燒結煙氣濕法脫硫廢水處理淺議

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摘要:脫硫廢水呈弱酸性,Cl-和鹽含量較高,并含有COD、氨氮、多種重金屬等污染物,腐蝕性強,對環(huán)境危害大,深度凈化處理和綜合利用難度大。通過分析脫硫廢水傳統(tǒng)處理工藝和零排放工藝應用中存在的問題,結合燒結礦噴灑氯化鈣溶液的特點,提出將脫硫廢水蒸氨去除氨氮并采用晶種法強制循環(huán)工藝濃縮減量,將濃縮液替代氯化鈣溶液噴灑燒結礦,蒸氨制取的氨水作為燒結煙氣脫硝還原劑,蒸發(fā)冷凝水作為燒結生石灰消化用水,實現(xiàn)脫硫廢水綜合利用和零排放。

關鍵詞:燒結;脫硫廢水;處理;資源化利用

0引言

隨著煙氣排放管控日益嚴格,煙氣脫硫成為鋼鐵企業(yè)燒結生產(chǎn)中不可或缺的流程。石灰石-石膏法脫硫工藝因其脫硫效率高、適應性強和技術成熟等優(yōu)點而被廣泛使用[1]。脫硫過程中,脫硫吸收塔內(nèi)漿液反復循環(huán)利用,塔內(nèi)可溶鹽漿液不斷濃縮,為確保脫硫性能和維持系統(tǒng)內(nèi)Cl-平衡,需要不斷補充、更新漿液,此過程中排放含有大量溶解鹽及重金屬離子的廢水,此部分排放的廢水即為“脫硫廢水”[2]。目前,國內(nèi)脫硫廢水處理工藝主要包括三聯(lián)箱(中和、絮凝沉淀)、煙道蒸發(fā)和蒸發(fā)結晶。三聯(lián)箱工藝(中和、絮凝沉淀)是我國脫硫廢水處理應用最為廣泛的技術,但脫硫廢水中的COD、氨氮、溶解鹽未得到有效去除,不能直接排放且難以綜合利用。蒸發(fā)結晶工藝能回收高品質(zhì)蒸餾水,但其投資運行成本高,結晶鹽難處置。煙道蒸發(fā)工藝設備簡單,運行投資費用較低,國外有少量應用實例,國內(nèi)尚未有成功運行,目前處于試驗階段或者尚未實施階段,廢水對噴頭的堵塞情況及磨損情況、霧滴對煙道和關聯(lián)設備的腐蝕情況、煙氣溫度的影響情況以及除塵灰品質(zhì)影響等問題均需要通過實踐檢驗[3]。如何結合實際、優(yōu)化組合現(xiàn)有工藝及資源化利用途徑,實現(xiàn)低成本燒結脫硫廢水零排放,成為燒結脫硫廢水零排放研究的重點。

1燒結脫硫廢水處理及綜合利用現(xiàn)狀

鋼鐵企業(yè)脫硫廢水基本采用中和、絮凝沉降后回用,回用途徑及存在問題見表1。由于濕法脫硫廢水中和、絮凝沉降后回用存在系列問題,部分鋼鐵企業(yè)因無法接受脫硫廢水回用存在的影響,因而結合燒結煙氣二氧化硫濃度較低的實際情況,將脫硫工藝改為半干法。隨著電廠脫硫廢水零排放技術的研究和實施,鋼鐵企業(yè)在實施燒結煙氣超低排放改造的同時,積極開展脫硫廢水治理的研究,但目前真正能做到有效去除廢水中的污染物和有害離子,達到廢水達標排放或完全回收利用的工藝幾乎沒有。

2燒結脫硫廢水的特點及治理難點

燒結脫硫廢水呈弱酸性,鹽含量較高,并含有懸浮物、COD、氨氮、多種重金屬等污染物,很多是國家環(huán)保標準中嚴格要求控制的第一類污染物[4],其水質(zhì)和水量因燒結生產(chǎn)原料及石灰石產(chǎn)地、脫硫吸收塔塔形、工藝補給水水質(zhì)、操作條件不同存在差異[5],但基本具有以下主要特點:(1)水量不大,根據(jù)燒結機面積不同廢水量大小有差異,360m2燒結機脫硫廢水量為5~8t/h。(2)鹽含量約1.5%~3%,主要離子為Ca2+、Mg2+、Cl-、F-、SO42-和SO32-等[6],屬高鹽廢水。(3)Cl-質(zhì)量濃度較高(8000~12000mg/L),水處理單元設備腐蝕風險較高,且Cl-處理技術不成熟,處理費用特別昂貴。(4)硬度較高,且含有大量的Ca2+、Mg2+,水處理單元結垢、堵塞風險較高。(5)重金屬離子種類繁多,含有汞、鉛、鋅、鉻、鎘、錳、銅等多種重金屬離子和砷等。(6)COD和氨氮的濃度較高,COD超標的主要原因是系統(tǒng)內(nèi)的亞硫酸鹽(連二硫酸鹽)即BOD5低,COD高,B/C低,且存在重金屬離子,故不宜采用生化方法處理[7]。

3燒結脫硫廢水零排放處理探討

3.1脫硫廢水中可溶性鹽的綜合利用途徑探討

燒結礦表面噴灑氯化物,利用氯化物吸附在其表面并形成一層薄膜,在450~550℃時,對燒結礦中的赤鐵礦與還原氣體起到屏蔽作用,有效地改善燒結礦低溫還原粉化性能,有利于爐況順行,生產(chǎn)率提高,能耗降低[8]。攀鋼等長期采用噴灑氯化鈣的措施改善燒結礦的冶金性能,攀鋼某燒結企業(yè)2019年燒結礦噴灑質(zhì)量分數(shù)為30%的CaCl2溶液10500t,則氯離子的總量為2014.86t。而脫硫廢水排放量約720t/d,氯離子質(zhì)量濃度約10000mg/L,按燒結機年作業(yè)時間350d計算,則脫硫廢水排放氯離子總量為2520t,略高于實際噴灑氯離子總量。湘鋼采用脫硫廢水配加固體氯化鈣至噴灑燒結礦需要的濃度,攀鋼采用脫硫廢水配加高濃度氯化鈣溶液至噴灑燒結礦需要的濃度,水鋼采用膜濃縮脫硫廢水后噴灑燒結礦,實踐結果均表明:既可滿足燒結礦低溫還原粉化指標要求,又能節(jié)省大量的氯化鈣藥劑,是脫硫廢水較好的處理方式。存在的主要問題是水量大、有氨異味。針對脫硫廢水替代氯化鈣噴灑燒結礦降低低溫還原粉化率的可行性,開展脫硫廢水濃縮液噴灑燒結礦實驗,實驗情況如下:在實驗室將脫硫廢水加熱濃縮5倍得到濃縮液,將濃縮液和生產(chǎn)現(xiàn)場使用的CaCl2溶液進行噴灑燒結礦低溫還原粉化率對比實驗。對比實驗樣品為:樣品1、樣品2(現(xiàn)用CaCl2溶液);樣品3、樣品4(濃縮液);樣品5、樣品6(濃縮液加工業(yè)新水稀釋至其中Cl-含量與使用的氯化鈣溶液基本一致)。試驗結果見表2。從表2可知:脫硫廢水濃縮液替代CaCl2溶液噴灑燒結礦后,燒結礦低溫還原粉化率指標未變差,并有利于降低燒結礦粉化率,因此,用脫硫廢水濃縮液全部替代CaCl2溶液噴灑燒結礦是可行的。

3.2脫硫廢水濃縮工藝探討

濃縮減量主要分為熱法濃縮和膜濃縮2種。熱濃縮工藝主要有多效蒸發(fā)(MED)和機械蒸汽再壓縮(MVR)工藝,蒸發(fā)器包括降膜蒸發(fā)器、升膜蒸發(fā)器、刮板式蒸發(fā)器等單程型蒸發(fā)器及多種循環(huán)性蒸發(fā)器。膜濃縮包括反滲透、電滲析、正滲透、膜蒸餾等,實際應用中主要以膜濃縮為主。但膜濃縮對進水水質(zhì)要求較高,需對廢水進行軟化處理以及MF或UF、多介質(zhì)過濾等精濾處理,同時大大增加了濃縮液中的鈉離子濃度,若采用該濃縮液替代CaCl2溶液噴灑燒結礦,將對高爐耐火材料造成不良影響。熱法濃縮中的晶種法強制循環(huán)蒸發(fā)技術通過晶種和強制循環(huán)工藝控制結垢,脫硫廢水不需化學軟化及膜過濾等預處理,經(jīng)絮凝沉降去除懸浮物后,直接進入晶種法強制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng),系統(tǒng)化學清洗周期達6個月以上。(1)強制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)分為加熱器和分離室2大部分。廢水在加熱器中被加熱,在分離室中閃蒸?？刂萍訜峁軆?nèi)壓力高于該溫度下的飽和蒸汽壓力,使廢水在加熱器中不沸騰、不發(fā)生濃度變化,即在換熱管內(nèi)不會析出新的晶體。同時廢水采用大流量的強制循環(huán)泵送入加熱器,使廢水在換熱管內(nèi)以2~3m/s的高流速運行,進一步避免了換熱管表面結垢的可能。加熱后的濃水進入到分離室后,分離室壓力驟然降低,濃鹽水飽和溫度下降,在此發(fā)生閃蒸,鹽水實現(xiàn)濃縮。為了減少蒸發(fā)器結垢的情況,在分離室中注入硫酸鈣晶種,分離室閃蒸析出的硫酸鈣晶體優(yōu)先附著于晶種上,減少蒸發(fā)器的結垢情況。(2)強制循環(huán)蒸發(fā)器屬成熟蒸發(fā)設備,在鹽的熱濃縮和蒸發(fā)結晶工程中常有應用。(3)該技術目前應用于新疆東方希望燃煤電廠脫硫廢水處理工程,一期工程于2016年3月投產(chǎn),二期項目于2018年5月投運,投產(chǎn)后運行穩(wěn)定。目前該技術已工程化應用于國內(nèi)數(shù)十家電廠。

3.3脫硫廢水蒸發(fā)濃縮過程中氨的走向

因廢水中的氨氮具有揮發(fā)性,為了有針對性地解決廢水處理及綜合利用過程中的異味問題,開展蒸發(fā)濃縮過程中氨的走向實驗:取廢水500mL,將pH值分別調(diào)節(jié)至5、8、12進行蒸餾,待冷凝水體積達到約400mL時停止蒸餾,然后對冷凝水及蒸餾濃縮液取樣分析,分析結果見表3。由表3可見:廢水pH高低,會影響冷凝水和濃縮液中氨氮的分配。廢水堿性較強(pH值高),冷凝水和濃縮液中氨氮均偏高,濃縮液及冷凝水均需進行脫氨處理;廢水為酸性(pH值低),氨氮主要在濃縮液中,但對蒸發(fā)設備防腐性能要求高;廢水為中性,氨氮主要在濃縮液中,冷凝水中氨氮略高,可用作脫硫系統(tǒng)補充水或除霧器沖洗水,在相對較為密封的條件下不會造成異味等污染,因此僅需對濃縮液進行脫氨處理即可。3.4脫硫廢水濃縮液蒸氨的目標值在實驗室將脫硫廢水調(diào)至不同pH值并加熱濃縮至原來的1/5,得到不同氨氮濃度的濃縮液(見表4)后用于噴灑燒結礦。試驗結果表明,噴灑液中氨氮質(zhì)量濃度≤100mg/L時環(huán)境基本無異味,噴灑液中氨氮質(zhì)量濃度≥300mg/L時環(huán)境異味明顯。因此,采用“晶種法強制循環(huán)蒸發(fā)濃縮+濃縮液蒸銨”工藝可較好地解決脫硫廢水綜合利用問題,實現(xiàn)廢水零排放,具體為:脫硫廢水經(jīng)絮凝沉降后送晶種法強制循環(huán)系統(tǒng)蒸發(fā)濃縮約5倍,蒸發(fā)冷凝水回用做脫硫系統(tǒng)補充水或生石灰消化水,濃縮液調(diào)pH值后送蒸銨塔脫氨至100mg/L以下,脫出的氨氣制成質(zhì)量分數(shù)15%以上的氨水用作脫硝還原劑,濃縮液代替CaCl2溶液噴灑燒結礦。

4結論

(1)燒結濕法煙氣脫硫廢水經(jīng)中和、絮凝沉淀的傳統(tǒng)工藝處理后,因COD、氨氮、鹽含量仍較高,無法滿足排放標準或進入企業(yè)綜合工業(yè)污水處理系統(tǒng)的要求;其回用生產(chǎn)環(huán)節(jié)中存在腐蝕設備、降低生產(chǎn)能力、污染崗位環(huán)境等問題。(2)脫硫廢水代替工業(yè)新水配制CaCl2溶液噴灑燒結礦滿足燒結礦低溫還原粉化指標要求,可節(jié)省CaCl2藥劑,是較好的脫硫廢水綜合利用方式,但存在水量較大、現(xiàn)場有氨異味等問題;采用膜法濃縮減量會造成燒結礦中鈉離子含量高,影響高爐爐缸耐火材料使用壽命。(3)脫硫廢水在中和、絮凝沉淀處理后再采用“晶種法強制循環(huán)蒸發(fā)濃縮+濃縮液蒸銨蒸氨”工藝處理,蒸發(fā)冷凝水可作為燒結生石灰消化用水,蒸發(fā)得到的濃縮液可替代CaCl2溶液噴灑燒結礦,蒸氨制取的氨水可作為燒結煙氣脫硝還原劑,從而實現(xiàn)脫硫廢水零排放。

作者:王睿 單位:攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司煉鐵廠