摘 要：隨著我國環(huán)保政策的不斷完善和水資源的嚴重缺乏，脫硫廢水的深度處理及廢水中水分回收具有重要的意義。本文構(gòu)建了脫硫廢水熱法零排放全流程系統(tǒng)，提出了三種熱法濃縮工藝：生蒸汽驅(qū)動的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-S），低溫?zé)煔怛?qū)動的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-G）；單級機械蒸汽再壓縮系統(tǒng)（MVR-S）和耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-MVR）。以600 MW超臨界機組為例，利用Aspen Plus軟件進行了流程模擬和系統(tǒng)經(jīng)濟性計算。計算結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)的以生蒸汽為熱源的多效蒸發(fā)系統(tǒng)，當采用低溫?zé)煔庾鳛檎舭l(fā)系統(tǒng)熱源，則煙氣降溫5.5 ℃，如果忽略低溫?zé)煔獬杀?，則具有較低的噸廢水處理成本；單級MVR系統(tǒng)由于利用熱泵蒸發(fā)技術(shù)，能耗大幅度下降，但投資成本為傳統(tǒng)多效蒸發(fā)系統(tǒng)的113%；耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)，由于在較低濃度下蒸發(fā)了部分進料，因此其壓縮機功耗相對單級MVR下降了30%，其噸廢水處理成本約為傳統(tǒng)多效蒸發(fā)系統(tǒng)的58.2%。

關(guān)鍵詞：脫硫廢水;蒸發(fā)結(jié)晶;低能耗;零排放;機械蒸汽再壓縮;

0 引 言

隨著我國環(huán)保政策的不斷完善和水資源的嚴重缺乏，脫硫廢水的零排放技術(shù)（ZLD）成為了近年來的研究熱點。ZLD是指：電廠不向地面水域排放廢水，大部分水分回收利用，少量廢水進入固體廢物或固化在灰渣中。根據(jù)國內(nèi)外已有的脫硫廢水零排放工藝，可將ZLD可分解為三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：預(yù)處理，濃縮減量，轉(zhuǎn)移或固化。從廢水零排放系統(tǒng)的經(jīng)濟性和能耗上來看，濃縮減量環(huán)節(jié)是關(guān)鍵。

目前國內(nèi)已投入工業(yè)化應(yīng)用的濃縮減量技術(shù)主要采用熱法濃縮。按照加熱方式不同，可分為：多效蒸發(fā)結(jié)晶和機械蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）等。廣東河源電廠2×600MW超臨界燃煤機組，脫硫廢水采用2級預(yù)處理+四效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)處理。蒸汽消耗0.28-0.35t/t廢水，電耗30kWh/t廢水。廣東三水恒益電廠2×600MW超臨界機組，脫硫廢水處理采用兩級臥式機械蒸汽壓縮蒸發(fā)技術(shù)+2級臥式多效蒸發(fā)技術(shù)工藝。蒸汽消耗0.3t/t廢水；電耗：30kWh/t廢水。如何降低傳統(tǒng)熱法濃縮環(huán)節(jié)的能耗，是脫硫廢水零排放技術(shù)發(fā)展需要解決的重要問題之一。

段威等總結(jié)了4種不同的脫硫廢水零排放工路線并進行了初步的技術(shù)-經(jīng)濟性分析，研究結(jié)果表明熱法濃縮干燥工藝噸水運營成本低，更加適用于燃煤電廠脫硫廢水零排放工程。毛彥霞采用MVR對脫硫廢水進行了中試實驗，試驗結(jié)果表明：MVR處理廢水效果較好，產(chǎn)水能力較高，其出水水質(zhì)可以達到一級除鹽水的標準，脫鹽率可以達到99%以上，出水率可達80%。Dahmardeh等基于Aspen Plus軟件，設(shè)計并優(yōu)化分析了一種基于多效蒸發(fā)-MVR耦合蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，討論了給定濃縮比下，關(guān)鍵參數(shù)對蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)性能和成本的影響。

盡管目前針對燃煤電廠脫硫廢水零排放工藝路線的討論較多，但是在同一基準上，定量對比不同脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)的能耗和經(jīng)濟性的研究，并不多見。本文首先構(gòu)建了基于熱法濃縮技術(shù)的脫硫廢水零排放全流程；針對濃縮減量環(huán)節(jié)，提出了三種濃縮工藝：多效蒸發(fā)（MEE）、單級MVR（MVR-S）和耦合MVR的多效蒸發(fā)（MEE-MVR），利用流程模擬軟件Aspen plus建立了系統(tǒng)的質(zhì)量和能量平衡，討論了不同工藝的能耗；最后對三種廢水零排放流程進行了經(jīng)濟性分析，以期為低能耗燃煤電廠廢水零排放技術(shù)提供了一定的理論指導(dǎo)。

1 脫硫廢水處理系統(tǒng)流程

脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)主要分為預(yù)處理單元、濃縮減量單元和結(jié)晶分鹽單元，見圖1。針對不同的濃縮減量技術(shù)，假設(shè)預(yù)處理單元和結(jié)晶分鹽單元都相同。

脫硫廢水軟化預(yù)處理環(huán)節(jié)采用Ca(OH)2 + Na2CO3雙堿法，處理后的水質(zhì)指標見表1。由表1可以看出：經(jīng)過軟化處理后，廢水中鈣離子的質(zhì)量分數(shù)小于0.005‰，鎂離子的質(zhì)量分數(shù)小于0.001‰，懸浮物的質(zhì)量分數(shù)小于0.001‰，可以避免下游蒸發(fā)濃縮結(jié)晶過程中結(jié)垢。

脫硫廢水經(jīng)過預(yù)處理后，廢水中主要的無機離子為Na+、Cl-和SO42-，占溶解性總固體的比例通常大于90%。直接經(jīng)蒸發(fā)濃縮處理后得到混合雜鹽。結(jié)晶雜鹽遇水易溶解，且通常含有有機物甚至重金屬，屬于固體廢棄物。因此在蒸發(fā)結(jié)晶過程中實現(xiàn)分鹽，可以提高結(jié)晶鹽的資源化效率，降低綜合處理成本。分鹽結(jié)晶實質(zhì)是利用NaCl、Na2SO4等物質(zhì)濃度及溶解度差異，在蒸發(fā)過程中控制合適的運行溫度和濃縮倍數(shù)來實現(xiàn)鹽的分離。

根據(jù)預(yù)處理后的脫硫廢水三元體系相平衡圖（Na+/Cl-、SO42--H2O）確定分鹽結(jié)晶工藝流程，如圖2所示，分為五個階段：蒸發(fā)濃縮階段、Na2SO4蒸發(fā)析晶階段（343.15 K）、Na2SO4·10H2O冷卻析晶階段（273.15 K）、NaCl蒸發(fā)析晶階段（343.15 K）、雜鹽蒸發(fā)結(jié)晶（343.15 K）。

為了減少結(jié)晶器的能耗，假設(shè)濃縮減量環(huán)節(jié)出口的液體中NaCl和Na2SO4濃度為對應(yīng)溫度下飽和溶液的濃度。

1.1 多效蒸發(fā)系統(tǒng)

多效蒸發(fā)系統(tǒng)采用三效蒸發(fā)器對脫硫廢水進行濃縮，蒸發(fā)器和物料流程采用順流流程，根據(jù)蒸發(fā)器熱源不同，設(shè)計了兩種多效蒸發(fā)流程，見圖3。

圖3多效蒸發(fā)工藝流程

多效蒸發(fā)系統(tǒng)的熱源可以來自電廠低壓缸抽汽，也可以采用煙氣驅(qū)動的低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)。圖3a為傳統(tǒng)的以生蒸汽為熱源的三效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-S）流程示意圖。經(jīng)過預(yù)處理的脫硫廢水分別經(jīng)過一效至三效蒸發(fā)后逐級濃縮；生蒸汽（壓強：0.5 MPa，溫度：151.9 ℃）由一效加入，每效包括加熱器與分離器，物料與生蒸汽或者上級過來的二次蒸汽在加熱器中換熱，然后進入分離器閃蒸，形成的二次蒸汽進入下一效。最后一效的二次蒸汽通過冷凝器冷凝成液態(tài)水后匯流至二次冷凝水罐。一效至三效蒸發(fā)器壓力分別為54 kPa、39 kPa、29 kPa。

基于煙氣驅(qū)動的低溫三效蒸發(fā)濃縮工藝流程（MEE-G），見圖3b。約50%的多效蒸發(fā)的冷凝液，經(jīng)除塵器出口低溫?zé)煔猓?32 ℃）加熱后，獲得90 ℃-97 ℃的飽和蒸汽作為一效蒸發(fā)器熱源。煙氣加熱器的熱量衡算，需要根據(jù)蒸發(fā)任務(wù)確定生蒸汽耗量進行計算。

1.2 MVR系統(tǒng)

對于MVR蒸發(fā)濃縮工藝來說，當處理高濃度含鹽廢水時，如果沸點升高值過大，則使得換熱器的有效傳熱溫差降低，從而造成壓縮機需要提高較高的溫度來克服沸點升高的影響，使得系統(tǒng)能耗過高。文獻認為：對于MVR蒸發(fā)系統(tǒng)，當溶液沸點升高超過15 ℃時，單級蒸汽壓縮機提升的二次蒸汽溫度不能維持蒸發(fā)過程中的有效傳熱溫差，需要采用二級MVR或分級壓縮系統(tǒng)。圖4給出了基于表1預(yù)處理后脫硫廢水水質(zhì)特性的含鹽溶液在不同蒸發(fā)溫度下沸點升高值變化規(guī)律?？芍舭l(fā)濃縮階段沸點升高值不到10 ℃，因此本文采用單級MVR系統(tǒng)（MVR-S），見圖5。

預(yù)處理后的脫硫廢水首先在凝結(jié)水預(yù)熱器和濃縮液預(yù)熱器中進行預(yù)熱，預(yù)熱后廢水與循環(huán)液一起進入蒸發(fā)器中，蒸發(fā)壓力取29 kPa。在蒸發(fā)器內(nèi)被壓縮蒸汽加熱，蒸發(fā)器產(chǎn)出的二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮至45 kPa，作為蒸發(fā)器熱源。壓縮機出口蒸汽一般為過熱蒸汽，不利于蒸發(fā)器中的換熱，因此在進入蒸發(fā)器前，引入少量冷凝水，用于消除蒸汽過熱度。與多效蒸發(fā)系統(tǒng)相比，MVR系統(tǒng)不需要二次蒸汽冷卻水系統(tǒng)。

1.3 耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)

對于單級MVR系統(tǒng)，壓縮機處理的蒸汽量為濃縮階段需要產(chǎn)出的全部二次蒸汽，且廢水沸點升高值較大，因此耗功較大。降低壓縮機功率的一個可行方法是：首先在較低濃度下對進料廢水進行預(yù)濃縮，然后再經(jīng)MVR進一步蒸發(fā)水分至設(shè)定濃度?？紤]到系統(tǒng)熱集成，采用兩個閃蒸罐和進料預(yù)熱器來降低系統(tǒng)能耗，設(shè)計了耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-MVR），見圖6。

預(yù)處理后的脫硫廢水經(jīng)預(yù)熱器被加熱至74 ℃，然后送入低壓蒸發(fā)器（60 kPa），產(chǎn)出的濃縮液送入高壓蒸發(fā)器（76 kPa），最終得到濃縮液送至結(jié)晶單元。設(shè)置了兩個閃蒸罐，用于回收部分蒸汽熱能。其中低壓蒸發(fā)器產(chǎn)出的二次蒸汽與來自閃蒸罐-2出口蒸汽混合后，經(jīng)壓縮機加壓升溫后（壓縮機出口壓力155 kPa），作為高壓蒸發(fā)器蒸發(fā)熱源；然后經(jīng)過閃蒸罐-1后回收部分蒸汽，與高壓蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽混合，作為低壓蒸發(fā)器的熱源。此外，進料預(yù)熱器熱源為閃蒸罐-2出口冷凝水。與單效MVR系統(tǒng)相比，壓縮機處理的蒸汽流量大大減小，盡管其壓比略有增加，但系統(tǒng)壓縮機功耗將會降低。

2 流程模擬及系統(tǒng)評價

2.1 系統(tǒng)模擬

以600 MW燃煤機組為例，脫硫廢水處理量取10 t/h。對預(yù)處理后脫硫廢水不同熱法蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，利用流程模擬軟件Aspen plus進行了流程模擬，獲得了熱法濃縮和分鹽結(jié)晶環(huán)節(jié)的物料和能量平衡。

預(yù)處理后的脫硫廢水屬于低硬度、高含鹽量的水體系，采用ELECNRTL物性模型模擬廢水的無機電解質(zhì)體系。系統(tǒng)流程中各單元功能模塊的選取參考文獻。

2.2 系統(tǒng)評價指標

本文提出的脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)的評價指標包括以下幾種：

1）單位能耗SEC（kJ/kg凝水）：蒸發(fā)量是1 kg時系統(tǒng)能耗；SEC =N/W；式中，N表示系統(tǒng)能耗，包括熱耗和電耗；W表示蒸發(fā)量；

2）系統(tǒng)能效系數(shù)COP：原料液蒸發(fā)結(jié)晶過程吸收的熱量和系統(tǒng)能耗之比；即：COP =Q/N；式中：Q表示蒸發(fā)器熱負荷；

3）節(jié)能率e：以傳統(tǒng)的以生蒸汽為熱源的三效蒸發(fā)系統(tǒng)為基準，其他系統(tǒng)相對基準系統(tǒng)的節(jié)能性。即：e=(SECre-SECob)/ SECre；式中，SECre表示基準系統(tǒng)的單位能耗；SECob表示其他系統(tǒng)的單位能耗。

對于多效蒸發(fā)系統(tǒng)、MVR系統(tǒng)等濃縮減量系統(tǒng)來說，各系統(tǒng)消耗的能源種類不同。比如：電力；蒸汽；煙氣熱能；因此需要客觀、科學(xué)的評價系統(tǒng)能耗。目前國內(nèi)外的能源統(tǒng)計與折算方法可歸納為3類：

1）熱值當量法：以能源所包含的熱量為指標，直接計算其能源“數(shù)量”大小，不考慮其品位高低；

2）等價值法或發(fā)電煤耗法：生產(chǎn)單位數(shù)量的二次能源或耗能工質(zhì)所消耗的各種能源折算成一次能源（比如：kg標煤）的數(shù)量。

3）等效電法：根據(jù)各種形式的能源轉(zhuǎn)換為電力時可能的最大轉(zhuǎn)換能力，把各種形式的能源同一轉(zhuǎn)換為等效電力。

2.3 結(jié)果及討論

表2為不同濃縮工藝的模擬計算結(jié)果。各方案性能計算結(jié)果均是在相同的進料流量、組分，相同的蒸發(fā)規(guī)模（9481 kg/h）和相同的結(jié)晶過程下模擬獲得。從表2和圖7中可以看出：

1）對于傳統(tǒng)的三效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-S）來說，需要生蒸汽耗量4551.7 kg/h，即單位蒸汽消耗量（單位蒸發(fā)量消耗的蒸汽量）為0.48，與文獻中給出的三效蒸發(fā)單位蒸汽消耗量經(jīng)驗值相符。三效蒸發(fā)系統(tǒng)的末效產(chǎn)生的二次蒸汽需要冷凝器冷凝，需要47904 kg/h冷凝水（假設(shè)冷凝水溫升為10 ℃）；

2）對于低溫?zé)煔怛?qū)動的三效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-G），其熱源為除塵器后的低溫?zé)煔?；在給定后脫硫廢水流量（10 m3/h）以及蒸發(fā)結(jié)晶過程需要的熱量，計算得到：煙氣加熱器負荷為3200 kW，產(chǎn)出生蒸汽（飽和溫度92 ℃）1.26 kg/s。以600 MW機組為例，BMCR工況下，煙氣標態(tài)體積流量為218萬m3/h，經(jīng)煙氣換熱器后，煙氣溫降5.5 ℃。文獻對某600 MW電廠煙氣“消白”工程進行了現(xiàn)場測試，結(jié)果表明：煙氣“消白”工程中的冷卻降溫對濕法脫硫（FGD）、濕式電除塵器（WESP）脫除SO3的影響很小，煙氣溫降與FGD、WESP、FGD+WESP對SO3的脫除效率之間沒有相關(guān)性。但MEE-G對電廠性能影響仍需進一步研究。

3）對于單級MVR系統(tǒng)（MVR-S），由于利用壓縮機對蒸發(fā)過程產(chǎn)出二次蒸汽加壓提質(zhì)，因此不需要消耗生蒸汽，同時也取消了冷凝器。與MEE-S相比，其單位能耗大幅度下降；當采用不同能耗折算方法時，系統(tǒng)節(jié)能率67.7%~94.9%；當采用熱值當量法計算時，節(jié)能率最高，但是這種折算方法沒有考慮電力和蒸汽的能量品位差異。

4）與MVR-S相比，由于在較低濃度下蒸發(fā)了部分進料水分（總蒸發(fā)量的40%左右），使得耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-MVR）壓縮機處理的蒸汽流量大幅度下降；此外利用閃蒸罐回收部分蒸汽能，相對于MVR-S，MEE-MVR系統(tǒng)的壓縮機功耗下降了30%左右；COP提高了24.5%。

3 經(jīng)濟性分析

基于Aspen Plus流程模擬，獲得了不同熱法除鹽系統(tǒng)的物質(zhì)和能量平衡數(shù)據(jù)，可用于系統(tǒng)經(jīng)濟性評估。

設(shè)備投資成本包括：直接成本和間接成本。其中直接成本Cd指主要設(shè)備購置費，比如：預(yù)熱器；蒸發(fā)器；泵；冷凝器；結(jié)晶器等，可以采用規(guī)模因子法進行計算。各設(shè)備的投資成本數(shù)據(jù)見文獻。間接成本Cid包括：預(yù)備費；工程費和監(jiān)理費用；建設(shè)承包合同費等。為了簡化起見，假設(shè)間接成本為直接成本的0.55，即：Cid=0.8Cd。總投資成本CTIC包括直接成本、間接成本和其他費用。其中，其他費用包括：啟動費；流動資金；專利及研發(fā)費和建設(shè)期利息。為了簡化計算，假設(shè)總投資成本CTIC=2（Cd+Cid）。

為了定量比較不同系統(tǒng)的經(jīng)濟性，本文計算了噸廢水的處理成本LCOW。噸廢水處理成本LCOW包括：投資成本Ccap和運行成本。年運行成本包括三部分：用電成本Cel；用蒸汽成本Cth；預(yù)處理成本（加藥成本）Cch和運行維護費用CO&M。其中用電成本、用蒸汽成本根據(jù)電和蒸汽單價及系統(tǒng)消耗量計算；加藥成本根據(jù)預(yù)處理加藥量和藥品單價計算；假設(shè)運行維護費用CO&M=3% Ccap。經(jīng)濟性分析關(guān)鍵參數(shù)見表3。

圖8描述了不同系統(tǒng)的噸廢水處理成本（LCOW）及其組成比較?？梢钥闯觯?/p>

1）傳統(tǒng)三效蒸發(fā)結(jié)晶工藝（MEE-S）的LCOW最高（52.0元/t），其中57%來自蒸汽成本；其次來自化學(xué)成本（36.2%）、電力成本（4.9%）；投資成本和運行維護成本最低，僅占2.1%；

2）如果采用低溫?zé)煔怛?qū)動的三效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-G），如果忽略低溫?zé)煔獬杀?，盡管投資成本相對于傳統(tǒng)三效蒸發(fā)系統(tǒng)增加了13.8%，但該系統(tǒng)的LCOW降至2.5元/t。其中化學(xué)成本占83.4%；電力成本占11.2%；

3）對于單級MVR系統(tǒng)（MVR-S），由于采用了比較昂貴的蒸汽再壓縮系統(tǒng)，其投資成本相對于MEE-S，增加了113%，但是LCOW（32.5元/t）仍低于MEE-S，原因在于：MVR-S系統(tǒng)的單位能耗相對于MEE-S系統(tǒng)，降低了83.7%；

4）與MVR-S相比，由于MEE-MVR的于壓縮機耗功較低，盡管增加了低壓蒸發(fā)器和閃蒸器等設(shè)備，但總投資下降了10%。此外由于單位能耗低于MVR-S系統(tǒng)，使得MEE-MVR系統(tǒng)的LCOW為30.2元/t，低于MVR-S系統(tǒng)，約為MEE-S系統(tǒng)的58.2%。

4 結(jié) 論

提出了三種脫硫廢水熱法零排放系統(tǒng)，以600 MW超臨界機組為例（廢水處理量10 m3/h），對不同系統(tǒng)進行了流程模擬和經(jīng)濟性分析。研究結(jié)果表明：

1）對于采用汽機抽汽作為熱源的三效蒸發(fā)濃縮工藝（MEE-S）來說，系統(tǒng)能耗為0.48 t蒸汽/t水；噸廢水成本52元，其中熱耗成本占57%；

2）如果采用低溫?zé)煔怛?qū)動的三效蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)（MEE-G），煙氣降溫5.5 ℃。相對于MEE-S系統(tǒng)，投資成本增加了13.8%，但能耗成本大幅度下降；

3）與MEE-S相比，單級MVR系統(tǒng)（MVR-S）能耗大幅度下降，但是投資成本增加113%；

4）對于耦合MVR的多效蒸發(fā)系統(tǒng)（MEE-MVR），盡管投資成本略高于MVR-S系統(tǒng)，但噸廢水成本低于MVR-S，約為MEE-S系統(tǒng)的58.2%。

作者簡介：安雪峰（1996-），男，河北衡水人，碩士研究生，從事熱力系統(tǒng)建模優(yōu)化研究。E-mail:anxf@ncepu.edu.cn;劉廣建（1977-），男，河南新鄉(xiāng)人，副教授，從事潔凈煤技術(shù)，熱力系統(tǒng)建模等研究。E-mail:liugj@ncepu.edu.cn;