作者：刘 敏１，刘平元２，赵 亮２ （１．青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁发电分公司，西宁 ８１０００８； ２．上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 ２００２４０）

摘 要：利用 ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件建立了脱硫废水多效蒸发浓缩工艺的计算模型，对２台６６０ＭＷ 机组配套 的２２．５ｔ／ｈ处理量的多效蒸发浓缩工艺进行了模拟计算，计算了在额定浓缩比下、不同进料质量流量时的生 蒸汽质量流量、凝结水质量流量与浓水质量流量。将模拟结果与该机组的实际运行数据进行了对比分析，得 出两者的最大相对误差为－４．９６％。所建立的模型准确、可靠，可为脱硫废水多效蒸发浓缩装置的设计提供 参考。

关键词：脱硫废水；多效蒸发浓缩工艺；生蒸汽

　燃煤电厂石灰石 石膏湿法脱硫产生的废水 具有含盐量高、硬度高、污染物成分复杂等特点。 传统的脱硫 废 水 处 理 工 艺 是 通 过“三 联 箱”化 学 沉淀 法 降 低 重 金 属 含 量，以 达 到 ＤＬ／Ｔ ９９７— ２００６《火电厂石灰 石 石 膏 湿 法 脱 硫 废 水 水 质 控 制指标》要求后排放。但由于达标后的废水中仍 含有大量的氯化物和硫酸盐，出水含盐量和硬度 仍很高，很 难 重 复 利 用，外排后会引起地表水及 土壤生态的破坏。脱硫废水零排放是指“电厂不 向地面水域排出或渗出任何形式的水，所有离开 电厂的水都是以湿气的形式或是固化在灰或渣 中”［１］。 脱硫废水零排放一般分 为预处理、浓 缩 与 固化三个工艺段。预 处 理 工 艺 段 主 要 去 除 悬 浮 物、降低硬度，浓缩工艺段减少进入固化阶段 的 废水量，固 化 工 艺 段 可 以 实 现 盐 的 结 晶 过 程。

浓缩主要有膜法 浓 缩 与 热 法 浓 缩。膜 法 浓 缩 一 般是通过原液加压后流过膜 的表面，膜 表 面 的 细小微孔只允许水及小分子物质通过成为透过 液，而原液中大于膜表面微 孔的物质则被截留 在进液侧成为浓 缩 液，从而实现对原液的浓缩。 热法浓缩是通过热能将废水 升温产生相变，废 水中 的 水 变 成 蒸 汽 后 离 开 液 面 后 实 现 废 水 浓缩。 多效蒸发器多以蒸汽为热源，加热一效废水 产生的蒸汽作为二效的热源再次利用，重复此过 程将形成一个多效蒸发系统，最后一效蒸汽通过 冷凝器冷 凝。废水通过多效蒸发后分成了浓缩 废水与洁 净 冷 凝 水。多效蒸发器多次利用了热 能，提高了 能 源 的 利 用 率，是一种较理想的脱硫 废水浓缩工艺。 热法浓 缩 对 于 进 水 水 质 要 求 相 对 低。一 方 面，这意味着热法浓缩可以较好地适应脱硫废水 水质、水量 变 化 且 成 分 复 杂 的 特 点，有 利 于 系 统 的稳定运行；另 一 方 面，较好的水质适应性使得 浓缩模块的前置预处理模块加药量减少。另外， 一般热法 浓 缩 的 淡 水 回 收 率 高 于 膜 法 浓 缩 且 水 质远高于膜法浓缩。 利用多效蒸发器 提 高 废 水 浓 缩 时 热 源 的 利 用率，改善传热条 件，从而降低蒸发单元的能 耗 在食品［２－３］和化 工［４］行 业、海 水 淡 化［５］方 面 得 到 广泛应用。多效蒸 发 浓 缩 工 艺 具 有 能 源 利 用 率 高、传热效 率 高、水 质 波 动 适 应 性 强、淡 水 回 收 率高的特点，可以 减 少 脱 硫 废 水 浓 缩 运 行 成 本， 是极具发展前途的脱硫废水浓缩技术。而 在 电 力行业 利 用 多 效 蒸 发 器 浓 缩 废 水 尚 处 于 探 索 阶段。 ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件 是 一 款 通 用 的 大 型 流 程 模 拟软件，具 有 完 备 的 物 性 系 统 与 丰 富 的 设 备 模 块，适 用 于 对 生 产 装 置 进 行 稳 态 模 拟。笔 者 将 ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件应用于脱硫废水浓缩过程的 模 拟，利用某电厂２台６６０ＭＷ 机组配套脱硫废水 的四效蒸发器生产数据对模型进行验证，建模数 据可以为实际工程设计与调整运行参数提供参 考依据。 １ 工艺流程及设计条件

１．１ 工艺流程 　　案例项目采用四效蒸发器对脱硫废水进行 浓缩，其工艺流程见图１。 图１ 脱硫废水四效蒸发浓缩工艺流程 　　废水流程为：经过预处理的脱硫废水经过三 级预热后进入一效加热器，预热热源分别由末效 二次蒸汽、二 次 冷 凝 水 与 一 次 冷 凝 水 提 供；预 热 后的物料分别经过一效至四效蒸发后逐级浓缩； 生蒸汽由 一 效 加 入，每效包括加热器与分离器， 物料与生 蒸 汽 或 者 上 级 过 来 的 二 次 蒸 汽 在 加 热 器中换热，然 后 进 入 分 离 器 闪 蒸，形 成 的 二 次 蒸 汽进入下一效，部分物料通过循环泵再次进入到 加热器中加热；最后浓缩后废水由出料泵送至浓 缩水水池。蒸汽及冷凝水流程为：生蒸汽送入一 效加热器的 壳 程，一 次 冷 凝 水 回 收；一 效 分 离 器 生成的二次蒸汽去下一效作为下一效的热源；二 效、三效、四效的冷凝水汇集至冷凝水罐；最后一 效的二次蒸汽通过冷凝器冷凝成液态水汇流至 二次冷凝水罐。

１．２ 模型输入条件 　　根据该电厂的实际运行条件，设定模型的输 入条件见表１。

２ 多效蒸发浓缩模型 ２．１ 定义组分 　　该电厂进入四效蒸发器的脱硫废水已经过 预处理，采用石灰、芒硝、纯碱三级软化和重力沉 降、管式膜错流过滤两级 固液分离的预处理技 术，芒硝和纯碱联合除钙降低了预处理的运行成 本，两级固液分离支持了不同成分污泥的分离与 资源化利用。 预处理后的水质指标见表２。

　 预 处 理 后 的 高 盐 废 水 中 主 要 成 分 为 Ｃｌ－ 、 Ｎａ＋ 、Ｈ２Ｏ，在模拟计算中忽 略其中少量 Ｃａ２＋ 、 Ｍｇ２＋ 、ＳＯ２－ ４ 、Ｆ－ 等 离 子 的 影 响。定 义 该 体 系 中 的组分采用电解质向导 ＥｌｅｃｒｏｌｙｔｅＷｉｚａｒｄ［６］，组 分定义见表３。 ２．２ 物性方法 　　物性方法的选取关系到模型模拟结果的准 确性与 可 靠 性，预 处 理 后 的 脱 硫 废 水 属 于 低 硬 度、高 含 盐 量 的 水 体 系。 笔 者 采 用 物 性 方 法 Ｅｌｅｃｎｒｔｌ模拟废水的无机电解质体系。 模型系统 中 有 循 环 回 路 流、循 环 撕 裂 流 等， 必须进行迭代计算直至收敛，笔者采用 Ｗｅｇｓｔｅｉｎ 收敛方法建立模型［６－８］。

２．３ 模型假设 　　结合工程经验及相关文献，在建模时进行了 如下假 设：（１）系统运行时无散热及物料损失； （２）分离器的除雾器完全除雾，二 次 蒸 汽 无 物 料 液滴携带现 象；（３）不 考 虑 静 压 效 应 带 来 的 废 水 沸点变化；（４）不考虑整个蒸发系统的压降；（５） 系统处于完全稳态运行工况。

２．４ 模型建立 　　根 据 图 １ 脱 硫 废 水 四 效 蒸 发 器 浓 缩 流 程 与 特 点，定 义 组 分，选 择 物 性 方 法，搭 建 计 算 模 块，系统流程中各单元功能对应的模块见表４

由于建模时每效的分离器可以设定蒸发温 度或蒸发压 力，系 统 会 自 动 进 行 平 衡，所 以 用 来 抽取不凝性气体的真空泵在建模过程中不单独 使用模块建模。

３ 计算结果及分析

３．１ 模拟计算 　　根 据 图１、表１、表３与 表４，建 立 图２所 示 的脱硫废水四效蒸发浓缩模型，加 热 器 的 热 量 通 过 Ｈｅａｔｅｒ 模 块 的 热 量 流 传 递 到 分 离 器 Ｆｌａｓｈ２模 块，设 定 Ｆｌａｓｈ２模块的蒸发温度及 绝 热 饱 和 状 态。按 照 表 １ 的 输 入 条 件，调 整 撕 裂 流 的 初 始 设 定 值 后，运 行 模 型 的 模 拟 计 算，经 过 数 次 迭 代 计 算 后 收 敛，系 统 无 报 错，输 出 结 果。设定输出结果的显示类型及单位后，所 有 物流的状态可直观读取。

３．２ 模型的验证 　　收集该电厂实际生产时额定工况的稳定运 行统计数据与 ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件建 模 计 算 数 据 进 行对比，以 验 证 模 型 建 立 的 准 确 性，对 比 数 据 见 表５

　由表５可知：笔者建立的脱硫废水多效蒸发 浓缩模型 的 模 拟 计 算 结 果 与 电 厂 的 实 际 运 行 数 据能够较好 地 吻 合，说 明 模 拟 选 用 物 性 方 法、单 元模块组合、热 力 学 方 法 是 正 确 和 可 靠 的，模 型 的假设是 合 理 的。关键参数的计算结果与实际 运行数据的最大相对误差为－４．９６％，在工程模 拟的可接受范围内。 ３．３ 模型的计算 　　根据建 立 的 模 型，设 定 其 他 参 数 不 变，考 察 进料负荷率（进料质量流量与额定工况进料质量 流量的比）分别为１１０％、１００％、８０％与６０％时， 在相同的额定浓缩比条件下，运行模型计算得到 的结果见表６。


　由 表６可 知：在 工 程 运 行 操 作 中，设 定 额 定 浓缩比，调整进口蒸汽质量流量即可近线性调整 系统出力。 ３．４ 结果分析 　　在不考虑实际运行数据的测量误差的情况 下，模拟模型计算的最大相对误差为生蒸汽质量 流量的相 对 误 差（－４．９６％）。在 多 效 蒸 发 器 的 设计中，热损失一般考虑可取２％～４％［９］。该电 厂所处地域为严寒区域，且实测数据为冬季运行 的测试值，虽系统重要设备与管道采取了完善的 保温措施，但 仍 有 大 量 的 散 热 损 失。因 此，生 蒸 汽质量流量的相对误差较大的原因可能是该模 型未考虑 系 统 的 散 热 损 失。设 计 中 应 尽 可 能 减 少系统的散热损失、提高热利用系数；另外，模型 没有考虑真空泵抽气所造成的排汽能量损失。 模拟计算出一效至四效的运行 压力都偏 高，说明在相同的 蒸 发 温 度 下，模拟工况下所需 要的负压较小。这 主 要 是 因 为 模 拟 基 于 简 单 的 组分定义，造成了系统实际运行的沸点 高于模拟计算值而造成 系 统 误 差［７］；但 是，该 部 分 对 模 拟结果 的 影 响 较 小，假 设 合 理，不 会 影 响 工 程 应用。 二次冷凝水 出 系 统 时 温 度 仍 有５６．６ ℃，存 在一定的降温区间，通过利用这部分热量可以保 证冬季运 行 时 脱 硫 废 水 进 料 温 度 低 的 情 况 下 仍 可以按照 设 计 参 数 运 行。但应开展经济性与可 靠性分析，一 方 面 脱 硫 废 水 存 在 着 结 垢 倾 向，换 热面越多，结 垢 堵 塞 的 可 能 性 越 大，另 一 方 面 为 减轻废水对换热面的腐蚀，换热面多采用昂贵金 属材质，因此要考虑回收热量造成的设备投资成 本的增加。

４ 结语 　　

（１）笔者基于某电厂脱硫废水四效蒸发浓缩 过 程 建 立 了 Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ 模 型，通 过 ＨｅａｔｅｒＸ、 Ｈｅａｔｅｒ、Ｆｌａｓｈ２、Ｍｉｘｅｒ和 Ｆｓｐｌｉｔ等模块搭建的模 型能够进行废水多效蒸发浓缩的数值模拟。将 模拟结果与实际运行结果进行了对比，结果表明 笔者建立的 模 型 可 行，计 算 结 果 准 确，可 以 指 导 工程设计优化与生产运行。 （２）通过模型的建立，下一步可开展多工况 的模拟仿真，以及 研 究 一 效 蒸 汽 温 度、废 水 进 口 温度、末效蒸汽温度等参数 的变化对浓缩效果 的影响，并对这些 影 响 参 数 进 行 敏 感 性 分 析，为 生产过 程 的 变 工 况 运 行 及 系 统 优 化 设 计 提 供 参考。