火力發電廠煤泥沉淀池的設計及研究

胡華強，張 捷，胡天慈

(1.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102；2.中機國能電力工程有限公司，上海 200061)

1 概述

燃煤電廠含煤廢水主要來自輸煤系統沖洗排水和煤場初期雨水等，不同程度的含有煤顆粒懸浮物，不滿足廢水排放標準；其中輸煤系統沖洗水量較小，而煤場初期雨水量較大。近年來，電廠設計和運行管理部門環保意識增強，含煤廢水處理日益得到重視；一般均采用煤泥初沉池初沉+加藥煤水處理系統的工藝流程處理含煤廢水，處理合格的中水可以回用于煤水沖洗系統。據了解，各電廠設置的煤泥初沉池，容積各不相同，容積最大的有幾千立方，最小的僅幾十立方，差距巨大；原因是沒有一種規范、合適的設計方法。因此，研究開發一種既能滿足去除大部分煤顆粒懸浮物工藝要求、又能節約用地的、規范合適的煤泥初沉池設計方法是十分必要的。

2 現狀

對火力發電廠進行調研觀測，發現電廠煤泥初沉池存在不同程度的問題，主要表現在運行管理和設計方面都有不完善之處，煤泥初沉池出水不能滿足后續加藥煤水處理系統的進水水質指標。因此，如何合理確定煤泥初沉池設計標準，需要認真探討。

電廠煤場一般占地數公頃，堆有大量原煤。降雨時，煤場表面逐漸形成徑流。由于水流的沖刷作用，細小的煤粉顆粒隨水流排出煤場。因此煤場排出的初期雨水，含有相當數量的煤粉顆粒，色黑，懸浮物濃度達104 mg/L以上。輸煤系統沖洗水煤顆粒懸浮物濃度相對較小，但也高達數千mg/L以上。因此，合理的設置煤泥初沉池，收集煤場初期雨水以及輸煤系統沖洗水，不僅保護環境，而且能回收其中夾帶的煤粉。

3 火力發電廠煤泥沉淀池的設計

3.1 煤泥沉淀池有效容積的確定

煤場初期雨水煤泥初沉池的有效容積應根據煤場降雨量確定。煤場初期雨水量與雨水設計重現期、煤場初期雨水的降雨歷時以及煤場徑流系數有關。《火力發電廠水工設計技術規范》(以下簡稱《水工規范》)表13.1.5中規定，貯煤場徑流系數取值為0.15～0.30；《水工規范》14.3條文說明規定，煤場初期雨水集雨時間可按0.5 h～1.0 h考慮，設計重現期的取值宜與全廠協調一致(一般取為2～5 a)；《火力發電廠廢水治理設計技術規程》10.2.3條文說明規定，煤水沉淀池容積按照接納不小于0.5 h歷時過程中所能收集的水量確定。一般認為，降雨持續0.5 h后煤場雨水排水比較清潔；降雨時間0.5 h后的降雨不再進入煤泥初沉池，可以直接排入雨水下水道。

3.2 含煤廢水懸浮物顆粒分析

據測，進入煤泥初沉池的含煤廢水懸浮物濃度可達12000 mg/l左右，最大粒徑為30 mm～50 mm；懸浮物粒徑小的甚至呈膠體狀態。煤水中顆粒分布以及顆粒沉速對應情況，詳見表1、表2。

表1 煤水粒徑分布

表2 煤泥不同粒徑沉降速度

無論在動態沉淀的平流狀態還是靜止沉淀的靜水狀態下，細小煤顆粒的沉降均屬于層流狀態或近層流流態；根據表2數據，基于阿基米德原理，顆粒所受阻力與其在水中的重力相等時，將等速下沉；層流流態下煤顆粒的沉速計算可用斯托克斯(Stokes)公式：

式中：u為沉速，(m/s)；i為水的動力黏度，(Pa·s)；ρS為顆粒密度，(kg/m3)；ρ為水密度，(kg/m3)；d為顆粒粒徑，(m)；g為重力加速度，(m/s2)。

將表2數據代入斯托克斯公式計算可得：煤泥顆粒的平均顆粒密度ρS為：1396.3 kg/m3。

3.3 煤泥沉淀池臨界沉速u的確定

煤泥初沉池后的加藥煤水處理系統的工藝流程，要求進水懸浮物濃度不高于5000 mg/l。即針對懸浮物濃度高達12000 mg/l的含煤廢水，在煤泥初沉池中的去除率需達到近60%。即在粒徑≤0.04 mm的顆粒中仍有一半懸浮物需要在煤泥初沉池中去除。煤泥水懸浮物粒徑在0.01 mm以下時，懸浮物濃度一般處于1000 mg/L以下；利用插值法，取去除率達到60%懸浮物粒徑為0.025 mm，此時對應的沉速u為：

即為符合煤泥初沉池顆粒去除要求的臨界沉速u0；數值上等于煤泥初沉池的“表面負荷”Q/A，此項參數代表了沉淀池的沉淀能力，以此參數為標準即可展開煤泥初沉池的設計計算。

3.4 “動靜結合”模式的煤泥沉淀池據

試驗及實測，動態沉淀池的出水懸浮物可達1000 mg/l以上(此時的臨界沉速u0約為1.89×10-5m/s)，靜止沉淀池的上清水懸浮物可在700 mg/l～800 mg/l以下 ；均符合加藥煤水處理系統的進水懸浮物濃度要求。《水工規范》[1]第14.3.1條亦要求：發電廠宜設煤場雨水沉淀池，并宜與輸煤系統建筑沖洗排水沉淀池合并設置；因此，本文的煤泥初沉池設計采用動態平流沉淀池與靜止自然沉淀池相結合的模型，以適應包含煤場初期雨水、輸煤系統沖洗排水在內的各種含煤廢水來水處理要求。

當含煤廢水來源僅為輸煤系統沖洗排水時，由于來水總量相對較小，煤泥初沉池可按動態平流沉淀池模式設計，即：當含煤廢水流經煤泥初沉池到達沉淀區域末端時，懸浮物濃度可達到后續加藥處理系統的進水要求。

當含煤廢水來源主要為煤場初期雨水時，由于來水總量相對較大，煤泥初沉池按靜態自然沉淀池模式設計，即：將0.5 h內的煤場初期雨水儲存于煤泥初沉池有效容積中，有效容積中考慮存儲煤場初期雨水量的同時，還要考慮輸煤系統的一次沖洗水量。靜態自然沉淀池設計模式需要更長的沉淀時間，但沉淀池容積的利用率高，去除率較動態平流沉淀池設計模式要高，但需要較長的沉淀時間。

動態平流沉淀池設計模式與靜止自然沉淀池設計模式相結合的煤泥初沉池設計方法相較于傳統的靜止自然沉淀池，有著煤泥沉淀池利用率高、無需專設用于存蓄輸煤系統沖洗排水的容積，無需分格設置，減小占地面積的優勢。

4 設計實例

以北方某2×300 MW燃煤電廠工程為例，煤場占地面積約為2.75 km2，采用懸臂斗輪機雙列煤場，煤堆呈長條形布置，長約180 m，每條寬35 m，煤場堆高為14 m，儲煤約1×105t，可滿足2×300 MW機組約10天的耗煤量。取煤場徑流系數取值為0.20；煤場雨水設計重現期的取值宜與全廠協調一致為3年；半小時內的煤場初期雨水量為約300 m3；棧橋、轉運站水沖洗用水量：日用水量為120 m3/d；小時用水量為60 m3/h，每日2次，一次一小時。

當含煤廢水來源僅為輸煤系統沖洗排水時，Qmax=96 m3/h(考慮變化系數為1.2～2.0，取1.6)；該工況下，煤泥初沉池可按動態平流沉淀池模式設計，其臨界沉速u0=1.184×10-4m/s；則該平流沉淀池的“表面負荷”Q/A=0.426 m3/(m2·h)。由此可知，該平流沉淀池沉淀區域的占地面積A需≥Qmax/(Q/A)＝225.4 m2。

當含煤廢水來源主要為煤場初期雨水時，煤泥初沉池按靜態自然沉淀池模式設計，即其沉淀區域有效容積需≥0.5 h內的煤場初期雨水量+運煤系統的一次沖洗水量＝300＋96＝396 m3。

沉淀池的常規要求：長深比≥8～10；長度≤60 m；長寬比≥4；有效水深=3 m～3.5 m；且水工規范第14.3.2條要求煤泥初沉池宜符合下列要求：

超高為0.3 m～0.5 m；

有效水深宜采用2 m～3 m；

煤泥最大沉積厚度按0.5 m～1.0 m；

由此，確定沉淀池基本參數如下：沉淀區域長L=30 m；沉淀區域寬B=8 m(分兩格)；有效水深H=2 m；平面面積A=240 m2；有效容積V有效=480 m3；均滿足動態和靜態設計模式的最小平面面積、有效容積要求。一般情況下，雨天選擇靜態運行模式；非雨天選擇動態模式運行。

沉淀區域前端，設置啟閉機閘門兩座，將沉淀區域與進水區域分開，可供選擇動態模式或靜態模式運行；進水區域設置與煤場煤泥溝相連，設置溢流堰一座，具體見圖1。

沉淀區域末端，與不同高程設置啟閉機閘門3座(常開，僅在下雨時關閉)，將沉淀區域與出水區域分開，具體見圖2。

當含煤廢水來源僅為輸煤系統沖洗排水時，選擇動態模式運行，進水管道從進水區域閘門后接入沉淀區域，含煤廢水流經沉淀區域后由末端啟閉機閘門(全開)流出，進入初沉后煤水池；輸煤系統沖洗排水在流經沉淀區域的過程中進行動態平流沉淀，到達沉淀區域末端時，已符合出水的懸浮物濃度要求，從閘門孔中溢流至初沉后煤水池。

圖1 煤泥沉淀池沉淀區域前端平面圖

圖2 煤泥沉淀池沉淀區域末端斷面圖

當含煤廢水來源主要為煤場初期雨水時，選擇靜態運行模式；沉淀區域末端3座啟閉機閘門全關。煤泥初沉池轉化為靜態的自然沉淀，開始存儲來自煤場的初期雨水；設計暴雨強度下的0.5 h煤場初期雨水(300 m3，有效容積中剩余的96 m3為預留的存儲期間一次輸煤系統沖洗排水量)收集完畢后，關閉進水區域啟閉機閘門(此處設置液位聯鎖)，0.5 h以后清潔的煤場雨水通過溢流堰進入廠區雨水管道系統排放。見圖3，陰影部分即為靜態的自然沉淀池所存儲的煤場初期0.5 h雨水量。

煤顆粒臨界沉速u0=1.184×10-4m/s，則每沉降1世面m需耗時T0＝H0/u0≈8446 s＝2.35 h；煤泥初沉池存儲區域有效水深H＝2 m，則可知靜態自然沉淀池的停留時間T＝H/u0≈16892 s＝4.70 h。即此部分存儲的煤場初期雨水，將在靜止自由沉淀4.70 h后符合煤泥初沉池出水的懸浮物濃度要求；屆時可打開沉淀區域末端各啟閉機閘門，將此部分水量放至初沉后煤水池。也可利用沉降高度與所需沉降時間的對應關系，從上到下，依次打開沉淀區域末端各啟閉機閘門。

圖3 煤泥沉淀池縱向剖面圖

5 結論

綜上所述，這種煤泥初沉池設計方案在保證出水懸浮物濃度符合后續工藝系統要求的前提下，兼顧了動態平流沉淀和靜態自由沉淀兩種運行模型；在不同的工況下，能于這兩種模型間交替切換運行，無需分格設置[1]，減小了占地面積，為電廠煤水系統的設計方案提供了一個新的思路。

[1]DL/T5339－2006，火力發電廠水工設計規范[S]．

[2]DL/T5046－2006，火力發電廠廢水治理設計技術規程[S]．

[3]張康年．火力發電廠含煤廢水處理方式優選[J]．電力土水設計，2008，(4)．

[4]嚴煦世，范瑾初．給水工程(第四版)[M]．北京：中國建筑工業出版社，1999．

[5]楊秀偉．應用集成式污水凈化技術改造含煤廢水處理系統[C]//火力發電節水技術研討會，2006．