火電廠含鹽廢水排放對環(huán)境污染嚴(yán)重，而單一常規(guī)的物理、化學(xué)、生物等水處理方法難以達(dá)到廢水水質(zhì)排放要求。本文根據(jù)火電廠水處理中存在的問題，結(jié)合國家對火電廠廢水零排放方面的***新政策，分析了燃煤電廠中含鹽廢水水質(zhì)特點(diǎn)，著重介紹了燃煤電廠處理含鹽廢水的幾種常用蒸發(fā)法以及蒸發(fā)結(jié)晶零排放技術(shù)，列舉了蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)在燃煤電廠廢水處理的應(yīng)用，指出了噴霧結(jié)晶技術(shù)處理含鹽廢水的優(yōu)勢，為火電廠含鹽廢水處理及零排放提供參考。
0 引言
我國淡水資源極其有限且分布不均，水環(huán)境污染嚴(yán)重。火電企業(yè)用水需求大且成本高，水正在成為影響火電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的主要因素。隨著《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推行環(huán)境污染第三方治理的意見》《水污染防治行動計(jì)劃》、《中國制造 2025》等一系列相關(guān)政策相繼出臺和實(shí)施，提高火電企業(yè)用水效率，實(shí)現(xiàn)水資源的梯級利用和廢水零排放，已經(jīng)成為火電企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。
電廠高含鹽廢水（總含鹽量>1%）主要來自脫硫廢水（燃煤電廠）和化學(xué)酸堿廢水，這些廢水含有以Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等為主的大量無機(jī)鹽，高含鹽廢水雖在全廠用水中占比不大，卻是制約電廠實(shí)現(xiàn)廢水零排放的主要因素，也是目前研究的熱點(diǎn)。近年來我國火電廠高含鹽廢水多是經(jīng)初步處理后直接排放，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和水資源浪費(fèi)，尋找技術(shù)穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保的廢水處理方法迫在眉睫。
1 電廠含鹽廢水蒸發(fā)處理技術(shù)
廢水處理方法多種多樣，圖 1 匯總了一些適用于處理高含鹽廢水的方法，主要包括蒸發(fā)法、膜法和冷凍法。
蒸發(fā)法指將含鹽水經(jīng)加熱、沸騰蒸發(fā)成水蒸氣，使鹽水不斷濃縮，含鹽水體積減小，溶質(zhì)濃度增大，進(jìn)而進(jìn)行含鹽水處理或結(jié)晶鹽回收的方法。
蒸發(fā)法是***早用于脫鹽處理的方法，也是目前火電廠處理含鹽廢水較為經(jīng)濟(jì)有效的辦法，其產(chǎn)生的冷凝水可以直接作為電廠鍋爐用水，也可以進(jìn)一步處理后直接飲用，而結(jié)晶鹽則可處理成工業(yè)鹽加以利用，實(shí)現(xiàn)零排放目的。
1.1 多級閃蒸
多級閃蒸（MSF）脫鹽技術(shù)由英國學(xué)者 Silver R S在 1957 年提出，其工藝流程如圖 2 所示。鹽水首先通過閃蒸室頂部的冷凝管束，在冷凝管束中被各級閃蒸室內(nèi)生成的逐漸升溫的蒸汽預(yù)熱，***后經(jīng)由鹽水加熱器加熱的蒸汽（汽輪機(jī)低壓抽汽[8]）加熱到***高溫度（90~115 ℃）后進(jìn)入***級閃蒸室。
由于閃蒸室中的壓力低于鹽水在該溫度下所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，鹽水迅速沸騰，直到溫度降到沸點(diǎn)。其中，一部分鹽水汽化，生成的蒸汽通過除霧器去除溶解的鹽類物質(zhì)后，在頂部的進(jìn)水冷凝管束表面冷凝，然后生成淡水被收集。未汽化的鹽水則流入下一級壓力較低的閃蒸室繼續(xù)上述過程。
MSF系統(tǒng)必須有一個真空裝置來去除不可冷凝氣體，并維持所需的負(fù)壓。
MSF 法常用于海水淡化、火電廠鍋爐供水、食品、化工、廢水治理等領(lǐng)域，在海水淡化領(lǐng)域已商業(yè)化應(yīng)用30 余年，淡水生產(chǎn)能力可達(dá)5 000~75 000 m³/d。
MSF 法很少單獨(dú)用于處理鹽水，常與膜法、多效蒸發(fā)技術(shù)等結(jié)合使用，以提高系統(tǒng)處理效果。MabroukA N 等設(shè)計(jì)的多級閃蒸和機(jī)械蒸汽壓縮相結(jié)合（MSF-MVR）脫鹽系統(tǒng)，通過視覺設(shè)計(jì)仿真（VDS）對系統(tǒng)不同工況的模擬，得出該系統(tǒng)的性能系數(shù)是傳統(tǒng) MSF 系統(tǒng)的 2.4 倍。
1.2 多效蒸發(fā)
多效蒸發(fā)（MED）系統(tǒng)由多個蒸發(fā)器串聯(lián)而成，其基本原理如圖 3 所示。前一效蒸發(fā)器蒸發(fā)所生成的二次蒸汽流進(jìn)下一效蒸發(fā)器作為鹽水的加熱熱源并被冷凝為蒸餾水，即后一效蒸發(fā)器充分利用了前一效蒸發(fā)器流出的二次蒸汽余熱，各效蒸發(fā)器的操作壓力、相應(yīng)加熱蒸汽溫度與溶液沸點(diǎn)依次降低。
低溫多效蒸發(fā)（LT-MED）操作溫度低，50~70 ℃的低品位蒸汽均可作為理想的熱源，可充分利用電廠的低溫廢熱，實(shí)現(xiàn)二次蒸汽的再利用，大大降低抽取背壓蒸汽對電廠發(fā)電的影響，減緩設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢，達(dá)到節(jié)能的目的。
MED 法***早應(yīng)用于海水淡化，近年來不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于果汁濃縮、造紙業(yè)和廢堿液回收等，淡水生產(chǎn)能力可達(dá) 40 000 m3/d。Dahdah TH 等基于上層建筑的概念提出低溫多效蒸餾-熱蒸汽壓縮（MED-TVC）作為傳統(tǒng) MED 的一種改進(jìn)，并利用 MED 裝置內(nèi)發(fā)生的閃蒸過程，確定了系統(tǒng)的***佳方案及***優(yōu)運(yùn)行條件；經(jīng)過案例驗(yàn)證，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)省了成本，適用于海水淡化工廠和具有海水淡化系統(tǒng)的電廠，并擴(kuò)展至混合熱力脫鹽裝置，在熱電聯(lián)產(chǎn)中展示了顯著的優(yōu)越性。
1.3 機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)
作為20 世紀(jì)90 年代末開發(fā)出來的新型高效節(jié)能蒸發(fā)技術(shù)，機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)（MVR）又可稱為熱泵技術(shù)，其基本原理是將蒸發(fā)器中原本需要用冷卻水冷凝的二次蒸汽，經(jīng)壓縮風(fēng)機(jī)提高其壓力和飽和溫度，增加其熱焓，然后再送入蒸發(fā)器加熱室作為熱源加熱料液，其基本原理如圖 4 所示。大多數(shù) MVR 裝置生產(chǎn)能力約 500 m³/d，同傳統(tǒng) MED 相比，二次蒸汽的潛熱得到了充分利用，節(jié)能 50%。
我國 MVR 技術(shù)的相關(guān)研究雖起步較晚，但已成為國家重點(diǎn)推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)之一，在濃縮制鹽、化工污水處理、食品工業(yè)、制藥（維生素等）、廢水處理（含鹽廢水、含重金屬廢水等）等領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用運(yùn)行良好。
毛彥霞進(jìn)行了內(nèi)置式 MVR中試裝置處理不同含鹽量的單污染物模擬廢水、模擬 RO 濃水和模擬脫硫廢水的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其處理 1 t 原水、RO 濃水原水、脫硫廢水原水的平均能耗分別為 23.3、23.0、23.5 kW·h，***高水回收率達(dá)91.2%，證明該裝置基本可行。為了盡早實(shí)現(xiàn) MVR技術(shù)在高鹽有機(jī)廢水零排放領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，我國科研人員還需在 MVR 設(shè)備國產(chǎn)化和操作條件優(yōu)化等方面深入開展研究工作，以降低設(shè)備成本。
1.4 噴霧蒸發(fā)
噴霧蒸發(fā)（SED）是近期發(fā)展起來的一項(xiàng)新的非常規(guī)強(qiáng)化蒸發(fā)脫鹽技術(shù)，屬于增濕-除濕技術(shù)的一種，其原理是依據(jù)雙流體霧化原理使?jié)恹}水在熱空氣中霧化并迅速蒸發(fā)，在相變過程中實(shí)現(xiàn)固液分離。
SED 可充分利用廢熱廢氣，水回收率高達(dá)90%以上，可直接形成鹽晶，實(shí)現(xiàn)零排放。閃蒸是噴霧蒸發(fā)的常見蒸發(fā)形式。
趙子競通過進(jìn)行液滴蒸發(fā)零維模型的 MATLAB 模擬、Fluent 離散相三維模型仿真及相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出當(dāng)空氣初始溫度為 90 ℃、噴霧溫度為 20 ℃、氣液體積比為 45 000時(shí)，直徑為 0.1 mm 的霧滴在 1.29 s 內(nèi)完全蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了零排放，此時(shí)空氣相對濕度為 78 %，而當(dāng)氣液體積比降至 40 000、液滴直徑降至 0.0 367 mm 時(shí)達(dá)到氣液平衡，空氣處于飽和狀態(tài)。此外，某大學(xué)設(shè)計(jì)的噴霧蒸發(fā)技術(shù)設(shè)備可以把146 790 mg/L的高質(zhì)量濃度鹽水濃縮為 351 880 mg/L，技術(shù)性能穩(wěn)定。
SED 法在食品、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在廢水處理中應(yīng)用較少。在國內(nèi)，蒸發(fā)塘利用機(jī)械SED技術(shù)，大大增加了蒸發(fā)速度，減小了蒸發(fā)塘面積。燃煤電廠針對濕法脫硫廢水的特點(diǎn)，通常結(jié)合爐后煙風(fēng)系統(tǒng)配置，基于噴霧干燥原理，利用鍋爐尾部煙氣余熱使煙道內(nèi)脫硫廢水迅速完成噴霧蒸發(fā)，溶解物迅速結(jié)晶并被除塵器捕集，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的近零排放。
SED 法與傳統(tǒng)的 RO、MSF、MED 等方法聯(lián)合運(yùn)用，可以大大增加高鹽廢水的濃縮率，提高整個脫鹽系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。
1.5 蒸發(fā)法技術(shù)比較
MED、MSF、MVR、SED 幾種主要蒸發(fā)法在節(jié)能性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性及規(guī)模和預(yù)處理要求方面的比較見表 1。
相比 MSF、MED 和 MVR 等常規(guī)的含鹽廢水處理方法，SED 具有裝置操作靈活、預(yù)處理簡單、不易結(jié)垢及環(huán)保性良好等優(yōu)點(diǎn)，適于處理較高鹽度含鹽廢水，且脫鹽效率高，鹽分甚至可以完全結(jié)晶，經(jīng)濟(jì)性好、節(jié)能效果顯著，能克服常規(guī)處理方法的缺點(diǎn)，具有較大的研究價(jià)值。但是，含鹽廢水的復(fù)雜性使得單一技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對含鹽廢水的高效節(jié)能處理，因此，技術(shù)集成優(yōu)化是火電廠含鹽廢水處理技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。
2 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)及應(yīng)用案例
2.1 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)
蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)路線一般為“預(yù)處理單元”+“減量濃縮單元”+“蒸發(fā)結(jié)晶單元”，廢水必須經(jīng)相應(yīng)預(yù)處理再送入蒸發(fā)結(jié)晶單元，若直接采用蒸發(fā)的方法處理，勢必會消耗大量蒸汽和電力。
蒸發(fā)結(jié)晶單元是整個脫硫廢水零排放系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括前面所述各種蒸發(fā)法及噴霧干燥/結(jié)晶等，其本質(zhì)均為通過末端廢水的物理性蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)鹽與水的分離。
圖 5給出了8 個利用蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)實(shí)現(xiàn)零排放的較常用工藝，即：預(yù)處理+MVC 濃縮+MVC 結(jié)晶、預(yù)處理+多級預(yù)熱+多效蒸發(fā)（MED）+結(jié)晶、預(yù)處理+高壓反滲透+MVC 蒸發(fā)+MVC 結(jié)晶、預(yù)處理+膜濃縮+正滲透+機(jī)械蒸發(fā)（MVC）結(jié)晶、預(yù)處理+MVC 蒸發(fā)+三效混流強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶、預(yù)處理+MED 結(jié)晶、Na2CO3 軟化+多效立管降膜蒸發(fā)+結(jié)晶、臥管噴淋薄膜蒸發(fā)+結(jié)晶。
蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)是一種有效的脫鹽技術(shù)，但其投資及運(yùn)行成本較高，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求，在現(xiàn)場開展中試工作，確定合適的蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)應(yīng)為今后火電廠廢水處理的重中之重。
2.2 蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)應(yīng)用案例
目前國內(nèi)已有十幾家火電廠運(yùn)用不同的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了含鹽廢水零排放，典型案例及應(yīng)用效果見表 2。
由表 2 可知，這幾家電廠采用的末端蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)為多效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶或機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶，雖然從不同程度上實(shí)現(xiàn)了零排放，但仍存在經(jīng)濟(jì)投資大、結(jié)晶鹽是雜鹽等問題。
因此，尋找能夠商業(yè)化應(yīng)用的火電廠含鹽廢水零排放普適技術(shù)成為火電廠當(dāng)前急需解決的首要問題。
3 結(jié)語
蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)通過預(yù)處理改善廢水水質(zhì)，減少取排水水量，提高循環(huán)水濃縮效果，減少高鹽廢水量，***終實(shí)現(xiàn)電廠含鹽廢水零排放。但國內(nèi)真正實(shí)現(xiàn)零排放的電廠很少，而且都集中在燃煤電廠，燃?xì)怆姀S還沒有相關(guān)零排放項(xiàng)目實(shí)施，技術(shù)、投資、運(yùn)行成本均是制約零排放實(shí)施的重要因素。
噴霧蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)作為處理含鹽廢水較節(jié)能經(jīng)濟(jì)有效的新方法，具有較大的發(fā)展前景。燃?xì)怆姀S的壓縮空氣具有較大的壓力能，若能加以利用，通過噴霧蒸發(fā)輔助霧化濃鹽水，則對電廠含鹽廢水處理將會是一個新的飛躍。
根據(jù)火電廠含鹽廢水處理現(xiàn)狀，結(jié)合火電廠現(xiàn)有熱源，借鑒其他領(lǐng)域的成熟技術(shù)，對現(xiàn)有火電廠含鹽廢水處理技術(shù)進(jìn)行改造是現(xiàn)階段處理電廠含鹽廢水的一種思路，如海水淡化、濃鹽水煙氣脫硫、洗煤等均是對含鹽廢水綜合利用的有益探索。
