有电除尘器负荷能力即可满足处理要求；同时，烟气湿度的适量提高和烟温的适量降低可使烟气中粉尘比电阻降低，有利于电除尘效率的提高。,（a）废水输送系统       （b）雾化喷嘴安装图      （c）喷射点现场脱硫废水蒸发处理示范试验现场,2.4 基于脱硫废水烟道蒸发处理的多污染物协同治理技术,基于脱硫废水烟道蒸发的化学团聚增强电除尘效率技术添加碱性吸收剂的脱硫废水烟道蒸发脱除SO3技术脱硫废水烟道蒸发促进Hg0氧化及其脱除技术,基于脱硫废水烟道蒸发的化学团聚增强电除尘效率技术,化学团聚技术原理：在电除尘器入口烟道（适宜烟温：120180）喷入由高聚物粘结剂、润湿剂、降比电阻剂等组成的化学团聚剂溶液，利用带有极性基团的高分子长链以“架桥”方式将多个PM2.5连接，促使其团聚长大，进而增强电除尘脱除PM2.5及总尘。粘结剂：通过“架桥”方式将两个或更多的粉尘团聚在一起，是促进细微粉尘长大的主要组分。润湿剂：主要用以促进粉尘颗粒润湿，加速粉尘进入团聚促进剂液滴内部。,细颗粒物化学团聚长大技术原理,化学团聚增强电除尘脱除颗粒物装备工艺,技术难题：在0.1-1m之间存在明显穿透窗口,团聚剂配方及添加量配方：团聚剂溶液由高分子粘结剂或絮凝剂、表面润湿剂、降比电阻剂、 pH调节剂组成，其中，高分子粘结剂0.050.1%；润湿剂0.0050.01%；降比电阻剂00.01%；pH调节剂00.005%。添加量：大多为每Nm3烟气中添加0.0050.05kg团聚剂溶液，其中高聚物粘结剂约占处理粉尘量的0.050.25%。细颗粒团聚长大特性,化学团聚剂添加前后细颗粒物粒径变化,穿透窗口颗粒长大效果明显,基于脱硫废水烟道蒸发的化学团聚增强电除尘效率技术,化学团聚前,化学团聚后,化学团聚与脱硫废水烟道蒸发处理耦合的原理化学团聚与脱硫废水烟道蒸发工艺流程相似，前者利用双流体雾化喷嘴喷入脱硫废水，后者为团聚剂溶液；应用脱硫废水配制团聚剂溶液可望协同实现脱硫废水零排放和增强电除尘效率的双重功效；应用脱硫废水配制团聚剂溶液，脱硫废水的弱酸性环境可以使高聚物分子链充分伸展，增强其团聚吸附PM2.5效果；同时，蒸发析出的无机盐类物质（如CaCl2、NaCl）还能降低粉尘比电阻；除可节约工艺用水外，还可省去团聚剂配方中的pH值调节剂和降比电阻剂。授权发明专利：协同促进PM2.5团聚       长大和蒸发处理脱硫废水的方法及装置.        国家发明专利, ZL201110282877.0。,基于脱硫废水烟道蒸发的化学团聚增强电除尘效率技术,脱硫废水烟道蒸发零排放处理工艺,化学团聚与脱硫废水蒸发处理工艺,实验研究成果,燃煤烟气超低排放试验平台（烟气量350Nm3/h ）,15,喷入脱硫废水烟气中PM2.5浓度略有升高，但同时PM2.5粒径增大，加入团聚剂后粒径进一步增大。脱硫废水蒸发处理可以降低粉尘比电阻，进而增强电除尘对总尘及PM2.5的捕集率；经测量，喷入脱硫废水后飞灰比电阻可由1.851010cm 降至9.86109 cm。,粒径变化,数浓度变化,基于脱硫废水烟道蒸发的化学团聚增强电除尘效率技术,脱硫废水蒸发处理对颗粒物性的影响,脱硫废水蒸发处理对颗粒物性的影响,16,基于脱硫废水烟道蒸发的化学团聚增强电除尘效率技术,脱硫废水中加化学团聚剂增强电除尘脱除细颗粒,脱硫废水中加入团聚剂后，电除尘出口PM2.5浓度可降低30%以上，总尘浓度可降低50%以上。,化学团聚增强电除尘脱除总尘效果,添加碱性吸收剂的脱硫废水烟道蒸发脱除SO3,喷射碱性吸收剂是控制燃煤电厂SO3排放的重要手段，喷入的形式可以是粉末或浆液（溶液）；其中，以浆液（溶液）方式喷射碱性吸收剂脱除SO3可与脱硫废水烟道蒸发技术有机结合；无需再构建吸收剂喷射系统，具有明显经济效益。本课题组进行了石灰石-石膏法脱硫废水中添加适量NaOH、Na2CO3、NaHCO3等碱性物质，然后由双流体雾化喷嘴喷入电除尘入口烟道以协同实现脱硫废水零排放和脱除SO3的研究，发现SO3脱除率最高可达50%以上。,浆液方式喷射碱性吸收剂脱除SO3工艺（三菱重工）,添加碱性吸收剂的脱硫废水烟道蒸发脱除SO3,脱硫废水烟道蒸发促进Hg0氧化及其脱除技术,煤中氯元素有利于Hg0向Hg2+的转化并可增强燃煤飞灰对汞的吸附作用，富氯脱硫废水蒸发析出的CaCl2、NaCl等含氯固相产物可促进烟气中的Hg0转化为易于脱除的Hg2+和Hgp，进而增强后续电除尘、WFGD系统等对汞的捕集能力。,18,高氯含量脱硫废水蒸发促进单质汞氧化性能,Hg0(g) + Cl(ads &g ) HgCl(ads &g)HgCl (ads &g) + Cl(ads &g) HgCl2(ads)HgCl2(ads) HgCl2(g),高氯含量脱硫废水蒸发促进单质汞氧化机理,375t/h锅炉脱硫废水烟道蒸发协同化学团聚增强电除尘效率改造试验,系统构成：工艺流程：,脱硫废水烟道蒸发协同化学团聚增强电除尘效率工艺流程图,脱硫废水过滤预处理系统,375t/h锅炉脱硫废水烟道蒸发协同化学团聚增强电除尘效率改造试验,系统构成：（1）脱硫废水过滤预处理系统（2）化学团聚剂配制系统包括团聚剂原料储槽、脱硫废水过滤及供给设备、团聚液配制槽、团聚剂溶液储存槽等。（3）压缩空气和团聚剂溶液输送系统主要包括离心泵、调节阀、流量计（不锈钢玻璃转子流量计、电磁流量计）、空压机、储气罐等设备。（4）团聚剂溶液雾化系统喷枪拟布置在垂直烟道，顺流布置；采用双流体雾化喷嘴，喷枪采用可抽取式结构，以便实现在线维修。（5）吹灰系统为防止烟道积灰，在烟道转弯处设置声波清灰器。,改造试验现场,脱硫废水烟道蒸发技术问题及解决措施,可能出现的问题：烟道内尘堆积较多，导致阻力过大影响锅炉运行。积灰原因分析：烟道积灰主要是由于喷出的废水液滴与粉尘接触后，废水或粉尘蒸发不干，部分粉尘重量增大导致在烟道中沉积；烟道内流场分布、废水雾化蒸发情况、烟气温度对此均有重要影响；特别是废水雾化不佳存在少量粗液滴，以及喷嘴布置不当，喷点所在位置烟道流速偏低，更易出现烟道积灰；锅炉不稳定（低负荷下烟温和烟气流速降低）、运行过程中喷嘴发生磨损堵塞等情况导致雾化性能变差，均有可能出现烟道积灰；因此，喷嘴雾化性能、喷嘴布置、清灰措施特别关键。解决措施：脱硫废水进入喷嘴前，需基本不含固体颗粒以免堵塞喷嘴；同时需防止脱硫废水在输送管道及喷嘴内结晶；设置储气罐，以提供稳定压力的压缩空气，保证喷嘴雾化性能；喷嘴布置前开展烟道内流速分布测试及流场、粉尘沉积特性数值模拟；喷嘴布置在流速较高位置，若烟道流速分布不均，需设置导流板；需设置清灰装置（如声波清灰）。,三、脱硫废水喷雾干燥零排放技术,1、脱硫废水喷雾干燥零排放处理原理该工艺将喷雾干燥技术应用于脱硫废水处理，脱硫废水经过旋转雾化器雾化成粒径约1060m的细雾滴喷入干燥塔内，利用空预器前的锅炉热烟气作为热源，在喷雾干燥塔内将废水蒸发，水分进入烟气中，废水中的盐类干燥后部分落入干燥塔底端被收集转运，其余干燥产物随烟气进入除尘器处理，达到脱硫废水零排放的目的。,脱硫废水喷雾干燥零排放技术工艺,2、技术特点利用原烟气热量，不需额外蒸汽；投资、运行费用分别仅为蒸发结晶工艺的1/3、1/10；脱硫废水蒸发在单独设置的干燥塔中进行，不影响烟气净化装置主系统；工艺流程简单、操作方便，占地面积小；无喷嘴堵塞、烟道腐蚀穿孔现象。,喷雾干燥塔（三菱重工实验装置）,3.1 工艺流程及系统构成,废水给料输送系统废水给料输送系统主要包括箱罐及相应的泵等设备；经预处理的脱硫废水输送至废水箱，加入石灰浆液调质后，输送至高位给料箱，自流进入喷雾干燥塔旋转雾化器。烟气系统烟气系统主要包括烟气挡板、膨胀节和烟道等；烟气从空气预热器前的主烟道引出一部分进入喷雾干燥塔，与经过高速旋转雾化器雾化、喷射而出的脱硫废水雾滴充分接触，干燥塔出口烟气排入电除尘器前的主烟道中。,系统构成,工艺流程,3.1 工艺系统及其主要设备构成,3. 喷雾干燥塔系统烟气通过烟气分布器进入喷雾干燥塔后，与经旋转雾化器雾化、喷射而出的脱硫废水液滴充分接触，完成废水蒸发；喷雾塔系统主要包括喷雾干燥塔、旋转雾化器及其附属设备；旋转雾化器：旋转雾化器是整个喷雾干燥处理工艺最核心的部分，该雾化器需能够保证在锅炉负荷发生变化致使废水处理量改变时，雾化雾滴的粒径分布不发生显著改变；气体分布器：用于保证雾化液滴与干燥热烟气之间的有效混合。,喷雾干燥塔系统,旋转雾化器,喷雾干燥塔,3.2 脱硫废水喷雾干燥工程应用试验,拟与华电科工合作在江苏华电扬州发电有限公司2台330MW燃煤发电机组上开展应用示范试验，同时利用东南大学的脱硫废水蒸发处理平台开展实验室研究。1、实验室研究：首先开展脱硫废水旋转喷雾雾化及蒸发特性研究；在此基础上，开展不同烟气物性及脱硫废水水质条件下的废水喷雾干燥蒸发特性研究，特别是高盐脱硫废水的喷雾干燥蒸发特性。实验室试验平台：主要由全自动燃煤锅炉、SCR脱硝、喷雾干燥塔、电除尘器、湿法脱硫塔、脱硫废水输送系统等组成，额定烟气量350Nm3/h；喷雾干燥塔塔径1.25m、塔高5m，废水处理量25-40kg/h。,实验室试验平台工艺流程图,PDA雾滴粒径测试平台,3.2 脱硫废水喷雾干燥工程应用试验,2、工业应用研究依据扬州发电有限公司2台330MW机组特性、脱硫废水水质及处理量要求、热烟气参数、实验室研究成果等基础数据，并结合脱硫废水喷雾干燥零排放处理工艺流程构建2套工业试验装置。,330MW燃煤机组脱硫废水喷雾干燥零排放处理技术工艺流程,3.3 脱硫废水喷雾干燥蒸发技术问题及解决措施,脱硫废水中固体悬浮物的快速蒸干和粘壁问题解决措施：通过升级改造传统旋转雾化技术，研发适合脱硫废水物性的具有自主知识产权的专业旋转雾化器，以确保雾滴的细度及均匀度；与之相匹配的烟气分布器，将引入的热烟气分成直流与旋流两部分，保证在最小烟气量下与雾滴充分混合，实现快速蒸干、蒸透，避免“湿壁”现象的产生。脱硫废水喷雾蒸发对飞灰综合利用的影响喷雾干燥塔处置后形成的底渣及析出的盐类采用气力输灰送至电厂电除尘器主输灰系统（一号粗灰库），作铺路或制砖使用；少量飞灰及细小盐类结晶进入电除尘，粉煤灰中氯含量不会超过万分之六的标准，不影响飞灰的资源化利用。,干燥塔底部灰输送装置,3.3 脱硫废水喷雾干燥蒸发技术问题及解决措施,喷雾干燥蒸发处理对锅炉热效率的影响脱硫废水喷雾干燥处理需从空预器入口抽取机组总烟气量的2.8-4.8%，导致热风温度下降4-6，锅炉效率约降低0.30-0.50%。日本三菱重工依据500MW机组计算发现，需抽取机组总烟气量的3.5%，锅炉效率约降低0.40%。,四、脱硫废水烟道蒸发与喷雾干燥零排放技术对比,烟道蒸发技术优点：投资费用低、脱硫废水零排放的同时可望实现多污染物的协同治理。缺点：喷嘴易堵塞，有可能存在烟道腐蚀穿孔、积灰现象，对主系统存在影响风险。喷雾干燥技术优点：与双流体雾化喷嘴相比，旋转雾化器喷雾量调节范围广，工况变化适应性强、不易堵塞；运行稳定可靠，不存在影响主系统的风险；三菱重工通过对比分析蒸发结晶技术、脱硫废水烟道蒸发、喷雾干燥蒸发技术，认为喷雾干燥技术最具市场竞争力。缺点：锅炉热效率约降低0.30-0.50%。,源自三菱重工技术报告,双流体雾化喷嘴,旋转雾化器,30,谢谢，敬请指正！,杨林军东南大学  能源与环境学院 环境科学与工程系                  能源热转换及其过程测控教育部重点实验室手机：13851784679         E-mail：,