城市再生水回用于發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)的可行性分析

馮禮奎，俞明芳，姚 琳

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310012；2.國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800；3．杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站，杭州 310007）

0 引言

某發(fā)電廠生產(chǎn)用淡水全部使用水庫蓄水，2009年發(fā)電廠開始實施對外供熱，使發(fā)電廠對淡水資源需求量大幅上升，現(xiàn)有水庫蓄水量不能滿足要求。根據(jù)發(fā)電廠用水狀況核算，遠期淡水缺口達210萬m3/a，為此必須尋求新的淡水資源補給。發(fā)電廠附近1座污水處理廠具備10萬t/d的再生水生產(chǎn)能力，水量能夠滿足發(fā)電廠要求，且取水設(shè)施投資較低，因此將再生水作為解決水資源問題的首選對象。發(fā)電廠各淡水用戶中，脫硫工藝水對水質(zhì)要求相對較低，脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，年耗水量約460萬m3。若脫硫工藝水能夠用再生水替代，發(fā)電廠將以簡便經(jīng)濟的方式解決水源不足問題。

與水庫原水相比，再生水水質(zhì)較差，工藝水水質(zhì)改變必定會給脫硫系統(tǒng)運行帶來一些影響，因此在使用之前有必要對再生水回用于煙氣脫硫系統(tǒng)的可行性和工藝水水質(zhì)變化可能帶來的影響進行分析，以便制定合理的再生水利用方案，避免水質(zhì)變化帶來的不利影響。

1 再生水水質(zhì)特點

污水處理廠再生水處理系統(tǒng)設(shè)計的出水水質(zhì)標準主要參考GB/T 19923-2005《城市污水再生利用——工業(yè)用水水質(zhì)標準》和GB 50335-2002《污水再生利用設(shè)計規(guī)范》制定，實際運行中根據(jù)系統(tǒng)運行情況和用戶的要求制定了水質(zhì)指標期望值（即實控標準），提高了對再生水陰離子、化學需氧量（COD）、5日生化需氧量（BOD5）、硬度、懸浮物等重要指標的要求，以滿足用戶對設(shè)備腐蝕和結(jié)垢的防控要求。表1列出了污水處理廠再生水主要水質(zhì)指標的設(shè)計標準、實控標準和2010年全年的水質(zhì)分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表1 再生水主要水質(zhì)控制標準與水質(zhì)統(tǒng)計

日常水質(zhì)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，2010年全年所有水質(zhì)分析數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計標準，合格率100%，其中COD、氨氮、BOD、濁度等可被污水廠處理工藝調(diào)節(jié)控制的水質(zhì)指標均能達到期望值，而堿度、硬度、Cl-與SO42-等不能被處理的鹽類離子在部分時間段內(nèi)偶有超出期望值，但所有水質(zhì)指標月、年平均值都在期望值范圍內(nèi)，其中Cl-年平均值為87.1 mg/L，SO42-年平均值為65.0 mg/L，電導(dǎo)率年平均值為478.4 μs/cm，再生水水質(zhì)總體較好。

再生水水質(zhì)在一年中不同時段內(nèi)有所變化，表2為2010年不同月份再生水水質(zhì)變化情況。再生水水質(zhì)變化呈季節(jié)性，夏秋季水質(zhì)較冬、春季略差，部分指標超出期望值也主要是發(fā)生在夏、秋季。

表3為2010年9月份再生水和水庫原水水樣的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)對比。與水庫原水相比，再生水最大的特點是溶解性鹽類離子含量、COD、硬度及堿度較高，pH值以及懸浮物含量與水庫原水相當。此外，以城市污水為水源的再生水還有其獨有特點，如含氨氮、磷等富營養(yǎng)物質(zhì)，在消毒不徹底的情況下還可能攜帶病源體。

表3 再生水與水庫原水水質(zhì)比較

2 工藝水水質(zhì)要求及再生水可用性

濕法脫硫系統(tǒng)工藝水主要用于石灰石漿液制備及漿液系統(tǒng)補水、除霧器噴淋、氧化空氣增濕、石膏沖洗和停運時的設(shè)備管道沖洗，少部分用于泵軸密封，不同用途用水對水質(zhì)要求有所不同，目前針對石灰石-石膏濕法脫硫工藝用水的水質(zhì)沒有明確的國家標準，水質(zhì)要求主要從對脫硫工藝影響和設(shè)備腐蝕結(jié)垢方面進行考慮。

表2 再生水水質(zhì)月平均值變化

工藝方面，濕法脫硫系統(tǒng)要對吸收塔漿液中Cl-與F-等鹽類離子含量進行控制，過高的Cl-濃度會帶來多方面的負面影響，包括：因同離子效應(yīng)[1]抑制了CaCO3的溶解，影響SO2的吸收傳質(zhì)過程，降低脫硫效率；影響石膏結(jié)晶使石膏脫水困難，石膏品質(zhì)降低；加劇金屬材料的腐蝕等。F-對脫硫工藝最大的影響是在氟、鋁共存時發(fā)生“氟化鋁致盲”現(xiàn)象[2]，極大地阻礙石灰石溶解和反應(yīng)，使其化學活性嚴重下降，脫硫效率降低。為防止Cl-與F-等鹽類離子濃縮富集，脫硫系統(tǒng)運行過程中通過排放一定量廢水控制漿液Cl-濃度在20 000 mg/L以下。脫硫工藝水是漿液中氯離子和其他鹽類離子來源之一，為了降低工藝水的影響，對工藝水含鹽量，特別是Cl-含量要進行限制。

工藝水水質(zhì)對脫硫工藝的影響還體現(xiàn)在以下幾方面：用作石膏沖洗水時，工藝水氯含量影響石膏品質(zhì)；工藝水中石油類物質(zhì)進入到漿液中可能覆蓋在石灰石的表面，影響其溶解和反應(yīng)；工藝水中有機物含量較高時，在吸收塔運行溫度環(huán)境中可能造成有機物繁衍，在吸收塔內(nèi)產(chǎn)生起泡現(xiàn)象，影響塔內(nèi)液位檢測。

若工藝水具有較強腐蝕性，會造成碳鋼設(shè)備和泵軸密封系統(tǒng)加速腐蝕損壞。水的腐蝕性與其含鹽量、強酸陰離子含量和酸堿性有關(guān)，為防止工藝水造成設(shè)備腐蝕，也有必要對工藝水水質(zhì)進行限制。

根據(jù)國內(nèi)濕法脫硫系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對脫硫系統(tǒng)工藝水水質(zhì)的要求可參考文獻[3]。

從污水廠再生水水質(zhì)日常分析數(shù)據(jù)來看，再生水水質(zhì)滿足GB/T 19923-2005《城市污水再生利用—工業(yè)用水水質(zhì)》中的工藝與產(chǎn)品用水要求，也優(yōu)于脫硫系統(tǒng)對工藝用水的一般要求[3]，將再生水回用于脫硫工藝用水在水質(zhì)方面是可行的。

3 再生水水質(zhì)對脫硫系統(tǒng)的影響

3.1 再生水腐蝕性與結(jié)垢傾向

有研究表明城市污水再生水與自然界淡水相比，前者對碳鋼和銅合金的腐蝕性更強[4]，主要是因為再生水含鹽量較高，水中Cl-和SO42-等易致腐蝕的強酸陰離子含量高，此外再生水細菌種類復(fù)雜，細菌在繁殖過程中的生理作用以及形成的生物粘泥會促進腐蝕。脫硫系統(tǒng)工藝水改用再生水后，系統(tǒng)中未采取防腐蝕措施的碳鋼輸水管道、水箱以及泵軸密封系統(tǒng)有可能出現(xiàn)腐蝕加速的情況，但只要將含鹽量控制在一定范圍，這種腐蝕風險仍然是可控的。

再生水的硬度、堿度雖然高于源水，但遠低于鈣鎂垢析出的濃度，且輸水系統(tǒng)不存在高溫或鹽分濃縮情況，在管道及用水設(shè)備中結(jié)垢的可能性很小。

3.2 含鹽量變化的影響

工藝水含鹽量變化最主要的影響是使?jié){液中部分鹽類離子含量發(fā)生變化，在同等工藝水補水量和廢水排放量情況下，使用再生水作為工藝水，漿液中鹽類離子濃縮得更快。為了控制漿液中Cl-含量在一定水平，需增加廢水排放量。增加部分排水量可通過物料平衡計算得出。

圖1為漿液循環(huán)系統(tǒng)中Cl-平衡情況，假設(shè)漿液中控制Cl-質(zhì)量濃度為ρk，在某一工況下每小時由石灰石和原煙氣攜帶進入漿液中的Cl-量W維持不變，由石膏帶出的量W1為穩(wěn)定值，由凈煙氣攜帶出的蒸發(fā)水量維持不變且蒸發(fā)水中不含Cl-。脫硫廢水可以認為分2部分，一部分為將石灰石及煙氣帶入的氯離子排出需排放的水量，這部分廢水流量及帶出的Cl-量W2是穩(wěn)定的，第二部分則是為將由工藝水帶入的Cl-排出需排放的廢水量QF。

圖1 漿液循環(huán)系統(tǒng)中Cl-平衡情況

使用水庫原水作為工藝補水時，設(shè)原水Cl-質(zhì)量濃度為ρ0，原水用量為Q0，第二部分廢水量為QF0，根據(jù)Cl-進、出總量平衡情況，有如下關(guān)系式：

使用再生水時，設(shè)再生水Cl-質(zhì)量濃度為ρ1，使用量為Q1，第二部分廢水量為QF1，根據(jù)Cl-總量平衡同樣有如下關(guān)系式：

增加的廢水量：

由式（1）， （2）， （3）計算得出：

目前脫硫工藝水年平均用水量為460萬t，原水Cl-含量年平均值在20 mg/L左右，按照再生水Cl-含量年平均值87.1 mg/L、漿液中Cl-含量控制值20 000 mg/L計算，使用再生水后全廠脫硫廢水平均增加量約為1.77 t/h。

含鹽量變化還會導(dǎo)致石膏中Cl-含量增加，需根據(jù)石膏品質(zhì)要求確定再生水是否可用于石膏沖洗水。

3.3 堿度、硬度對脫硫工藝的影響

再生水堿度、硬度比原水高，其中堿度以碳酸鹽堿度為主。碳酸鹽堿度作為一種堿源有利于提高SO2吸收率，工藝水硬度的變化對以石灰石作為吸收劑的漿液化學過程影響可以忽略不計。

3.4 有機物及微生物的影響

COD高是再生水的一大特點，使用再生水作為脫硫工藝水，漿液和脫硫廢水COD會升高，同Cl-控制一樣，為控制廢水COD也需要增加廢水排放量。

再生水所含的有機質(zhì)以及氮、磷等富營養(yǎng)物質(zhì)有利于微生物的滋長，在殺生滅菌不徹底的情況下，輸、供水系統(tǒng)中有可能產(chǎn)生生物粘泥，一些能夠適應(yīng)漿液酸性環(huán)境的病毒或細菌有可能在漿液系統(tǒng)內(nèi)繁殖，若病毒和細菌隨煙氣擴散，將帶來一定的環(huán)境健康風險。再生水生產(chǎn)工藝的最后環(huán)節(jié)為ClO2消毒殺菌處理，在保證濃度的前提下ClO2對再生水中的各種菌類和病毒有良好的殺滅作用，正常情況下再生水菌落數(shù)量可以保持在較低的水平，以保證用水安全。

4 再生水回用方式與水質(zhì)管控

對發(fā)電廠來說，再生水不經(jīng)處理直接回用于脫硫系統(tǒng)是最簡便經(jīng)濟的利用方式，但考慮到水質(zhì)變化所帶來的影響，需要對脫硫系統(tǒng)用水水質(zhì)進行管控，根據(jù)不同用戶要求和再生水水質(zhì)調(diào)整再生水回用方式。

（1）明確再生水含鹽量（或電導(dǎo)率）、Cl-控制標準。過高的含鹽量使再生水利用的技術(shù)經(jīng)濟性降低，為監(jiān)測再生水水質(zhì)和應(yīng)對再生水水質(zhì)波動，有必要在再生水供水管道上安裝電導(dǎo)率表對再生水含鹽量進行在線監(jiān)測，當再生水電導(dǎo)率超出控制標準時，可通過參混部分水庫原水來改善工藝水水質(zhì)。

（2）對進廠再生水COD、氨氮含量、BOD和余氯含量進行檢測。進廠再生水中應(yīng)保持一定有效余氯量以防止藻類微生物或病原體在廠內(nèi)水池、輸水系統(tǒng)和吸收塔內(nèi)生長繁殖及擴散。

（3）脫硫系統(tǒng)中對水質(zhì)要求較高的用戶應(yīng)考慮保留使用水庫原水，如石膏沖洗水和設(shè)備軸封用水，以保證石膏品質(zhì)，防止軸封設(shè)備腐蝕損壞。

5 結(jié)語

石灰石濕法脫硫系統(tǒng)工藝用水是發(fā)電廠淡水資源消耗大戶，將城市再生水回用于脫硫系統(tǒng)是一項重大節(jié)水措施，可以節(jié)省大量的天然淡水，在目前淡水資源越來越緊缺的情況下具有顯著的環(huán)境和社會意義。

就水質(zhì)而言，再生水滿足GB/T 19923-2005《城市污水再生利用——工業(yè)用水水質(zhì)》中工藝與產(chǎn)品用水要求，也滿足脫硫工藝水一般要求，只要加強對水質(zhì)的監(jiān)測，適當調(diào)整運行方式，再生水回用于脫硫工藝水是完全可行的。

[1]邵煒.濕法脫硫吸收塔pH值異常分析和處理[J].浙江電力，2009（增）:82-83.

[2]曾庭華.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的調(diào)試、試驗及運行[M].北京，中國電力出版社，2008.

[3]姜靖雯，黃濤.鍋爐補給水系統(tǒng)廢水用于脫硫工藝水的償試[J].廣東電力，2009，22（10）：38-41.

[4]孫心利.城市污水再生水回用于電廠循環(huán)水的系統(tǒng)腐蝕及防護措施[J].中國電力，2007，40（6）:28-31.