烟气余热利用的智能化废水零排放耦合脱氯系统的制作方法

本发明属于能源环境工程污染减排技术领域，尤其涉及一种烟气余热利用的智能化废水零排放耦合脱氯系统。

背景技术：

来自燃煤、石灰石、工艺水中氯元素在脱硫浆液中不断富集，为防止设备腐蚀和磨损，石灰石石膏湿法脱硫塔中需要定期补充工艺水同时排放脱硫废水以控制脱硫浆液中氯离子浓度。针对水污染问题，需要强化对各类水污染的治理力度，电厂根据水质分类处理，正常情况下各类废水经处理后应全部回用或综合利用鼓励火电厂实现废水的循环使用不外排。脱硫废水中悬浮物含量高、水质复杂、含有重金属，处理难度很大，传统用于处理脱硫废水的化学沉淀法难以除去其中的氯离子，导致脱硫废水无法回用或直接排放。

烟道蒸发技术利用高效雾化喷嘴将脱硫废水雾化为小液滴直接喷入空气预热器与除尘器之间的烟道中或采用单独设置蒸发塔，引入一定空气预热器前高温烟气干燥脱硫废水，利用烟气余热将废水完全蒸发，使废水中的污染物转化为固态结晶物或盐类，随飞灰一起在除尘器内被捕集，实现脱硫废水的零排放。但废水蒸发产物中含有高氯盐和重金属，会造成除尘系统灰品质下降甚至导致除尘灰变成危废。

中国专利cn204185326u提供了一种脱硫废水零排放处理系统，包括废水预处理设备，蒸发浓缩设备和蒸发结晶设备，通过所述设备的处理，最终产物为蒸馏水和结晶盐，减少有害物质的排放，但蒸发结晶技术对结晶盐的纯度有要求，需要对脱硫废水进行深度预处理，后续膜浓缩及蒸发结晶工况，需对浊度、结垢性物质、化学需氧量(cod)去除，软化生成的产物氢氧化镁为絮状胶体，难沉淀，很难过滤分离，给工艺操作带来困难，同时运行费用比较高，蒸发结晶部分运行成本约占总运行费用的45％。系统必须外排少部分含盐水或污泥，废水治理中得到的产物晶体盐，难以商业利用或需要作为固废处理。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，改进废水治理技术，本发明提供了一种智能化高效稳定地实现脱硫废水零排放耦合脱氯系统及方法。

为了达到目的，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种利用烟气余热的智能化废水零排放耦合脱氯系统，与烟气除尘脱硫系统配合使用，所述的烟气除尘脱硫系统包括由烟气烟道依次连接的干式电除尘器、引风机和脱硫塔，其包括装置层、控制层、感知层和优化层，所述的装置层用于通过锅炉烟气余热实现废水脱氯，控制层用于控制装置层的运行并设定控制参数，感知层用于监测装置层的烟气和废水信息并将信息反馈给优化层，优化层用于接收感知层的信息并优化控制层的设定控制参数。

优选地，所述的烟气烟道包括干式电除尘器前端烟道和脱硫塔前端烟道，干式电除尘器进烟口与干式电除尘器前端烟道连通，干式电除尘器出烟口通过引风机连通脱硫塔前端烟道；所述的装置层包括废水预处理系统、浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统，所述的废水预处理系统分别与脱硫塔和浓缩减量系统连接，蒸发脱氯除尘系统的进烟口与干式电除尘器前端烟道和脱硫塔前端烟道连通，蒸发脱氯除尘系统的出烟口与浓缩减量系统的进烟口连通，蒸发脱氯除尘系统的进烟口处设有浓缩废水进口；

所述的控制层包括控制机构、用于输送新鲜废水的输送泵、用于排出浓缩废水的排出泵、用于压缩空气的电动调节阀、用于废水循环的变频泵和用于开闭锅炉烟气抽取的第一电动挡板门、第二电动挡板门和用于开闭烟气排出的第三电动挡板门，所述的输送泵、排出泵、电动调节阀、变频泵、第一电动挡板门、第二电动挡板门和第三电动挡板门与控制机构连接；

所述的感知层包括用于监测浓缩减量系统中废水含固量监测装置、用于监测脱硫塔入口烟气的第一烟气参数监测装置、用于监测干式电除尘器入口烟气的第二烟气参数监测装置、用于监测浓缩减量系统进出烟道的第三烟气参数监测装置和第四烟气参数监测装置，废水含固量监测装置、第一烟气参数监测装置、第二烟气参数监测装置、第三烟气参数监测装置和第四烟气参数监测装置分别与控制机构连接。

优选地，所述的蒸发脱氯除尘系统包括双流体喷枪、袋式除尘器、第一蒸发烟道和第二蒸发烟道；所述的袋式除尘器的一端设有第一进烟口和第二进烟口，另一端设有第一出烟口，所述的第一进烟口通过第一蒸发烟道与引风机后端烟道连通，第二进烟口通过第二蒸发烟道与干式电除尘器前端烟道连通；双流体喷枪安装在第一蒸发烟道内与废水进口连接，所述的第一电动挡板门安装在第一蒸发烟道的进烟端；第二电动挡板门安装在第二蒸发烟道的进烟端。

所述的浓缩减量系统由蒸发浓缩塔、变频喷淋层、可抽取式液滴捕集器和废水浓缩池组成，所述的水浓缩池设于蒸发浓缩塔底部，变频喷淋层和可抽取式液滴捕集器设于蒸发浓缩塔内，可抽取式液滴捕集器位于变频喷淋层上方；所述的蒸发浓缩塔下部设有第三进烟口，顶部设有第二出烟口，第三进烟口通过进烟道与第一出烟口连通，第二出烟口通过出烟道与脱硫塔前端烟道连通；废水浓缩池通过变频泵与变频喷淋层连接，废水浓缩池通过排出泵与废水进口连接，废水浓缩池通过输送泵与废水预处理系统连接；所述的第一烟气参数监测装置安装在引风机后端烟道上；第二烟气参数监测装置安装在干式电除尘器前端烟道上；第三烟气参数监测装置安装在在蒸发浓缩塔的进烟道上，第四烟气参数监测装置安装在蒸发浓缩塔的出烟道上，废水含固量监测装置设于废水浓缩池内，电动调节阀安装在排出泵与双流体喷枪之间的管路上，第三电动挡板门安装在出烟道的出烟端。

优选地，进入第一蒸发烟道中的烟气占总烟气的20％～30％，进入第二蒸发烟道中的烟气占总烟气的2％～10％，烟气烟道中烟气的流速为4～5m/s。系统运行时以第一进烟口进入烟气为主，第二进烟口进入烟气是在第一进烟口的基础上保证系统全负荷安全稳定运行。

优选地，所述的双流体喷枪相对于第一蒸发烟道的喷射角度为30°～60°，喷射速度为20～60m/s，雾化粒径为30～80μm。

优选地，所述控制层的操纵变量为补充新鲜废水流量、废水含固量、废水喷淋层流量、双流体喷枪喷射浓缩废水量和浓缩蒸发塔入口烟气流量；控制层的被控变量为废水浓缩比和抽取用于浓缩蒸发废水的烟气流量；控制层的扰动变量为锅炉负荷、浓缩塔入口烟气参数；所述控制层的被控变量的设定值由优化层进行优化。

优选地，优化层包括对浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统的精确建模，浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统的精确描述模型的建立包括以下步骤：

s1：采集浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统中各装置设计参数，测试报告；

s2：采集浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统的历史运行数据；

s3：根据历史运行数据分布，划分典型负荷区间和新鲜废水流量区间，获得典型锅炉负荷区间和新鲜废水流量区间内锅炉负荷、新鲜废水流量、废水浓缩比与抽取烟气流量和双流体喷枪喷射浓缩废水量的对应数据集；

s4：根据所划分的数据集，基于废水在浓缩蒸发塔的蒸发机理，在典型负荷区间和新鲜废水流量区间建立浓缩减量蒸发机理模型，并利用历史数据修正模型，获得典型负荷区间和新鲜废水流量区间入口烟气参数、液气比、废水含固量与废水浓缩比的对应关系；

s5：根据所划分的数据集，结合测试报告结果，利用数据建模方法，获得典型负荷区间和新鲜废水流量区间补充新鲜废水流量、废水浓缩比、双流体喷枪喷射浓缩废水量与抽取烟气流量的对应关系；

s6：基于这些对应关系，获得多种工况、多种运行参数下废水浓缩减量蒸发系统精确描述模型。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明可以减少废水蒸发时氯离子随烟气外排重新进入废水浓缩系统和脱硫系统，实现废水的源头减排；同时浓缩废水蒸发副产物为高含氯盐和重金属物质由独立运行的高效袋式除尘器捕集下来，避免造成原有除尘系统灰品质下降。

2、本发明利用所发明的废水浓缩减量蒸发精确预测模型，根据废水处理量实时调整抽取用于浓缩蒸发废水的烟气流量；同时根据锅炉负荷调整双流体喷枪喷射浓缩废水量，进而实现整个系统的高效稳定安全运行。

3、本发明中感知层实可时监测烟气烟道的烟气，浓缩减量系统进出烟道的烟气和浓缩减量系统废水含固量，并将信息反馈给优化层，优化层接收感知层的信息并优化控制层的设定控制参数，控制层根据优化层的参数设定结合实时工况的在线监测信息与反馈状态，对实际运行装置进行控制。

4、本发明脱硫废水中主要污染物为重金属盐及以cacl2形式存在的c1^-盐，在脱硫废水液滴蒸发的过程中，几乎所有的含氯盐和重金属盐结晶生成固态的颗粒被袋式除尘器捕捉进入干灰，不会造成污染物的循环累积。

附图说明

图1是本发明的系统流程图；

图2是本发明控制层的系统控制变量参数示意图；

图3是双流体喷枪在第一蒸发烟道内的布置图；

示意图中的标注说明：

1-装置层；2-控制层；3-感知层；4-烟气烟道；5-干式电除尘器；6-引风机；7-脱硫塔；11-废水预处理系统；12-浓缩减量系统；13-蒸发脱氯除尘系统；21-控制机构；22-输送泵；23-排出泵；24-电动调节阀；25-变频泵；26-第一电动挡板门；27-第二电动挡板门；28-第三电动挡板门；31-废水含固量监测装置；32-第一烟气参数监测装置；33-第二烟气参数监测装置；34-第三烟气参数监测装置；35-第四烟气参数监测装置；41-干式电除尘器前端烟道；42-脱硫塔前端烟道；121-蒸发浓缩塔；122-变频喷淋层；123-可抽取式液滴捕集器；124-废水浓缩池；125-第三进烟口；126-第二出烟口；127-进烟道；128-出烟道；131-双流体喷枪；132-袋式除尘器；133-第一蒸发烟道；134-第二蒸发烟道；135-第一出烟口；136-第一进烟口；137-第二进烟口。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，某热电厂两台220t/h热电联产机组，采用石灰石-石膏湿法烟气除尘脱硫系统，两台锅炉废水产生量为3.5t/h，烟气除尘脱硫系统包括由烟气烟道4依次连接的干式电除尘器5、引风机6和脱硫塔7，烟气烟道4依次连接前端干式电除尘器5、引风机6和后端的脱硫塔7。本实施例涉及一种利用烟气余热的智能化废水零排放耦合脱氯系统，包括装置层1、控制层2、感知层3和优化层，所述的装置层1连接在烟气烟道4上用于通过锅炉烟气余热实现废水脱氯，控制层2用于控制装置层1的运行并设定控制参数，感知层3用于监测装置层1烟气、废水信息和烟气烟道4烟气信息并将信息反馈给控制层2，优化层用于优化控制层2的设定控制参数。

所述的烟气烟道4包括干式电除尘器前端烟道41和脱硫塔前端烟道42，干式电除尘器5进烟口与干式电除尘器前端烟道41连通，干式电除尘器5出烟口通过引风机连通脱硫塔前端烟道42；所述的装置层1包括废水预处理系统11、浓缩减量系统12和蒸发脱氯除尘系统13，所述的废水预处理系统11分别与脱硫塔7和浓缩减量系统12连接，蒸发脱氯除尘系统13的进烟口与干式电除尘器前端烟道41和脱硫塔前端烟道42连通，蒸发脱氯除尘系统13的出烟口与浓缩减量系统12的进烟口连通，浓缩减量系统12的出烟口与脱硫塔前端烟道42连通，浓缩减量系统12的废水出口与蒸发脱氯除尘系统的进烟口连通。

所述的控制层2包括控制机构21、用于输送新鲜废水的输送泵22、用于排出浓缩废水排出泵23、用于压缩空气的电动调节阀24、用于废水循环的变频泵25和用于开闭锅炉烟气抽取的第一电动挡板门26、第二电动挡板门27和用于开闭烟气排出的第三电动挡板门28，所述的输送泵22、排出泵23、电动调节阀24、变频泵25、第一电动挡板门26、第二电动挡板门27和第三电动挡板门28与控制机构21连接。

所述的感知层3包括用于监测浓缩减量系统12中废水的废水含固量监测装置31、用于监测脱硫塔7入口烟气的第一烟气参数监测装置32、用于监测干式电除尘器5入口烟气的第二烟气参数监测装置33、用于监测浓缩减量系统12进出烟道的第三烟气参数监测装置34和第四烟气参数监测装置35，废水含固量监测装置31、第一烟气参数监测装置32、第二烟气参数监测装置33、第三烟气参数监测装置34和第四烟气参数监测装置35分别与控制机构21连接。所述的蒸发脱氯除尘系统13包括双流体喷枪131、袋式除尘器132和第一蒸发烟道133和第二蒸发烟道134；所述的袋式除尘器132的一端设有第一进烟口136和第二进烟口137，另一端设有第一出烟口135，所述的第一进烟口136通过第一蒸发烟道133与引风机6后端烟道连通，所述的第二进烟口137通过第二蒸发烟道134与干式电除尘器前端烟道41，双流体喷枪131垂直布置于袋式除尘器132前端0.8米处的第一蒸发烟道133内，与所抽取的蒸发烟气逆向接触，第一蒸发烟道133抽取的蒸发烟气流速为4.5m/s；第一蒸发烟道133抽取蒸发烟气来源4内的烟气比例为25％，所述的第一电动挡板门26安装在第一蒸发烟道133的进烟端，第二电动挡板门27安装在第二蒸发烟道134的进烟端；当第一蒸发烟道133抽取的烟量难以满足系统运行要求时，启动第二电动挡板门27，抽取部分高温烟气以保证后续脱氯除尘系统的稳定运行；双流体雾化喷枪131主要由内外两层管道、内混合腔组成。中心管道内流动的工质可以为高速运动着的压缩空气，压力为0.5mpa，外部管道流动的介质为流速为1.5～2.0m/s的废水浓缩液。压缩气体从中心管内高速喷出后被浓缩废水包裹着继续向前运动，气体和液体之间发生相互作用而实现液体的雾化，液体经过混合处和喷嘴处两次雾化，达到较细雾化粒径的要求。

如图3所示，双流体喷枪131相对于第一蒸发烟道133的喷射角度为60°，喷射速度为50m/s，通过前期选型和后期调试，使得雾化颗粒达到最佳蒸发粒径50μm、具备较快的蒸发时间和较短的蒸发距离。双流体喷枪131雾化的废水与120～150℃烟气接触，雾化的废水快速蒸干为含氯盐等颗粒物，含氯盐等颗粒物随烟气进入袋式除尘器132，其中含氯盐颗粒物被高效袋式除尘器132捕集下来，除尘脱氯净化后的烟气进入浓缩减量系统12。废水量与浓缩减量系统12中的氯离子含量相关，浓缩蒸发后的废水经脱氯除尘后，可减少95％～99％废水中的氯离子进入脱硫系统，进而减少废水产生量。

通过流体动力学软件对废水雾化喷入蒸发烟道133后，烟气与废水雾滴之间的运动、传质进行数值模拟计算，确保雾化后的废水雾滴经烟气拖拽和烟气整体流动保持一致性。

所述的浓缩减量系统12由蒸发浓缩塔121、变频喷淋层122、可抽取式液滴捕集器123和废水浓缩池124组成，蒸发浓缩塔121的壳体采用不锈钢(2205或2507)或玻璃钢材质，所述的水浓缩池124设于蒸发浓缩塔121底部，变频喷淋层122和可抽取式液滴捕集器123设于蒸发浓缩塔121内，可抽取式液滴捕集器123位于变频喷淋层122上方；所述的蒸发浓缩塔121下部设有第三进烟口125，顶部设有第二出烟口126，第一出烟口135通过进烟道127与第三进烟口125连通，第二出烟口126通过出烟道128与脱硫塔前端烟道42连通；废水浓缩池124通过变频泵25与变频喷淋层122连接，所述的变频喷淋层由循环管、喷淋管和喷嘴构成，变频泵25可以脱硫塔7前锅炉烟气温度和浓缩倍数的要求，进行变频调控循环浆液量。废水浓缩池124通过排出泵23与双流体喷枪131连接，废水浓缩池124通过输送泵22与废水预处理系统11连接。废水预处理装置11将脱硫废水中的悬浮物去除后，调整废水ph后，进入所述浓缩减量装置12。

所述的第一烟气参数监测装置32安装在引风机6后端烟道上；第二烟气参数监测装置33安装在干式电除尘器前端烟道41上；第三烟气参数监测装置34安装在蒸发浓缩塔121的进烟道127上，第四烟气参数监测装置35安装在蒸发浓缩塔121的出烟道128上，废水含固量监测装置31设于废水浓缩池124内，第三电动挡板门28安装在出烟道128的出烟端，当废水含固量达到一定数值时，排出泵23启动，浓缩废水经双流体喷枪131雾化喷出，电动调节阀24安装在排出泵23与双流体喷枪131之间的管路上。脱硫废水经变频喷淋层122的空心锥喷嘴雾化为粒径200～300微米的雾滴后与锅炉烟气逆向接触，废水被快速蒸发；烟气继续上行进入可抽取式液滴捕集器123，除去烟气中携带的废水液滴。

如图2所示，所述控制层2的操纵变量(mv)为补充新鲜废水流量、废水含固量、废水喷淋层流量、双流体喷枪喷射浓缩废水量和浓缩蒸发塔入口烟气流量；控制层的被控变量(cv)为废水浓缩比和抽取用于浓缩蒸发废水的烟气流量；控制层的扰动变量(dv)为锅炉负荷、浓缩塔入口烟气参数(包括烟气量、温度与含湿量)；所述控制层的被控变量(cv)的设定值由优化层进行优化。

优化层包括对浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统的精确建模，浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统的精确描述模型的建立包括以下步骤：

s1：采集浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统中各装置设计参数，测试报告；

s2：采集浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统的历史运行数据；

s3：根据历史运行数据分布，划分典型负荷区间和新鲜废水流量区间，获得典型锅炉负荷区间和新鲜废水流量区间内锅炉负荷、新鲜废水流量、废水浓缩比与抽取烟气流量和双流体喷枪喷射浓缩废水量的对应数据集；

s4：根据所划分的数据集，基于废水在浓缩蒸发塔的蒸发机理，在典型负荷区间和新鲜废水流量区间建立浓缩减量蒸发机理模型，并利用历史数据修正模型，获得典型负荷区间和新鲜废水流量区间入口烟气参数、液气比、废水含固量与废水浓缩比的对应关系；

s5：根据所划分的数据集，结合测试报告结果，利用数据建模方法，获得典型负荷区间和新鲜废水流量区间补充新鲜废水流量、废水浓缩比、双流体喷枪喷射浓缩废水量与抽取烟气流量的对应关系；

s6：基于这些对应关系，获得多种工况、多种运行参数下废水浓缩减量蒸发系统精确描述模型。

利用实时数据建立浓缩减量系统和蒸发脱氯除尘系统操纵量及各扰动参数对废水浓缩蒸发动态性能响应的模型，该模型具有在高、中、低负荷情况下，包含升负荷、降负荷、平稳负荷共九种子模型，在负荷变动的不同阶段，采用模型预测控制方法，并应用不同的子模型对废水浓缩减量蒸发装置的控制量进行实时优化调控。同时每间隔一段时间将会对动态性能响应的模型进行更新，使得在实际废水浓缩减量蒸发模型发生变化的时候也能够很好的控制操作参数，考虑到废水浓缩减量蒸发系统的特性，每1天更新一次模型。

根据锅炉负荷和废水处理量，利用优化层优化的废水浓缩减量蒸发机理模型和废水烟道蒸发机理模型，确定最佳的废水浓缩比和抽取烟气比例，进而实时控制新鲜废水输送泵22、浓缩废水排出泵23、压缩空气电动调节阀24、废水循环变频泵25、第一电动挡板门26和第二电动挡板门27，进而实现整个系统的高效稳定安全运行。

通过以上实施方案，可以减少废水蒸发时氯离子随烟气外排重新进入废水浓缩系统和脱硫系统，实现废水的源头减排；同时浓缩废水蒸发副产物为高含氯盐和重金属物质由独立运行的高效袋式除尘器捕集下来，避免造成原有除尘系统灰品质下降。根据废水处理量实时调整抽取用于浓缩蒸发废水的烟气流量；同时根据锅炉负荷调整双流体喷枪喷射浓缩废水量，进而实现整个系统的高效稳定安全运行。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案，实际的结构并不局限于此。所以本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。