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  • 火力發電廠脫硫廢水“零排放”技術路線分析

    火力發電廠脫硫廢水“零排放”技術路線分析

                隨著 2015 年 《水污染防治行動計劃》、2016 年《電力發展“十三五”規劃》 《控制污染物排放許可制實施方案》 及 2017 年 《火電廠污染防治技術政策》《火電廠污染防治可行技術指南》 等一系列法規政策的出臺和實施,提高火電廠用水效率,實現水資源梯級利用和廢水“零排放”,已經成為火電企業實現可持續發展的必經之路。從行業現狀來看,脫硫廢水“零排放”技術流派眾多,但均處于試點、技術驗證階段,未形成成熟、統一的路線。系統運行穩定性差、運營成本高、生化污泥及結晶鹽處置難度大等技術難題仍是“零排放”的主要障礙。

                1 脫硫廢水的產生及其水質特點

                脫硫廢水主要來自石膏脫水和清洗系統,或是水力旋流器的溢流水及皮帶壓濾機的濾液,是維持脫硫裝置漿液循環系統物質平衡,控制石灰石漿液中可溶部分 (即 Cl-) 含量、保證石膏質量的必要工藝環節。廢水中所含物質繁雜,大體分為氯化物、氟化物、高濃度的亞硫酸鹽、懸浮物、硫酸鹽以及少量的重金屬離子 (如 Pb2+、Cr2+等)、氨氮等,是火電廠最難處理的末端廢水之一。

                2 常見脫硫廢水治理工藝及其特點

                2.1 脫硫廢水“零排放”工藝概述

                要實現脫硫廢水“零排放”,不論何種技術路線,基本都可分解為預處理、濃縮和結晶 3 個工藝段。

                2.2 國內常見脫硫廢水“零排放”方案

                2.2.1 借助除灰系統間接實現“零排放”

                具備水力除灰系統的電廠,脫硫廢水經預處理后直接排放至水力除灰系統。只要電廠水力除灰系統水平衡不被破壞,這種處理方式的經濟性最好,原水力除灰系統基本不用改造,也不需要額外增加水處理系統,且不會明顯降低濕渣品質,造成灰渣降級使用;加之堿性灰渣水對脫硫廢水中重金屬離子和酸性物質有一定的脫除效果,脫硫廢水預處理指標可適當放寬。雖然脫硫廢水會導致水力除灰系統故障率提高,設備壽命縮短,但從整體費用核算來看,該方案仍是所有方案中成本最低的。

                該處理方案存在以下不足:

                a) 只適用于水力除灰。

                b) 脫硫廢水消納量有限,無法全額處理。以 4×300 MW機組為例,水力除灰系統的廢水消納量為 5~6 t/h,而機組 80%負荷率的脫硫廢水產出量為 7~15 t/h。

                c) 除灰系統腐蝕加劇,檢修運維成本增加。隨著脫硫廢水中Ca2+、Mg2+、Cl-的不斷進入,水力除灰系統結垢堵塞、系統部件腐蝕勢必加劇。在水力除灰系統接入脫硫廢水后,系統平均使用壽命由 43~52 個月縮減至 21~23個月。

                d) 高鹽脫硫廢水易造成鍋爐煙道、構件腐蝕,影響安全性。

                2.2.2 通過煙氣蒸發實現“零排放”

                鍋爐煙道蒸發是利用鍋爐煙氣的溫度將預處理系統、濃縮系統處理后的脫硫廢水蒸干,水蒸氣隨煙氣排入大氣,結晶鹽隨飛灰排出。應用較多的蒸干工藝為:自省煤器后引入質量分數為 3%~5%的煙氣,走煙氣旁路,通過脫硫廢水蒸干裝置蒸干廢水。該處理方案的不足之處在于:a) 不適用于布袋除塵;b) 導致鍋爐效率下降 0.1%~0.2%,影響經濟性;c) 投資造價較高,且結晶鹽混入干灰后,易造成干灰TDS (可溶鹽) 超標,干灰需降級使用。

                2.2.3 通過蒸汽 煙氣余熱蒸發實現“零排放”

                蒸汽蒸干技術、機械-蒸汽蒸干 (MVR) 技術和尾部煙道低溫閃蒸分鹽技術主要是利用蒸汽、壓縮機+蒸汽、煙氣余熱的熱量將脫硫廢水蒸干為水蒸氣和分鹽處理后的結晶鹽,處理最徹底,是真正意義上的“零排放”。廢水及蒸汽中的水可冷凝回用,生成的結晶鹽純度較高,可做工業使用。

                3 種蒸干技術運行成本對比為:蒸汽蒸干技術路線械-蒸汽蒸干技術>尾部煙道低溫閃蒸分鹽技術。該處理方案存在的不足為:a) 蒸發結晶系統運行能耗高,投資成本大,在沒有相應政策補貼的情況下,電廠應用的積極性不高。b) 結晶鹽回用途徑不暢通,電廠再處置困難。c) 尾部煙道低溫閃蒸會降低排煙溫度,對煙囪防腐有一定要求。d) 由于廢水蒸干能耗高,通常情況下需與脫硫廢水預處理系統、濃縮系統結合應用,利用預處理脫除 Ca2+、Mg2+,減少蒸干設備結垢堵塞,利用濃縮系統減少廢水處理量,降低運行成本。因此,建設蒸發結晶系統時需同步建設性能可靠的預處理系統及濃縮系統,建設初投資大。

                2.3 美國 日本以及歐盟常見脫硫廢水“零排放”工藝

                美國、日本以及歐盟均無脫硫廢水“零排放”的要求 (美國部分地方政府、行業部門有要求),但對工業廢水的可溶性鹽含量有嚴格限制,Se、Hg、As 等排放濃度僅為中國標準的百分之幾。因此,國外燃煤電廠的脫硫廢水多以達標排放為主,從可查的“零排放”工藝看,主要包括以下幾種。

                2.3.1 蒸發塘工藝

                在美國西南干旱少雨地區,修建一個或多個水塘進行脫硫廢水自然蒸發。當自然蒸發能力達不到“零排放”目標時,可通過噴灑式蒸發器提高蒸發速率。

                2.3.2 灰攪拌工藝

                美國燃煤電廠的飛灰大約 50%進入市場重新利用,另外 50%的灰需要填埋。在飛灰運輸和填埋的過程中,需要加水來控制揚塵,即采用脫硫廢水和灰攪拌、填埋方式實現“零排放”目標。當脫硫廢水水量較多時,可使用蒸發器濃縮脫硫廢水,降低廢水量。

                2.3.3 蒸發結晶工藝

                蒸發結晶工藝可以實現水的清潔回用,結晶的固體在一些地方用作工業原料。如果晶體無法循環利用,則填埋處理。按照預處理過程,蒸發器和結晶器的組成可以細分為:物化法預處理+蒸發器、物化法預處理+軟化+蒸發器+結晶器、物化法預處理+部分軟化+蒸發器+結晶器、物化法預處理+蒸發器+結晶器、物化法預處理+軟化+多效結晶器。

                2.3.4 噴霧干燥工藝

                處理方案包括:利用煙氣潛熱,把脫硫廢水直接霧化噴灑在煙道內蒸發實現“零排放”;從空預器前引出熱煙氣進入噴霧干燥塔,實現固液分離,結晶固體和飛灰隨煙氣回到主煙道與系統飛灰一起被除塵裝置收集。通過市場調研,上述幾種脫硫廢水“零排放”方案各有優缺點,都有一定的工程實用案例可借鑒,從技術原理分析都是可行的,制約工藝推廣的因素主要源自系統可靠性及生產運營成本。

                3 脫硫廢水“零排放”改造技術路線

                脫硫廢水“零排放”是跨越多專業的綜合性課題,單從一點切入很難全面解決問題,必須沿著脫硫廢水“零排放”的工藝路線,由淺入深,由低投入向高投入來嘗試尋求最優解。

                3.1 通過運行調整控制廢水量

                常規脫硫工藝及系統防腐等級的 Cl-質量濃度上限為 20000mg/L,而脫硫廢水排水的 Cl-質量濃度僅為8000~10000mg/L。通過燃料控制、運行調整、加藥輔助,提高 FGD (煙氣脫硫) 漿液 Cl-質量濃度至上限,可有效降低脫硫廢水排放量。

                3.2 優化加藥工藝 降低加藥成本

                三聯箱是常規脫硫工藝的標配絮凝沉淀設備,現場應用普遍存在設備腐蝕嚴重、加藥系統自動化程度低、加藥配比不合理、加藥設備故障率高等現象。通過設備改良,提高防腐等級;加裝水質在線監測設備,調整加藥配比,實施自動加藥系統改造,以實現達標排放。研究重點可放在 Ca2+、Mg2+去除方面,為后續深度處理創造條件。

                3.3 改良污泥脫水裝置 實現污泥干化

                市面上常見的污泥脫水裝置有板框式和離心式,從應用效果看,成功案例不多,除脫水裝置自身的產品質量外,對污泥壓濾前的加藥調質方面重視度普遍不高,因此需要協同設備制造企業和化學專業、科研機構共同攻關,這樣才能有效改良污泥脫水裝置,提高設備可用率。研究重點可放在污泥加藥調質方面,降低污泥黏性,利于后續脫水處理。

                3.4 研究廢水濃縮工藝 提高濃縮倍率

                脫硫廢水濃縮包括反滲透、正滲透、電滲析、電吸附等多種解決方案,各種方案在處理效果方面 (如濃縮比率) 差異并不大,各技術流派比拼的主要是綜合運行價格 (初投資+運維),以及設備可靠性。

                3.5 攻關低溫閃蒸技術 優化系統 控制能耗

                對比蒸汽結晶技術、機械-蒸汽結晶技術和低溫閃蒸技術,低溫閃蒸技術利用的是煙氣余熱,對機組效率影響最小,加之裝置可從煙氣中捕捉部分水蒸氣,冷凝后回用,在水資源綜合利用方面具有一定優勢,且技術具有可移植性,技術優化后可向污水廠污泥干化行業移植,可作為該項目主要研究對象。

                3.6 開展分鹽技術研究 變廢為寶

                脫硫廢水蒸干結晶鹽銷路不暢的重要原因是結晶鹽中含有少量氟鹽、硝鹽雜質,因此蒸干結晶工藝中必須考慮分鹽處理,即利用溶液中對應溫度下各溶質溶解度差異及相圖理論進行分鹽處理,得到不同鹽產品。通過分鹽技術研究,實現“鹽硝分離”,這樣才能實現脫硫廢水處理副產品———結晶鹽的有效回用,變廢為寶。

                4 結語

                縱觀國家環保政策趨勢,無論是液廢,還是固廢,排放標準都日趨嚴格,國家政策倒逼企業實現廢水“零排放”及固體污染物的分級回用。而從市場調研情況看,各類脫硫廢水項目多依托某一環保公司的一種或幾種專屬技術,跨企業協同、跨工藝組合的多維度、多目標的設計優化和綜合應用方面仍屬空白,各類處理工藝雖已積累了大量現場中試、實際運行數據和各自工藝尋優策略,但始終處于各自圈地、缺少統籌狀態,無論是環保公司、中試所,還是設計院、設備廠家,這方面的研究都多有欠缺。因此,企圖從市場現有成熟脫硫廢水的工藝路線、處理方案、運營成本等因素的綜合分析入手,為脫硫廢水處理工藝的尋優設計提供一些導向性建議,為項目精益設計提供思路,助力火力發電廠在滿足國家排放標準的同時,合理降低環保設施造價、運營成本,實現火力發電企業可持續發展。

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