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摘要：中国是一个“多煤、少油、少气”的国家，煤炭在我国石化能源结构中的比例高达76%。随着我国经济快速发展，能源需求不断加大。我国的煤炭生产和消费快速增加，煤炭生产和消费量均超过了全世界的一半以上。煤炭消费迅速提升带来了严重的环保问题，燃煤发电在整个发电行业内占比超过了70%。而绝大多数的燃煤电厂采用“石灰石-石膏湿法脱硫工艺”对烟气进行脱硫。随着国家环保要求日益严苛，脱硫废水因其含有高浓度的重金属离子而引起人们的高度重视。当前，我国脱硫废水零排放技术路线呈多样化发展，但技术工艺各有优缺点，常规脱硫废水零排放系统具有系统复杂、工程投资大、设备运行维护工作量大和运行维护费用高等缺点。本文通过对当前国内主流脱硫废水零排放技术工艺存在的优缺点进行分析并加以创新，设计一套全新的无人值守型脱硫废水处理系统模型，充分利用烟气余热，化解火电厂脱硫废水处理成本居高不下，环保投资成本无法回收的难题。并对本系统及其所包含的技术的应用前景进行展望，对整体系统的技术和经济指标进行评价。
关键词：脱硫废水；零排放；设计；研究
中国是一个“多煤、少油、少气”的国家，煤炭在我国石化能源结构中的比例高达76%。随着我国经济快速发展，能源需求不断加大。我国的煤炭生产和消费快速增加，煤炭生产和消费量均超过了全世界的一半以上。煤炭消费迅速提升带来了严重的环保问题。
随着社会经济发展和人们生活水平不断提高，国人对绿色环保的生活质量诉求越来越强烈。我国对SO2排放越来越严苛，所有燃煤火电厂必须上脱硫脱硝装置且达标排放，否则轻者罚款，重者停产。脱硫废水由于其重金属盐分含量高，处理难度大等原因，越来越引起人们的关注。当前我国脱硫废水零排放技术路线呈多样化发展，目前较成熟的脱硫废水零排放工艺包括以“预处理”、膜系统浓缩、反渗透过滤、立式降膜MVR蒸发器蒸发结晶等为核心的处理工艺段组合。废水处理单位投资成本在200-350万元/吨水，单位运行成本在30-120元/吨水。该系统具有系统复杂、工程投资大、设备运行维护工作量大和运行维护费用高等缺点，在机组年利用小时数持续下降，投资成本不断提升，电价长期持续在低位运行的大环境下，脱硫废水处理投资对于大多数电厂来说，是一个很大的环保负担。
目前，从国外兴起一种高温烟道蒸发处理工艺。其基本热力学原理是脱硫废水在高温烟气的加热下蒸发，再由电除尘将蒸发后的的固体颗粒收集起来，并随着粉煤灰一起处置。该废水处理方法在欧美等发达国家拥有很多应用案例，其具有整体运行成本低廉，设备系统简单易操作等优点。在电厂改造时需要新增设备较少。但是尾部烟道腐蚀和电除尘存在结焦问题仍未得到很好的解决。
为了克服当前国内主流脱硫废水零排放技术工艺存在的弊端，本文将高温烟道蒸发处理工艺进行一系列的改进。在尾部烟道安装烟气加热器，再由加热器来加热脱硫废水，在特定的装置内，脱硫废水吸热蒸发，废水中重金属等杂质在装置底部结晶沉淀。从而即达到废水处理的目的，又克服了常规高温烟气蒸发脱硫废水处理工艺的缺陷。
1.12t/h真空蒸发凝结式脱硫废水处理系统设计
12t/h真空蒸发凝结脱硫废水处理系统主要是针对2×350MW超临界机组脱硫废水处理而设计的系统。主要由真空蒸发凝结式装置、冷却器及冷却水系统、烟气余热加热器、热水管道循环泵、真空泵、澄清水补水泵以及附属的管道阀门等设备构成。其系统原理图如下图：
1.1烟气余热加热器
燃煤电厂烟气余热加热器高温段布置在电除尘前的高温尾部烟道上，加热器出水温度一般在100至120℃，此热量品质较高，一般都用于加热凝结水，以提升机组整体效率。烟气余热加热器低温段一般布置在引风机出口脱硫装置入口前部。加热器出口水温为75至95℃。此热量品质相对较低，性价比不高，仅少数电厂将其用于加热锅炉送风。为了最大限度的利用烟气余热热源。本文拟采用烟气余热加热器低温段作为真空蒸发凝结式脱硫废水处理系统的热源。
1.2吸放热量及流量计算
以新疆伊犁煤电一期工程为例，其平均脱硫废水产量为7t/h，设计最大废水流量为12t/h。为满足机组脱硫废水处理要求，真空蒸发凝结式水处理装置废水处理量（L）按12t/h设计。为了降低整体装置真空泵耗电量。和装置运行的经济性，真空蒸发凝结式水处理装置内绝对压力选择9.58kPa为其正常维持压力。该压力对应水的汽化吸热值（q）为2389.5kj/kg、废水蒸发总吸热量（Q1）和热功率（W）分别为：
Q1=q×L=12×1000×2389.5=2.867×107KJ/h
W=Q1&pide;t=2.867×107&pide;3600=7.96×103KW
烟气余热加热器低温段出口温度（t1）为85℃。设计废水处理加热器冷热端差为5℃，即：加热器出水温度（t2）为50℃。每吨热水放热量（Q2）：
Q2=C（t1-t2）=4.2×1000×（85-50）=1.47×105KJ
需锅炉烟气余热利用低能段加热热水量（L1）为：
L1=2.867×107&pide;1.47×105=195t/h。
伊犁电厂一台锅炉烟气余热加热器低温段出水温度为90至123℃，出水流量为280至370t/h（如下表）满足本文设计的真空蒸发凝结式废水处理系统的用热需求。
1.3真空蒸发凝结式脱硫废水处理装置
按照新型脱硫废水零排放模型，充分结合伊犁电厂2×350MW高背压供热项目实际，设计一整套脱硫废水处理系统。并按照戴明环的品质提升方法，持续对该新型脱硫废水零排放系统进行持续改进和优化。重点对：脱硫废水处理装置的容器容积、底部加热器、凝结器管束、地源冷却器、设备基础和烟气余热利用系统等进行细致的研究和优化。使该脱硫废水零排放系统更使用更经济，形成一个相对完备的的新型脱硫废水零排放系统。真空蒸发凝结式废水处理系统关键设备是废水蒸发器和蒸汽凝结器。其工作原理是：脱硫废水在蒸发器中蒸发吸热，在凝结器中凝结放热。由于热源为低品质热源，这个过程需要在绝对压力为9.58kPa左右进行，两套设备公用一套真空设备。为了节省设备空间，减小因联通管道过长造成真空损失和漏气风险，本文对这两套设备进行合体设计，其系统原理模型如右图所示：
该装置顶部为截面为正八边的近似圆环状的凝结器，底部为蒸发器中间由隔热的挡水板和蒸汽洁净器隔离。防止凝结水与废水再次混合。浓缩的废水携带固体颗粒由下降管进入沉淀池沉淀，澄清水再由水泵抽至蒸发器内蒸发。
该装置的下降管浸入到与大气联通的沉淀池液位下，装置内水位由装置上部的真空度和外部环境大气压共同决定。系统正常运转时，通过真空泵控制装置上部的真空度，实现对装置内废水水位控制。
1.3.1顶部凝结器设计优化：该装置顶部为截面为正八边的近似圆环状的凝结器，凝结器与蒸发器之间设计一个环形上挑30°的隔热隔离板和蒸汽洁净器隔离。防止凝结水与废水再次混合。隔离板顶部与容器壳内四周壁之间形成凝结水收集水沟槽。常规环形的进水集箱、出水集箱和凝结器管束也能加工制作，但由于设备安装在高位。安装和检修维护存在一定难度。因此需将顶部凝结器进行模块化设计，以方便设备的加工制作、安装调试和检修维护。我们知道正多边形边越多越接近圆形。为了方便模块化本文选用正八边形作为设计凝结器水平截面的外形。由于凝结器水平截面整体成环形。外环形用大八边形代替，内环形用小八边形代替。大八边形一条边和小八边形的一条边组成截面正梯形的上下底，环形内外圆半径差作为截面正梯形的高。八个块化小凝结器入口和出口集箱均采用正梯形截面。
1.3.2底部加热器的优化设计：垂直布置的管道，由于重力作用，管道上不容易积灰。因此，本文在底部加热器优化设计时，调整加热管束布置设计思路，将加热管束进行垂直布置。垂直布置的加热器管束，可以大大缓解了管束上沉积物沉淀。但是可以预见到加热管束与热水入口联箱处的导流管束仍会存在积灰现象。但整体上不影响加热器换热以及装置的长期持续运行。
1.3.3加热器底部漏斗和下降管设计在热源一定情况下，废水处理装置容器内的液体体积越大，吸热惯性越大，液体向四周散热量越大。这不利于容器中液体的汽化。因此装置优化设计时，需尽可能减少被蒸发液体的体积，减少整个发生装置的容积。容积越小，蒸发装置的热惯性越小，越有利于装置内脱硫废水的蒸发。再者装置容积变小，设备所使用的钢材量越少，容器内液体的重量也约小。这对降低整套脱硫废水处理设备材料投入和下部基础工程造价具有重要意义。
该装置的下降管浸入到与大气联通的沉淀池液位下，装置内水位由装置上部的真空度和外部环境大气压共同决定。系统正常运转时，通过真空泵控制装置上部的真空度，实现对装置内废水水位控制。
2.能耗指标情况：
蒸发凝结废水处理装置筒壁、加热管束和凝结管束均进行轻型化、模块化等优化设计，更方便机械加工、设备安装和检修维护，占地面积节省效果明显。其主要能耗指标如下：
2.1热能能耗指标：
本系统所需热能取自烟气尾部低品质余热，是众多电厂废弃的废热。
2.2电能能耗指标：
经计算，本系统主要耗电设备有：真空泵1.5kw，澄清水泵5.5kw，凝结器冷却水泵78kw，热水循环管道泵30kw。总功率为105kw。处理一吨废水耗电8.75kw.h。能耗指标优于其他常规脱硫废水处理系统。
2.3用水指标：
本装置加热器内的水为闭式循环水，投运需用部分除盐水，正常运行基本不用补水。冷却水使用间冷塔冷却的闭式循环冷却水。因此本装置用水指标基本为零。而且正常运行后可生产12t/h高品质蒸馏水。
烟气余热加热器投用后，脱硫入口温度由105℃降至77℃。即不影响脱硫装置的最佳工作温度（65℃以上），又避免脱硫装置中水份的流失，每年节约脱硫用水120000t。
3.真空蒸发凝结式废水处理系统经济指标：
3.1工程造价：
按照2017年我国材料物价和社会平均人工水平估算，本文为伊犁煤电有限公司设计的真空蒸发凝结式脱硫废水处理系统整体工程造价直接费约为1000万，较常规脱硫费处理系统节省1500万，其中：
真空凝结蒸发式废水处理装置本体设备（不含技术专利费）200万；冷却器及系统180万；电线电缆管道阀门及控制系统130万元；烟气余热低温段加热器及循环水系统360万，土建费用130万元。
3.2污水吨水耗能指标：
刨除烟气余热利用热能价值，本文设计的真空蒸发凝结式脱硫废水处理系统每吨污水处理耗电约8.75kw.h/t。按照新疆地区上网标杆电价0.263元/千瓦.时（实际伊犁煤电公司上网电价为0.19元/千瓦.时）计算，本系统吨水处理能耗成本为：2.30元/吨水。较常规脱硫废水零排放处理单位运行成本30-120元/吨水低。本系统能耗和运行成本指标与常规脱硫废水处理相比，具有较大优势。
4.真空蒸发凝结式废水处理系统应用前景
本系统是针对两台35万供热机组的脱硫废水零排放而研究开发的一套解决方案。该方案应具有较为广泛的应用前景：应用于其他火电厂的脱硫废水零排放处理系统，我国火电厂脱硫技术工艺多采用湿法脱硫，真空蒸发凝结废水处理系统具有造价低、整体能耗低和余热利用优势，其能够充分利用烟气余热和冷源（地源冷却器）。所产蒸馏水可部分替代锅炉补给水，降低化学水处理成本。本系统投资3.5年内回收成本，即解决脱硫废水环保问题，又不构成企业成本负担，市场应用前景广阔。
4.1利用锅炉烟气余热处理废水获得更多的蒸馏水：
针对新疆伊犁电厂的真空蒸发凝结废水处理系统，使用低品质热能来自于一台锅炉烟气余热，并未全部利用。因此另一台锅炉烟气余热可通过同样的系统处理其他工业废水，以生产优质蒸馏水，部分替代化学水处理车间来的锅炉补给水。可有效降低整个电厂生产成本和耗水率。
4.2本装置与真空管太阳能系统结合使用，可用于海水淡化：
目前，市面上真空管太阳能热水器在出水温度76℃时，太阳能利用效率约为50%。在淡水资源相对缺乏的沿海地区，利用大海边乱石滩涂或盐碱地上建设一套真空管太阳能热水器系统与本文设计的真空蒸发凝结式水处理系统配套使用，可有效实现海水淡化和海盐提取，解决海边居民淡水缺少问题。按照市电0.56元/kw.h，本装置单位淡化用能成本约4.9元/t，淡水获得价格处于较低水平。
5.结束语
目前，我国环保政策日益严苛，几乎所有电厂均上马脱硫系统，而绝大多数的燃煤电厂是采用“石灰石-石膏湿法脱硫工艺”对烟气进行处理。目前我国脱硫废水零排放技术路线处于多样化发展阶段，脱硫水废水零排放处理工艺仍不十分成熟，切造价昂贵。本文论述了一种新型脱硫废水处理新工艺，可为当前脱硫废水处理难题提供一种新型解决方案。
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