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1概 当前，我国废水排放标准的要求日益严格，尤其是颁布的《水污染防治行动计划》“水十条”，更是将水环境保护上升到了国家战略层面。火电作为用水、排水大户，用水占工业总量的20%，从经济运行和保护环境出发，节约发电用水，提高循环水的重复利用率，实现火电厂废水“零排放”意义重大。 2零排放系统及技术 目前市场通用零排放技术均采用“预处理单元+减量浓缩单元+固化单元”技术系统，各单元设计彼此相辅相成，其目的在于满足各自系统的工艺边界条件要求，继而实现整套零排放系统的稳定可靠运行。 预处理单元主要去除重金属和硬度离子，符合后续减量浓缩单元设计要求，目前主要采用二级软化沉淀法，同时根据水质等不同，辅以重金属去除剂和过滤等装置。 减量浓缩单元设计则根据后续固化单元水量，确定减量浓缩单元出力要求。目前主要为膜浓缩和热蒸发两种处理工艺。常用的膜浓缩处理工艺有反渗透、正渗透、电渗析和膜蒸馏等工艺，热蒸发浓缩工艺有MED、MVR等工艺；其中膜浓缩后含盐量8-12%，而热法浓缩可至20%，但膜法的整体经济性和成熟度均较好。 固化单元是整个脱硫废水“零排放”系统的关键，主要包括蒸汽蒸发结晶法和尾部烟气蒸发干燥法，前者在化工行业使用较为普遍，其结晶盐分为杂盐和分盐两种；后者是耦合燃煤电厂特有的烟气系统开发而成，其又分为高温烟气蒸发干燥和低温烟气蒸发干燥两种；高温烟气则取自脱硝后空预器前约300℃左右烟气，低温烟气则取自空预器后除尘前约100-120℃烟气。 笔者认为目前燃煤电厂脱硫废水零排放系统设计关键在于如何针对一厂一水的特质进行充分数据摸底、小试分析，并充分考虑以上各单元工艺本身对水质的边界要求，做到科学合理、严谨周详；此外，结合电厂实际经济条件以及结晶盐处理处置规定等，在实现废水零排放的同时，不给电厂及周边带来新增环保和经济压力。 3技术应用案例 笔者所在大唐集团公司一直重视废水治理相关工作，为积极响应国务院《水污染防治行动计划》及相关法律法规的要求，于2016年确定集团旗下山西阳城电厂作为试点脱硫废水零排放项目。 该厂一期工程总装机6×350 MW燃煤发电机组，二期工程为2×600MW机组，全厂8台炉均采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术，共有2套湿法脱硫废水处理三联箱系统。2016年5月大唐集团对该厂全厂水平衡进行重新摸底测试，依据本次测试后各系统水质水量，2016年8月进行可研方案评审工作，其最终批复结论为全厂遵循“雨污分离、清污分离；分类回收、分质回用”的原则，终端脱硫废水采用预处理+膜减量+烟气蒸发零排放技术。 鉴于是集团内第一套废水零排放项目，经各方共同研讨，确定先抽取2t/h脱硫废水进行中试验证，并于5号机组空预器B侧进行烟气蒸发，通过中试优化方案设计，提高系统稳定性并核算投资运行性价比。 2017年1月-3月各系统设计进入实验室小试阶段，后进入现场中试搭建，6月进行单体及系统调试，7月2日装置投运，7月11日进入168试运行，7月17日168顺利通过并签署验收文件，后连续运行近3个月并完成第三方性能测试。 3.1 设计依据 根据现场水平衡及水质水量分析报告，阳城电厂脱硫废水水质情况如下： 表1 阳城电厂脱硫废水水质情况 由表1水质情况结果可知，该厂脱硫废水具有高硬度、高含盐等特性，水质较为恶劣，尤其镁离子已达20000mg/L左右，硫酸根大于50000 mg/L，因此，其零排放处理难度较大，优化经济成本具有一定挑战性。 3.2 设计思路 自项目开展后，笔者所在零排放团队陆续进入实验室小试阶段，分别围绕预处理系统、膜浓缩系统、烟气蒸发系统等三方面进行。 3.2.1 预处理系统 因水质中高钙高镁成分，决定采用两级软化、分步过滤，保证后续减量和蒸发系统稳定可靠运行。软化药剂分别选用石灰乳、液碱、纯碱，先后对加药量、药品配比、污泥沉降比以及配药方式、药剂浓度等进行实验记录，最终选择在一级软化中使用一定比例的石灰乳溶液和液碱组合药品，二级软化中投加一定浓度纯碱，并根据各级软化出水最佳水质边界参数，保证软化效果和经济成本，同时满足后续系统水质要求。 3.2.2 过滤浓缩系统 该系统可选择的工艺组合较多，因此实验室小试阶段试用了多种工艺，经比选最终确定选用管式微滤取代传统澄清超滤方式，即二级软化后出水进入管式微滤，再进海水淡化反渗透膜进行浓缩减量。如此工艺链更简洁，节省初期投资和占地，运行费用也将更经济。 3.2.3 烟气蒸发系统 该系统在搭建的实验室小型烟气蒸发器中进行，通过计算机数值模拟确定温度、水量、流速、压力等各参数，根据小试结果，对喷嘴选型、布置、气液比、雾化粒径、蒸发器尺寸以及其他关键参数进行逐一确定，保证各工况下无结垢、无堵塞、无挂壁等现象，达到稳定运行的同时对上下游其他系统和设备无不良影响。 根据小试实验系统优化结论，最终现场中试方案明确流程如下： 图1 中试方案流程图 3.3 设计创新点 （1）动态平衡自循环预处理 脱硫废水零排放技术最终必须实现零液态排放，因此，笔者认为减少自身系统额外补水量是关键优化点之一。本项目提出动态平衡自循环预处理技术，充分提高药剂使用率，降低系统新增用水量和额外负担，节约预处理药剂及运行费用。经过最终现场运行论证，使用动态平衡自循环技术，预处理系统用水量可减少80%，同时淡水回收率可提高12.5%，药剂费用节约50%以上。 （2）管式微滤替代传统过滤 管式微滤膜（TMF）作为是一种新型膜法预处理工艺，近几年在高硬度废水软化处理方面崭露头角。由于脱硫废水软化过程中产生氢氧化镁等细小晶体，其沉降缓慢、过滤性能差，若采用传统沉淀-过滤-超滤处理工艺，则流程长、设备多，沉降慢，初期投资和占地大，后期运行维护繁复等。本项目采用管式微滤系统，软化系统无需经澄清器、过滤器、超滤等处理设施，可直接进入微滤系统，产水排放一步到位。与传统沉淀-多介质过滤-超滤组合相比，管式微滤可自动开/停机，瞬时完成高效过滤，且无需投加聚丙酰胺等助凝剂，减少化学药剂费用，工艺流程简约，系统占地小，初期投资省，运行维护方便，特别适合技改和特许运营类项目。 （3）程控化高温旁路蒸发系统 利用空预器前高温烟气（300 ℃左右）热量蒸发末端浓水，以保证整个气液换热效率高，1秒内达100%彻底蒸干，避免因蒸发不完全结垢、挂壁或粉煤灰品质受限等负面影响；蒸发后烟气仍然回至空余器出口，保持与原系统烟温基本一致，对下游设备和系统无不良影响； 旁路系统设置能更好地与主机组分开，同时设有隔离挡板门和调节阀，与机组负荷保持动态同步调整，满足不同负荷下废水高效蒸发需求；此外，本次蒸发系统还设置有自清灰装置，保证内部无挂壁现象，方便安全稳定运行；内设双流体喷嘴，利用带压空气将末端废水喷入旁路蒸发器中，废水经充分雾化，粒径保持在50 μm左右，大比表面与热烟气接触，达到彻底蒸干效果。 整套系统采用一键启停模式，运行参数、设备状况远程监控，全自动动态调整控制系统，设置预警反馈机制，提高自控化程度和缺陷发现处理能力。 3.4 技术性能对比 表2 与其他烟气蒸发技术对比 4项目总结 本项目经严格水平衡测试、小试优化测试后组建的中试系统，技术严谨可靠，参数真实可信，为后续工程化应用和系统稳定运行起到科学性指导作用，为各电厂选择废水零排放技术路线提供真实的专业化建议。 4.1 性能效果 （1）完全实现脱硫废水零排放，所有离开电厂的脱硫废水都以蒸汽的形式蒸发到大气中或以少量的水分包入粉煤灰中； （2）膜减量单元淡水回收率达60%，淡水水质完全符合电厂循环冷却水标准，亦可用于电厂其他用水点补水； （3）实现高硬度脱硫废水低成本零排放，投资和运行费用比同水量蒸发结晶技术节省50%以上； （4）对锅炉热效率及供电煤耗影响微小，对后续系统设备无不利影响，不影响粉煤灰综合利用。 4.2 经济效益 表4 经济效益分析表 4.3 环保效益
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