廢水“零排放”下燃煤電廠脫硫廢水水量的確定

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(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030； 2.華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204；3.華電龍口發(fā)電股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引言

隨著燃煤電廠煙氣處理超低排放改造工程的推進(jìn)，對(duì)煙氣中SO2排放濃度的要求日益嚴(yán)格，對(duì)石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生了重要影響。為保證濕法脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行，須更為嚴(yán)格地控制脫硫漿液的品質(zhì)，由此造成部分電廠濕法脫硫系統(tǒng)的脫硫廢水排放量有所增加。與此同時(shí)，國(guó)務(wù)院于2015年4月正式發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，對(duì)各類污廢水的處理和排放提出了更高的要求，部分地方政府也相繼出臺(tái)地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外排廢水的含鹽量做出嚴(yán)格要求：河北省發(fā)布的DB 13/831—2006《氯化物排放標(biāo)準(zhǔn)》增加了對(duì)廢水排放中氯離子的限值(350 mg/L)；在DB 37/599—2006《山東省南水北調(diào)沿線水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》與DB 37/676—2007《山東省半島流域水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，2016年1月1日起，外排水全鹽量指標(biāo)限值為1 600 mg/L，以城市中水或循環(huán)水為主要水源的企業(yè)，全鹽量指標(biāo)限值為2 000 mg/L；2013年，北京市出臺(tái)的DB 11/307—2013《水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，排入地表水體的水污染物中可溶性固體總量小于1 600 mg/L。

根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外燃煤電廠廢水“零排放”改造工程的實(shí)施情況來(lái)看，脫硫廢水的“零排放”處理在整個(gè)工程投資中占比較大，直接關(guān)系到整個(gè)工程的投資和運(yùn)行成本。脫硫廢水的水量既要保證脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行，又要盡可能減少?gòu)U水排放量，降低廢水處理系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本。合理降低脫硫廢水排放量對(duì)于降低廢水“零排放”改造系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本具有重要意義。

1 脫硫廢水水量的確定

脫硫廢水由于具有含固量高、重金屬離子超標(biāo)、含鹽量高、水質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，成為廢水處理中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。常規(guī)的“中和—絮凝—沉淀”等工藝能夠處理以脫硫廢水、酸堿再生廢水為代表的高含鹽廢水(含鹽量>2 000 mg/L)中的固體懸浮物、重金屬離子等，但是對(duì)降低其含鹽量沒有明顯的作用，常規(guī)工藝處理后仍然難以達(dá)到新的排放標(biāo)準(zhǔn)；而含鹽量<2 000 mg/L的廢水可以用作脫硫工藝水、循環(huán)水補(bǔ)水、灰渣系統(tǒng)補(bǔ)水等，不需要外排，即部分地區(qū)對(duì)燃煤電廠外排水含鹽量的要求間接達(dá)到了廢水“零排放”。

1.1 氯離子含量控制

總體來(lái)講，脫硫廢水的水量可以根據(jù)脫硫漿液中氯離子的質(zhì)量濃度來(lái)確定。根據(jù)DL/T 5196—2016《火力發(fā)電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》，脫硫吸收塔漿池運(yùn)行氯離子質(zhì)量濃度按不超過20 000 mg/L設(shè)計(jì)，接觸吸收塔漿液的部件材料防腐能力應(yīng)按氯離子質(zhì)量濃度不超過40 000 mg/L設(shè)計(jì)。不過在實(shí)際運(yùn)行中，脫硫漿液氯離子質(zhì)量濃度的控制還需要考慮漿燃煤煤質(zhì)、液品質(zhì)、石膏品質(zhì)等因素。脫硫漿液中的氯離子主要來(lái)自燃煤煙氣氯元素的溶解以及脫硫工藝水的攜帶。

1.1.1 燃煤煤質(zhì)

燃煤煙氣中氯元素主要來(lái)自煤中攜帶的氯元素在燃燒過程中形成的HCl以及以灰分中攜帶的NaCl，KCl，CaCl2，化學(xué)反應(yīng)方程式[1]為

我國(guó)煤中氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般較低，通常在0.01%～0.20%之間，平均為0.02%，絕大部分在0.05%以下，少部分在0.05%～0.15%之間?；曳衷礁?，煤中氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高[2-4]。以1臺(tái)300 MW機(jī)組為例，機(jī)組每小時(shí)燃煤120 t，假定燃煤的氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為我國(guó)煤中氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值(即0.02%)、煤完全燃燒且燃燒后所含的氯元素全部進(jìn)入漿液并通過排出脫硫廢水的形式排出，那么隨脫硫廢水排放的氯元素應(yīng)為24 kg/h。在脫硫廢水水量控制在5 t/h的情況下(300 MW機(jī)組正常脫硫廢水排放量)，由燃煤攜帶的氯離子的貢獻(xiàn)約為4 800 mg/L。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)煤質(zhì)情況(氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰分)、機(jī)組運(yùn)行情況等多個(gè)因素進(jìn)行調(diào)整。

1.1.2 工藝水

石灰石-石膏濕法脫硫工藝需要消耗大量的工藝水，工藝水在脫硫系統(tǒng)內(nèi)與煙氣進(jìn)行換熱而不斷蒸發(fā)，工藝水中溶解態(tài)的氯化物也被不斷濃縮。因此，工藝水的攜帶也是脫硫漿液氯元素的一個(gè)重要來(lái)源。調(diào)研結(jié)果顯示[5]，1臺(tái)600 MW機(jī)組的脫硫系統(tǒng)蒸發(fā)水與石膏結(jié)晶水總計(jì)約為100 t/h，這部分水可以看作純凈水(不含氯元素)。在脫硫廢水量控制在10 t/h時(shí)，脫硫漿液中的氯離子質(zhì)量濃度相當(dāng)于脫硫工藝水被濃縮了11倍(110/10=11)。根據(jù)脫硫工藝水中氯離子質(zhì)量濃度可以粗略計(jì)算出脫硫工藝水中氯元素?cái)y帶對(duì)脫硫漿液(廢水)中氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的貢獻(xiàn)值。例如，脫硫工藝水中氯離子質(zhì)量濃度為1 000 mg/L，脫硫工藝水中氯元素對(duì)脫硫漿液(廢水)中氯元素的貢獻(xiàn)值約為11 000 mg/L。

脫硫工藝水在脫硫系統(tǒng)中的濃縮倍數(shù)的計(jì)算是基于脫硫系統(tǒng)的水平衡數(shù)據(jù)，與脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和煙氣參數(shù)密切相關(guān)，在計(jì)算中需要綜合考慮實(shí)際情況。

1.2 漿液起泡的控制

濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，漿液起泡情況也是影響漿液品質(zhì)和脫硫效率的重要因素。

脫硫吸收塔正常運(yùn)行過程中，通過氧化風(fēng)機(jī)向脫硫吸收塔內(nèi)鼓入氧化空氣，將亞硫酸鈣氧化為硫酸鈣。在這一過程中，在攪拌器和噴淋漿液的作用下，氧化空氣進(jìn)入液相內(nèi)部并在液面形成氣泡。在漿液黏性較大時(shí)，黏性力對(duì)液膜中液體流動(dòng)的阻礙較大，泡沫相對(duì)穩(wěn)定而形成泡沫層[6]。隨著脫硫漿液的循環(huán)，漿液不斷吸收煙氣中的表面活性劑、粉塵、重金屬離子、油滴等雜質(zhì)，表面與內(nèi)層溶液的表面張力差增大。當(dāng)局部液膜變薄時(shí)，里層表面張力較大的液體裸露出來(lái)，在液面處形成張力梯度，周圍張力較小的液體會(huì)運(yùn)動(dòng)到該處阻止其進(jìn)一步變薄，因此液膜具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性，泡沫維持時(shí)間較長(zhǎng)[7]。

脫硫漿液起泡會(huì)對(duì)脫硫系統(tǒng)造成不同程度的影響：如機(jī)組啟動(dòng)或事故狀態(tài)下燃燒不充分，部分具有表面活性雜質(zhì)進(jìn)入吸收塔，可能造成漿液氣泡、甚至石灰石“致盲”，導(dǎo)致漿液中毒，進(jìn)而影響脫硫效率；脫硫吸收塔內(nèi)漿液氣泡量較大時(shí)，吸收塔內(nèi)實(shí)際液位偏低，造成石膏氧化時(shí)間不足，亞硫酸鹽含量偏高，也會(huì)導(dǎo)致脫硫效率降低；若脫硫系統(tǒng)設(shè)置有增壓風(fēng)機(jī)，漿液氣泡嚴(yán)重時(shí)可能造成部分漿液溢流至增壓風(fēng)機(jī)內(nèi)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成葉片斷裂，影響整個(gè)脫硫系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1.3 石膏品質(zhì)的控制

石膏中氯離子的質(zhì)量濃度通常是石膏銷售和綜合利用中的一個(gè)重要指標(biāo)，JC/T 2074—2011《中華人民共和國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 煙氣脫硫石膏》對(duì)石膏中氯離子做出了限定：一級(jí)石膏中氯離子質(zhì)量濃度不超過100 mg/kg；二級(jí)石膏中氯離子質(zhì)量濃度不超過200 mg/kg；三級(jí)石膏中氯離子質(zhì)量濃度不超過400 mg/kg。有研究表明，石膏中氯離子質(zhì)量濃度過高會(huì)使石膏脫水性能急劇下降[9]。另外，漿液氯離子濃度較高容易導(dǎo)致石膏結(jié)晶性變差、強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響脫硫石膏的性能[10]。脫硫石膏中氯離子的控制主要有2個(gè)途徑：(1)將脫硫漿液中的氯離子質(zhì)量濃度控制在一定的范圍內(nèi)；(2)脫硫真空皮帶脫水機(jī)上的石膏沖洗工藝可通過控制石膏沖洗水中的氯離子質(zhì)量濃度、增加真空皮帶脫水機(jī)的沖洗面積等方法降低石膏中氯離子質(zhì)量濃度。后者作用相對(duì)有限，需要適當(dāng)增加脫硫廢水的排出量來(lái)保證脫硫石膏氯離子質(zhì)量濃度達(dá)到要求。

2 降低脫硫廢水排放的途徑

在實(shí)際操作中，可以通過優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式、調(diào)整脫硫系統(tǒng)運(yùn)行工藝參數(shù)等，盡可能維持脫硫漿液品質(zhì)，從而降低脫硫廢水的排出量。

(1)機(jī)組啟停過程中，控制投油量，并提高燃燒效率，避免不完全燃燒，減少進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的油滴含量，降低漿液起泡量。

(2)盡可能提高脫硫補(bǔ)充工藝水水質(zhì)，采用循環(huán)水作為脫硫工藝水時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)盡量少用含表面活性劑性質(zhì)的殺菌劑，減少脫硫漿液起泡溢流。

(3)提高除塵系統(tǒng)的除塵效率，減少進(jìn)入脫硫吸收塔的粉塵顆粒量，避免由于微小固體顆粒黏結(jié)在泡沫表面而提高泡沫的穩(wěn)定性。

(4)嚴(yán)格控制脫硫石灰石的品質(zhì)，降低雜質(zhì)含量(如控制MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)<2%)，提高脫硫漿液品質(zhì)。

(5)對(duì)脫硫石膏脫水系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造，提高石膏沖洗水水質(zhì)，盡可能提高石膏沖洗效果。

(6)在保證氧化效果的前提下減少氧化空氣用量，避免剩余空氣以氣泡的形式從氧化區(qū)底部溢至漿液表面而導(dǎo)致吸收塔漿液泡沫的增加。

(7)適當(dāng)投入消泡劑。

3 結(jié)論

脫硫廢水排放量的確定是一個(gè)系統(tǒng)性的論證過程，需要多方面考慮、論證，在實(shí)際操作中，需要從全廠整體著眼，統(tǒng)籌考慮，在保證脫硫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能減少脫硫廢水排放量。通?？梢酝ㄟ^使用消泡劑調(diào)節(jié)漿液品質(zhì)，減少漿液和脫硫廢水排放量。

此外，建議測(cè)量脫硫系統(tǒng)入口煙氣中氯元素含量，準(zhǔn)確測(cè)得由煙氣攜帶的氯元素對(duì)漿液氯離子含量的貢獻(xiàn)。