在废水零排放的要求下，许多电厂将排污水、反渗透浓水和化水车间排水等作为脱硫工艺用水，使得脱硫废水成为电厂终端废水，脱硫废水具有水质复杂、波动大且有害成分高等特点，脱硫废水零排放是实现全厂废水零排放的关键[1]。旋转喷雾蒸发技术利用部分空气预热器(以下简称空预器)前300 ℃以上的高温烟气作为热源，蒸发雾化废水液滴以实现废水零排放。这项技术具有投运成本低、运维方便和不影响主烟气系统等优势，已成为当今我国燃煤电厂脱硫废水零排放的主流技术[2-5]。

旋转喷雾蒸发技术需要抽取空预器前部分热烟气，将导致机组煤耗增大，在燃煤价格上涨的大背景下不利于机组经济运行，特别是对于废水量较大的机组。因此，对废水进行浓缩减量有利于降低处理量，提高运行经济性，常用浓缩手段包括膜法浓缩和热法浓缩技术，其中热法浓缩技术如低温多效闪蒸和低温烟气蒸发浓缩已有工程应用，浓缩倍率可达5～10倍。在高浓缩倍率情况下，脱硫废水物化性质发生较大变化，根据文献[6]～文献[8]中有关脱硫废水浓缩过程水质变化的试验及工程测试，经过浓缩后的废水会结晶析出固相，这可能对雾化蒸发以及蒸发产物的处置造成影响。现有工程示范中废水溶解性固体(TDS)含量多在100 000 mg/L以内，不溶性固体(SS)质量分数也在5%以内，处于浓缩倍率较低的水平，而针对高浓缩倍率废水蒸发特性及产物特征的相关报道较少。

笔者基于旋转喷雾蒸发试验平台，研究旋转喷雾蒸发工艺对浓缩废水的适应性以及工艺参数对蒸发特性的影响，最后分析水质变化对蒸发产物组分、形貌及物化性质的影响规律，从而为“浓缩减量+高温干燥”的新型脱硫废水零排放组合工艺的工程应用提供理论支撑。

1、试验方法

1.1 脱硫废水

本试验采用三类脱硫废水进行喷雾蒸发试验。废水A属于普通废水，取自某电厂三联箱后缓冲池；废水B、C属于浓缩废水，其中废水B浓缩倍率接近4,而废水C浓缩倍率接近8,分别取自某电厂低温多效闪蒸浓缩单元出口，基本物性如表1所示。其中废水阴阳离子含量由ICS-2100离子色谱仪和Thermo Scientific iCAP PRO XP ICP-OE电感耦合等离子体发射光谱仪测得，pH值由S8-Meter便携式pH仪测得，黏度μ由DVPlus黏度计测定。随着脱硫废水浓缩比增大，其黏度近似线性增大。

表1 废水基本水质参数

1.2 旋转喷雾蒸发试验

脱硫废水旋转喷雾蒸发试验平台如图1所示，旋转喷雾蒸发塔高6 m, 塔径为1.6 m, 在塔顶部采用LPG-50型旋转雾化器雾化脱硫废水，雾化盘直径为120 mm, 雾化盘通道数量为8,通道高度为9 mm。浓缩液与经过烟气分布器的高温烟气同向并流朝下运动，通过在热空气中添加适量粉煤灰颗粒生成与实际电厂热物性类似的热烟气，塔出口烟气经增压风机流经洗气塔，含尘废气被净化，从而控制排放。从旋转喷雾蒸发塔顶端到底端沿程设置多个温湿度测点，分别记为1～6,沿程测点间距为0.8 m, 测点1距离塔顶1.5 m, 入口、出口烟道测点分别标记为0和7,具体位置见图1(b),采用HMS545P烟气水分仪测量沿程烟气水汽含量，采用WRP-130热电偶监控沿程温度变化，塔出口另设烟尘采样点。利用WJ-60B自动烟尘(气)采样器采集塔出口烟尘，由玻璃纤维滤筒收集后利用塑封袋密封保存；每组试验结束后打开塔底灰斗阀门收集塔底灰，使用塑封袋密封保存，利用称重法计算灰分含水率。使用Ultra Plus场发射式扫描电子显微镜和X'Pert PRO MPD X射线衍射方法表征产物微观形貌以及晶型组分。

图1 旋转喷雾蒸发试验系统

1.3 蒸发产物吸湿性分析

为了解脱硫废水浓缩液蒸发产物吸湿性，使用HWS-50恒温恒湿箱对蒸发产物开展不同温湿度下的吸湿性测试。将喷雾蒸发获得的塔底灰样品称量约1.50 g均匀散布在玻璃称量瓶(底面直径为40 mm、高25 mm)中，打开称量瓶瓶盖将其置于恒温恒湿箱中，每隔一段时间使用精度为万分之一的天平测定样品的吸湿增重，当前后质量差值小于1 mg后认为达到吸湿平衡[9-11]。水分复吸率R的定义如下： 

式中：mt为t时刻粉体样品质量；m0为初始样品质量。

每次试验进行三次平行试验以保证可靠性和复现性。

2、结果与讨论

2.1 浓缩液旋转喷雾蒸发特性

控制烟气入口体积流量为500 m3/h, 入口烟温为360 ℃,气液比为10 000 m3/m3,粉尘质量浓度为15 g/m3,在此工况条件下，喷入不同种类废水，考察旋转喷雾蒸发塔沿程温度、湿度和产物颗粒含水率与废水水质的关系。干燥塔沿程温度、湿度的变化趋势如图2、图3所示。由于旋转喷雾蒸发塔气液两相同向并流运动，塔内温度变化与废水液滴和烟气环境之间的传热传质规律有关，在一定程度上可反映废水蒸发情况[12]:废水喷入后测点1温度迅速降低，说明塔入口至测点1中间区域属于废水液滴主蒸发区域，该区域雾化液滴中的自由水分蒸发汽化，导致周围温度从360 ℃迅速降低至190 ℃左右；后续塔内温度整体呈现缓慢下降趋势，一方面是因为随着液滴离开主蒸发区域，与周围烟气的相对温差减小，使得传热推动力降低；另一方面结合图3,自塔顶向下液滴群周围烟气水汽体积分数逐渐升高，同时随着自由水分移除，液滴表面固相逐渐富集，减少了有效传质面积与液滴表面和环境的蒸汽压差[13],使传质推动力降低，蒸发速率也降低。对比三类废水塔内温湿度变化趋势可知，浓缩废水(B、C)的塔内温度、湿度变化趋势相差不明显，但与普通废水(A)相比，浓缩废水塔内温度水平更高，湿度水平更低，这主要与废水初始湿基含水率相关，对于浓缩废水，其初始含水率约在60%～70%,而普通废水初始含水率在95%左右，因此尽管高盐废水蒸发速率不及普通废水，然而普通废水拥有更高自由水含量，会消耗更多烟气热量，导致烟温降低；同理，高盐废水喷入后水汽体积分数相对较低。

图2 不同废水喷入后塔内温度变化

图3 不同废水喷入后塔内水汽体积分数变化

为保证塔底仓泵输灰流畅，需要保证蒸发产物颗粒含水率处于较低水平，一般应小于2%[13-14]。三类废水塔底和塔出口颗粒含水率如图4所示，本工况下三类废水塔底和塔出口颗粒含水率均能达到完全干燥要求，其中喷入浓缩倍率较高的废水后颗粒含水率整体水平更低。此外，对比塔出口和塔底颗粒含水率，可以发现塔底含水率略微低于塔出口，这可能是因为灰分落入塔底继续与烟气换热并持续干燥，所以含水率略低。

图4 不同废水喷入后塔出口、塔底颗粒含水率

2.2 工况条件对浓缩液蒸发特性的影响

2.2.1 烟温的影响

燃煤电厂负荷波动较为频繁，不同负荷下旁路烟气蒸发系统入口烟温存在一定差异。根据相关测试报道[15],对照电厂不同负荷情况选取360、340、320 ℃ 3个入口烟温考察浓缩脱硫废水蒸发特性，选择废水C开展试验，烟气体积流量为500 m3/h, 气液比为10 000 m3/m3。

不同入口烟温下旋转喷雾蒸发塔沿程温度和脱硫废水蒸发产物含水率变化如图5和图6所示。在喷入高盐废水后，塔内温度迅速降低，但在主蒸发区域没有明显变化，均在测点1附近接近完全蒸发，入口烟温降低，塔内平均烟温降低；此外，塔底和塔出口颗粒含水率随着干燥温度降低逐渐增大，但值得注意的是，即便在较低温度(320 ℃)条件下，废水C仍能在10 000 m3/m3气液比左右保证蒸发产物含水率处于较低水平，约为0.9%。对比普通废水及低浓缩倍率废水的相关研究[15],在入口烟温320 ℃、气液比10 000 m3/m3条件下，塔底灰分含水率已经接近2%。这说明对于高浓缩倍率的废水，同样温度条件下保证蒸发完全的气液比可以适当降低。

图5 不同塔入口烟温下干燥塔沿程温度变化

图6 不同塔入口烟温下蒸发产物含水率

2.2.2 气液比的影响

为了确定高浓缩倍率脱硫废水浓缩液保证蒸发干燥完全的气液比工况范围，选用废水C,控制塔入口烟温为360 ℃以及烟气体积流量为500 m3/h不变，改变气液比(范围为7 000～11 000 m3/m3),干燥塔沿程温度和蒸发产物含水率变化如图7和图8所示。随着气液比降低，旋转喷雾蒸发塔内平均温度和出口温度均有所降低，此外，在较高蒸发气液比(>8 000 m3/m3)情况下，塔内沿程温度降低的幅度不大，但是随着气液比进一步降低至7 000 m3/m3,塔内温度明显降低，推测此时可能存在未完全蒸干的颗粒离开旋转喷雾蒸发塔。根据塔底灰分和塔出口颗粒含水率的变化规律，提升气液比有利于提升颗粒干燥程度，降低蒸发产物含水率，当蒸发气液比提高到9 000 m3/m3以上时，即可满足含水率小于2%的要求。考虑到高温旁路烟气蒸发系统的蒸发能力和运行经济性，对于高浓缩倍率的脱硫废水，建议运行时气液比可设定在9 000 m3/m3左右，具体数值与塔入口烟温有关。

图7 不同气液比下塔沿程温度变化

图8 不同气液比下蒸发产物含水率

2.3 蒸发产物表征分析及吸湿规律

2.3.1 蒸发产物微观形貌及组成

不同浓缩倍率脱硫废水塔底蒸发产物扫描电镜(SEM)分析结果如图9所示。对于未经浓缩的废水A(见图9(a)),蒸发产物的表面形貌呈均匀球形颗粒，与一般粉煤灰的微观形貌类似，其表面粗糙，附着了少部分针状及立方体盐分，这说明在浓缩倍率较低的情况下，引入脱硫废水未显著改变飞灰的微观形貌。此外，在飞灰颗粒表面还发现了多孔疏松球体，如图9(b)所示，推测是废水液滴接触高温颗粒后迅速蒸干析出固体盐壳，进而因内部压力变高导致壳层破裂。对于高浓缩倍率的废水C,其蒸发产物形貌如图9(c)、图9(d)所示，颗粒表面粗糙度进一步提升，同时观察到部分大颗粒之间出现架桥和颗粒团聚现象，并且在颗粒表面观察到大量立方型结晶，这与脱硫废水组分、物理性质的变化有关：对于高浓缩倍率废水，在相同气液比条件下进入塔内的盐分质量流量大大提升，使得液滴与颗粒碰撞蒸干后固相盐分占比提升，此外，根据物性测试结果，随着浓缩倍率增大，废水黏度逐渐提升，而在蒸发塔中随着蒸发进行，半干液滴的黏度将进一步提升，这增大了飞灰颗粒与液滴间碰撞黏附的概率。根据图9(d)中的局部放大图，发现高浓缩倍率废水蒸发产物也形成了部分多孔疏松球体，说明高盐废水液滴也存在表面成壳到壳层破碎的现象。

图9 蒸发产物SEM微观形貌

塔底蒸发产物的X射线衍射(XRD)分析结果见图10。由图10可见，废水A的蒸发产物主要组分为莫来石、SiO2、CaSO4及其水合物等物质；而在废水C的蒸发产物中，无机盐占比大大增加，主要由NaCl、CaSO4及其水合物组成[16]。

2.3.2 蒸发产物吸湿性

设置恒温恒湿箱环境相对湿度为50%和70%,在50 ℃温度下对两类脱硫废水(废水A和废水C)蒸发产物开展吸湿特性测试，结果如图11所示，不同脱硫废水蒸发产物吸湿速率均呈现先快后慢，最后达到平衡的趋势。其中，环境相对湿度越高，蒸发产物达到吸湿平衡的时间越长，最终平衡含水率相对较高。对比两类蒸发产物，废水A的蒸发产物吸湿倾向较弱，在50%相对湿度下基本未吸湿，但废水C的蒸发产物在不同湿度下均体现出强吸湿性，在70%相对湿度下最终复吸率R接近0.3。这主要与蒸发产物组分相关，蒸发产物含盐尤其是钙盐和镁盐[17-18]的比例越高，吸湿性越强，对于低浓缩倍率废水，其蒸发产物与粉煤灰接近，因此吸湿性不及高浓缩倍率废水蒸发产物。基于此，对于低浓缩倍率的脱硫废水蒸发产物，在定期排灰和储存过程中不必担心其吸湿问题，但是针对高浓缩倍率的脱硫废水高温旁路烟气处理装置，实际工程中在定期排灰及储存运输时应当保证输送气体温湿度满足一定条件，防止蒸发产物吸湿板结。

图10 蒸发产物XRD图谱分析

图11 不同废水蒸发产物吸湿特性

3、结论

(1) 旋转喷雾蒸发工艺对不同浓缩倍率的脱硫废水具有良好的适应性，在相同入口烟气条件下，随着浓缩倍率增加，因需要蒸发的自由含水量减少，塔内平均温度略微提升，而塔出口水汽体积分数逐渐降低。

(2) 在相同工况条件下，浓缩倍率较高的废水蒸发产物含水率总体低于普通废水蒸发产物；对于高浓缩倍率脱硫废水浓缩液，为保证蒸发干燥完全，气液比可设定在9 000 m3/m3左右，具体数值与塔入口烟温有关。

(3) 低浓缩倍率下，脱硫废水蒸发产物主要组分与粉煤灰相近，盐分占比较小，吸湿性较弱；但高浓缩倍率废水蒸发产物结晶盐占比迅速增大，具有较强吸湿性。

参考文献:

[1]马双忱,于伟静,贾绍广,等.燃煤电厂脱硫废水处理技术研究与应用进展[J].化工进展,2016,35(1):255-262.

[2]白炎武,刘平元,陆启亮,等.脱硫废水烟道蒸发技术蒸发特性实验研究[J].动力工程学报,2019,39(2):135-141.

[5]赵宁,冯永新,林廷坤,等.脱硫废水旋转喷雾蒸发与旁路烟道蒸发特性研究[J].中国电力,2022,55(7):193-200.

[8]张娟,曹兆军,史海红,等.燃煤电厂脱硫废水分型与浓缩过程的盐类析出规律[J].动力工程学报,2022,42(1):67-74.

[9]钟辉,黄红军,万红敬,等.多孔聚丙烯酸钠树脂吸湿动力学与热力学研究[J].材料科学与工艺,2017,25(4):17-24.

[12]潘好伟,张亮,李伟,等.脱硫废水在含尘烟气中喷雾蒸发试验研究[J].湿法冶金,2020,39(3):261-266.

[13]杨东武.转炉干法除尘粗灰气力输送系统设计及应用[J].冶金动力,2019(9):1-4.

[15]袁伟中,刘春红,童小忠,等.燃煤锅炉采用烟气旁路干燥技术实现脱硫废水零排放[J].电力科技与环保,2017,33(3):18-21.

基金资助:大唐环境产业集团股份有限公司科技资助项目(DTHJ-2022-20413);

文章来源:陈海杰,麻晓越,魏新,等.脱硫废水浓缩液旋转喷雾蒸发及其产物特性研究[J].动力工程学报,2024,44(10):1656-1662.