電廠脫硫廢水處理膜蒸餾技術(shù)
脫硫廢水為濕法煙氣脫硫過程中產(chǎn)生的廢水,其高濁度、高硬度、高含鹽量、污染物種類多、水質(zhì)波動(dòng)大、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn),成為燃煤電廠中成分最為復(fù)雜、處理難度最大的工業(yè)廢水。
機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)(簡稱MVR)雖然可將脫硫廢水做到零排放,但該方法存在易結(jié)垢、易腐蝕、運(yùn)行成本和投資成本高等顯著問題。膜蒸餾(簡稱MD)是一新型膜分離技術(shù),可利用太陽能、工業(yè)廢熱等低品位熱源,處理高濃度原料液,以獲得高品質(zhì)的產(chǎn)水。本文就膜蒸餾的原理、組件形式、蒸餾膜材質(zhì)、熱源選擇等方面研究該技術(shù)在燃煤電廠脫硫廢水處理中的應(yīng)用前景。
1、脫硫廢水的來源與特點(diǎn)
在濕法煙氣脫硫工藝中,由于煙氣中的F-和Cl-的溶解,會使?jié){液中2種離子濃度逐漸升高,一方面,F(xiàn)-與漿液中的鋁聯(lián)合,對石灰石溶解產(chǎn)生屏蔽作用,從而影響脫硫效率;另一方面,漿液中Cl-濃度升高也會影響脫硫效率和石膏品質(zhì),同時(shí)還會引起管道腐蝕。為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、保證石膏產(chǎn)品質(zhì)量和保證脫硫效率,需要控制漿液中Cl-濃度,一般要求低于20g/L,因此需排出部分漿液,以保證Cl-濃度達(dá)標(biāo)。排出的漿液便是脫硫廢水。
脫硫廢水的典型特征包括:
?、偎|(zhì)波動(dòng)范圍非常大;
②污染物種類多;
?、塾捕雀撸珻a2+濃度為476.2mg/L~5206mg/L,Mg2+濃度為204.7mg/L~9037.7mg/L;
?、芎}量很高,特別是Cl-濃度為1127mg/L~14524mg/L,SO42-濃度為1142mg/L~25380mg/L;
?、莞g性強(qiáng);
?、迲腋∥锖扛?
?、咧亟饘俪瑯?biāo)。
2、膜蒸餾技術(shù)的原理與優(yōu)勢
膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸餾過程相結(jié)合的分離過程。膜的一側(cè)與熱的待處理溶液直接接觸(稱為熱側(cè)),另一側(cè)直接或間接地與冷的水溶液接觸(稱為冷側(cè)),熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處汽化通過膜進(jìn)入冷側(cè)并被冷凝成液相,其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè),從而實(shí)現(xiàn)混合物分離或提純的目的。
膜蒸餾的技術(shù)優(yōu)勢包括:
?、倏傻蜏夭僮?,不需要將原料液加熱至沸點(diǎn);
?、诔翰僮?
?、劾碚撁擕}率達(dá)100%;
?、墚a(chǎn)水水質(zhì)好;
⑤可處理高濃度原料液,分離性能不受滲透壓限制。
3、膜蒸餾技術(shù)分類
根據(jù)膜冷側(cè)水蒸氣冷凝方式的不同,膜蒸餾過程可分為4種不同形式(見圖1):直接接觸式膜蒸餾(簡稱DC-MD)、氣隙式膜蒸餾(簡稱AMGD)、氣掃式膜蒸餾(簡稱SGMD)和真空膜蒸餾(簡稱VMD)。
DCMD:該組件內(nèi),膜兩側(cè)的液體直接與膜面接觸,其一面是經(jīng)過加熱的原溶液為熱側(cè),另一面是冷卻水為冷側(cè),膜孔內(nèi)為汽相(蒸氣和空氣),在熱側(cè)膜面上生成的水蒸氣透過膜至冷側(cè)凝結(jié)成水,并和冷卻水合而為一。AMGD:該組件內(nèi),膜的冷側(cè)裝有冷卻板,在其間就是氣隙室,當(dāng)熱側(cè)水蒸氣透過膜在的氣隙室擴(kuò)散遇冷凝壁結(jié)成液態(tài)導(dǎo)出,而冷卻水在組件內(nèi)部降溫,凝結(jié)水和冷卻水各有通道,互不混合。SGMD:該組件內(nèi),膜的冷側(cè)通常以惰性氣體(如氮?dú)獾?作載體,將透過膜的水蒸氣帶至組件外冷凝。VMD:該組件內(nèi),膜的一側(cè)與進(jìn)料液體直接接觸,透過側(cè)用真空泵抽真空,另一側(cè)的壓力保持在低于進(jìn)料平衡的蒸氣壓之下,揮發(fā)組份從冷側(cè)引出后冷凝。
各種膜蒸餾組件的優(yōu)缺點(diǎn)為(見表1):在四種膜蒸餾方式中,真空膜蒸餾的通量相對較大,傳質(zhì)效率高,熱利用效率高,而且操作過程中膜不易損壞,下游側(cè)的阻力也較其他3種要小,配合平板式蒸餾膜組件,便于與其他凈化處理過程耦合與集成,因此,真空膜蒸餾更加適合用于處理脫硫廢水。
4、膜蒸餾過程用膜
膜的疏水性和微孔性是膜蒸餾用膜的選擇關(guān)鍵。而足夠的機(jī)械強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性以及較低的導(dǎo)熱系數(shù)也是膜蒸餾用膜材料所必需的。通常認(rèn)為孔隙率為60%~80%,平均孔徑為0.1μm~0.5μm的膜最適于膜蒸餾。
目前,膜蒸餾過程膜材料的研究開發(fā)主要集中于3種膜材料,即聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)。聚四氟乙烯膜是以聚四氟乙烯為原料,采用特殊工藝,經(jīng)壓延、擠出和雙向拉伸等方法制成的微孔膜。聚偏氟乙烯膜是PVDF溶液在支撐層通過先進(jìn)生產(chǎn)工藝制造而成的微孔濾膜。雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)一般為多層共濟(jì)薄膜,是由聚丙烯顆粒經(jīng)共擠形成片材后,再經(jīng)縱橫兩個(gè)方向的拉伸而制得。
各種蒸餾膜材質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)為(見表2):針對電廠脫硫廢水含鹽量高、懸浮物含量高、硬度高導(dǎo)致易結(jié)垢、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn),綜合考慮材料性能與經(jīng)濟(jì)性,PTFE材質(zhì)的蒸餾膜更加適合用于處理脫硫廢水。
5、膜蒸餾過程熱源選擇
限制膜蒸餾商業(yè)化應(yīng)用的主要原因是該技術(shù)能耗及產(chǎn)水成本過高。在膜蒸餾過程中,90%的能耗來自于對原水的加熱,這導(dǎo)致膜蒸餾所需的熱量達(dá)到628kW/m3,產(chǎn)水價(jià)格高于2.2美元/t。另外,由于碳排放稅和能源價(jià)格的逐年上升,以燃燒化石燃料(煤、石油等)提供的電能/熱量驅(qū)動(dòng)膜蒸餾過程顯得沒有實(shí)用意義,其產(chǎn)水成本也會進(jìn)一步提高。然而,隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展和低品位熱源(煙氣廢熱、低品位蒸汽及循環(huán)冷卻水潛熱等)的回收利用,使得膜蒸餾技術(shù)處理脫硫廢水的商業(yè)化前景再一次變得光明起來。根據(jù)KESIEME提供的計(jì)算公式,合理利用低品位熱源(<50℃),可以使膜蒸餾的產(chǎn)水價(jià)格下降至0.57美元/t,低于目前反滲透技術(shù)的產(chǎn)水價(jià)格。
因此,充分利用電廠的低溫廢熱(50℃~70℃的低品位蒸汽均可作為理想的熱源),可大大降低膜蒸餾系統(tǒng)的運(yùn)行成本。
6、結(jié)束語
隨著環(huán)保政策日益嚴(yán)格,燃煤電廠脫硫廢水零排放處理已是大勢所趨。真空膜蒸餾技術(shù)+PTFE蒸餾膜+廢熱回收技術(shù)所具有的脫鹽率高、產(chǎn)水水質(zhì)好,水回收率高、抗污染、低運(yùn)行成本等優(yōu)勢,已成為一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ拿摿驈U水零排放技術(shù)。但是,目前,針對膜蒸餾技術(shù)的機(jī)理性研究、過程強(qiáng)化、組件開發(fā)及新型膜材料研發(fā)等工作開展嚴(yán)重不足,在一定程度上制約了該技術(shù)在脫硫廢水零排放處理中的推廣應(yīng)用。為增強(qiáng)膜蒸餾技術(shù)的實(shí)用性,今后,可在以下幾個(gè)方面開展研究工作。
?、偌訌?qiáng)膜蒸餾技術(shù)的機(jī)理性研究,尤其針對嚴(yán)重影響傳質(zhì)過程的兩個(gè)重要因素―溫度極化和濃度極化。
?、陂_發(fā)新組件形式,提高傳質(zhì)效率。
?、垩邪l(fā)或改性膜材料,增強(qiáng)抗污染性,提高膜通量。
?、苎邪l(fā)低成本膜材料制作工藝,降低投資成本,提高市場競爭力。
?、菁訌?qiáng)運(yùn)行過程研究,累計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化工藝參數(shù)。
?、扪邪l(fā)高效低溫?zé)嵩椿厥占夹g(shù),如煙氣廢熱、低品位蒸汽及循環(huán)冷卻水潛熱等。
?、邔⒛ふ麴s技術(shù)與其他水處理技術(shù)進(jìn)行耦合,降低能耗,拓展市場范圍。(來源:北京朗新明環(huán)??萍加邢薰?