火電廠反滲透濃水循環(huán)利用的試驗(yàn)研究

金 浩，葛啟仁，徐宏建

(1.田集發(fā)電廠，安徽 淮南 232098；2.上海電力學(xué)院，上海 200090)

近年來反滲透(以下簡(jiǎn)稱RO)技術(shù)以其先進(jìn)、可靠、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)在電廠鍋爐補(bǔ)給水處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在顯著減少酸堿消耗和排放的同時(shí)，也帶來了產(chǎn)水率下降問題。RO裝置產(chǎn)出的濃、淡水比例約為1∶3，即RO裝置每處理4 t原水，會(huì)產(chǎn)出1 t濃水和3 t淡水。RO濃水清澈透明，但含鹽量很高，并含有一定量的阻垢劑，致使其使用范圍受到限制，通常的處置方法是直接排放，或用作沖洗水后排放，兩者都存在環(huán)境污染問題；有人建議用作冷卻塔補(bǔ)水，但RO濃水的濃縮倍率在4以上，已接近多數(shù)電廠的控制上限，意義不大；還有建議作深度處理后回用，顯然成本太高[1-3]。本文通過一系列試驗(yàn)研究和反復(fù)論證，提出一種RO濃水循環(huán)利用新工藝，用來解決火力發(fā)電行業(yè)普遍存在的反滲透濃水循環(huán)利用難題。

1 RO濃水循環(huán)利用相關(guān)試驗(yàn)研究

本文以用水量較大的脫硫系統(tǒng)為切入點(diǎn)，擬通過RO濃水對(duì)于脫硫效果的影響，對(duì)于石膏品質(zhì)的影響以及對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備的影響等試驗(yàn)來論證其用作脫硫工藝水的可行性。

2013年6月中旬從某電廠現(xiàn)場(chǎng)采取反滲透濃水及工業(yè)水的水樣，其水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 反滲透濃水及工業(yè)水水質(zhì)分析報(bào)告

為考察不同摻混比例濃水對(duì)脫硫效果和系統(tǒng)金屬設(shè)備的影響，下列試驗(yàn)采用表2所列6組不同配比水樣作平行對(duì)比試驗(yàn)。

表2 不同配比水樣電導(dǎo)率(31℃)

1.1 RO濃水對(duì)于脫硫效果的影響

本試驗(yàn)?zāi)M工業(yè)煙氣脫硫反應(yīng)過程，主體設(shè)備為φ300 mm噴淋塔，模型總高2 000 mm， 內(nèi)裝四塊旋流板(RST)和一塊除霧板。由風(fēng)機(jī)鼓入的空氣與自鋼瓶放出的SO2經(jīng)緩沖罐混合后進(jìn)入塔底部，與自上而下的脫硫漿液逆流接觸，其中SO2大部分被漿液吸收，到塔頂經(jīng)除霧后排出。在循環(huán)槽中，用潛水泵把漿液打入旋流板塔與混合氣在旋流板塔脫硫試驗(yàn)裝置內(nèi)逆流接觸后，從塔底排入循環(huán)槽再循環(huán)使用。

1.1.1不同摻混比例RO濃水對(duì)SO2噴淋吸收效率的影響

不同配比RO濃水對(duì)SO2噴淋吸收效率試驗(yàn)如圖1所示。隨著濃水與工業(yè)水摻混比例的提高，對(duì)脫硫效率略有抑制。初始噴淋時(shí)(吸收時(shí)間<20 min)，由于石灰石漿液濃度不高，活性組分CaCO3迅速被消耗，脫硫效率下降較快；反應(yīng)后期(吸收60 min)，由于石灰石具有良好的pH緩沖效果，脫硫效率隨噴淋的進(jìn)行漸趨平緩。1∶5濃水的脫硫效果略高于1∶1濃水，當(dāng)稀釋比例進(jìn)一步提高到1∶20時(shí)，脫硫效率與基準(zhǔn)(工業(yè)水)比較，已無明顯差異。

圖1 不同配比RO濃水對(duì)SO2噴淋吸收效率試驗(yàn)

1.1.2不同摻混比例RO濃水對(duì)脫硫漿液pH變化的影響

不同配比RO濃水對(duì)脫硫漿液pH變化試驗(yàn)如圖2所示。由圖2可見，隨著吸收的進(jìn)行，循環(huán)漿液pH呈兩個(gè)階段的下降趨勢(shì)。首先，初期反應(yīng)(20 min以內(nèi))，pH下降較快；反應(yīng)中后期(40 min以后)，pH趨于平緩。反滲透濃水摻混比例越高，pH下降也越快，不利于維持較高的脫硫效率。這是由于反滲透濃水中雜質(zhì)離子(如鐵、鎂、鋁、氯離子等)含量較高，尤其是氯離子的存在，會(huì)導(dǎo)致同離子效應(yīng)，在石灰石表面形成“包裹”，從而間接導(dǎo)致漿液“失活”。當(dāng)反滲透濃水摻混比例達(dá)到1∶10、1∶20時(shí)，其pH隨時(shí)間的變化曲線與工業(yè)水(基準(zhǔn))基本重合，對(duì)應(yīng)pH緩沖值較接近工業(yè)上實(shí)際控制pH參數(shù)范圍。

圖2 不同配比RO濃水對(duì)脫硫漿液pH變化試驗(yàn)

1.1.3循環(huán)漿液強(qiáng)制空氣氧化試驗(yàn)研究

不同配比RO濃水漿液對(duì)強(qiáng)制空氣氧化的影響如圖3所示。

圖3 不同配比RO濃水漿液對(duì)強(qiáng)制空氣氧化的影響

由圖3可見，經(jīng)噴淋吸收的循環(huán)漿液，逐步濃縮至濃度15%(wt)，鼓入空氣強(qiáng)制氧化，亞硫酸鹽轉(zhuǎn)化率在反應(yīng)初期上升較快，60 min后轉(zhuǎn)化率隨氧化時(shí)間變化趨于緩和。反滲透濃水摻混比例提高不利于亞硫酸鹽的氧化過程。對(duì)比試驗(yàn)表明，稀釋倍率達(dá)到1∶10以上時(shí)，與工業(yè)水(基準(zhǔn))的亞硫酸鹽轉(zhuǎn)化率已非常接近。

1.2 反滲透濃水對(duì)石膏品質(zhì)的影響

在脫硫塔吸收模擬的基礎(chǔ)上，采用石膏結(jié)晶機(jī)理試驗(yàn)臺(tái)開展反滲透濃水中的各雜質(zhì)離子和有機(jī)物共存條件下，對(duì)石膏品質(zhì)影響的試驗(yàn)研究，以評(píng)定反滲透濃水對(duì)石膏品質(zhì)的影響。

利用該試驗(yàn)臺(tái)，在不同摻混比例條件下通過噴淋吸收—氧化結(jié)晶制備了5種石膏樣品，然后采用激光粒度分析儀對(duì)其平均粒度D50分別進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果匯總見表3。

表3 不同配比RO濃水制備的石膏平均粒度D50

通常認(rèn)為，石膏晶體的平均粒度越大，石膏的脫水性能越好，脫硫石膏品質(zhì)越高。由表3可見，隨著反滲透濃水與工業(yè)水摻混比例提高，副產(chǎn)物石膏的平均粒度D50縮小；但當(dāng)摻混比例低于1∶10時(shí)，石膏粒度的變化趨于穩(wěn)定。

根據(jù)結(jié)果，為保證脫硫效果和石膏品質(zhì)，同時(shí)兼顧廢水綜合利用率，建議反滲透濃水與工業(yè)水摻混比例≤1∶10。

1.3 RO濃水對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備的影響

本試驗(yàn)采用上海電力學(xué)院自行研制的“火電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)模擬試驗(yàn)平臺(tái)”，該試驗(yàn)臺(tái)具有溫度控制、流量調(diào)節(jié)、自動(dòng)補(bǔ)水、在線監(jiān)測(cè)等功能。

參照HB/T2160—1991《冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)方法》、GB/T 18175—2000《水處理劑緩蝕性能的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)掛片法》，常溫常壓條件下，在該試驗(yàn)平臺(tái)上模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)RO運(yùn)行流速及不同RO濃水與工業(yè)水配比水質(zhì)、金屬材料等主要參數(shù)，通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來評(píng)定反滲透濃水對(duì)脫硫系統(tǒng)設(shè)備的影響，此外采用在線腐蝕監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)金屬材料的腐蝕速率和點(diǎn)蝕趨勢(shì)。

本試驗(yàn)采用20號(hào)碳鋼標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片、耐腐蝕性能一般的304不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片，考慮到工業(yè)水系統(tǒng)用水設(shè)施中有純銅冷凝器，故加上紫銅標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：在室溫31℃條件下；配制濃水：工業(yè)水配比分別為1∶0、1∶1、1∶5、1∶10、1∶20、0∶1的試驗(yàn)溶液，分別掛上20號(hào)碳鋼試片、304不銹鋼和紫銅試片，連續(xù)運(yùn)行48 h。同時(shí)，采用美國9030增強(qiáng)型雙通道在線腐蝕監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)304不銹鋼和紫銅試片在100%濃水中的腐蝕速率和點(diǎn)蝕趨勢(shì)。

不銹鋼、紫銅在純濃水中的腐蝕試驗(yàn)見圖4。三種試片在各種配比濃水中的腐蝕速率見表4。

由表4的試驗(yàn)結(jié)果表明，304不銹鋼和紫銅在6種水樣中腐蝕速率為零，可以得到RO濃水對(duì)防腐標(biāo)準(zhǔn)較高的濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)備基本無影響。

圖4 不銹鋼、紫銅在純濃水中的腐蝕試驗(yàn)

試片編號(hào)濃水:工業(yè)水電導(dǎo)率/(μs·cm-1)失重/g腐蝕速率/(mm·a-1)碳鋼0.03630.04176不銹鋼11∶0123200紫銅00碳鋼0.03140.03612不銹鋼21∶181100紫銅00碳鋼0.03350.03854不銹鋼31∶550900紫銅00碳鋼0.03580.04119不銹鋼41∶1043800紫銅00碳鋼0.04070.04680不銹鋼51∶2039200紫銅00碳鋼0.04480.05154不銹鋼60∶134800紫銅00

圖4為美國9030增強(qiáng)型雙通道在線腐蝕監(jiān)測(cè)儀對(duì)304不銹鋼電極和紫銅電極在31℃、100%反滲透濃水中連續(xù)48 h的測(cè)試記錄，圖4中兩條曲線重合，腐蝕速率為零，無點(diǎn)蝕趨勢(shì)。該結(jié)果與表4所列同步進(jìn)行的動(dòng)態(tài)腐蝕掛片法結(jié)果一致。

表4所列20號(hào)碳鋼試片在所有摻混比例RO濃水中，包括100%反滲透濃水(1號(hào)水樣)中的腐蝕速率均顯著小于其在純工業(yè)水(6號(hào)水樣)的腐蝕速率。為此，專門重復(fù)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果依舊。

經(jīng)調(diào)研，該廠RO濃水中添加的阻垢劑(如美國清力PTP-0100)，既是一種高效阻垢分散劑，也是高效的緩蝕劑，可有效減緩碳鋼材料的腐蝕速率。

1.4 實(shí)施RO濃水循環(huán)利用

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，最終確定的RO濃水循環(huán)利用工藝如下：將反滲透濃水和超濾反洗水先輸送至工業(yè)消防蓄水池，經(jīng)稀釋后(平均摻混比例≤1∶10)的水質(zhì)，除含鹽量略高(不大于工業(yè)水的1.4倍)外，其他緩蝕、阻垢等性能均優(yōu)于工業(yè)水，可以作為脫硫工藝補(bǔ)充水、工業(yè)和消防用水或冷卻塔補(bǔ)水。

RO濃水循環(huán)利用工程于2014年10月初完工，2014年10月6日起投運(yùn)。表5和表6為實(shí)施RO濃水回用前后脫硫效率和石膏品質(zhì)對(duì)比表。

表5 實(shí)施濃水回用前后脫硫效率對(duì)比

表6 實(shí)施濃水回用前后石膏質(zhì)量對(duì)比 %

表5和表6中的數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用RO濃水循環(huán)利用工藝后，脫硫系統(tǒng)運(yùn)行正常，脫硫效率和石膏品質(zhì)未受影響。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，由于RO濃水含有阻垢(緩蝕)劑，對(duì)304不銹鋼、紫銅材料的腐蝕速率約為0；碳鋼材料在RO濃水與工業(yè)水任意配比的水溶液中的腐蝕速率均顯著小于其在純工業(yè)水中的腐蝕速率。據(jù)此，建議將RO濃水先回用至工業(yè)水池，稀釋后(RO濃水:工業(yè)水<1∶10)作為脫硫工藝補(bǔ)充水、工業(yè)和消防用水或冷卻塔補(bǔ)水。該廠自2014年10月按照此工藝實(shí)施了RO濃水循環(huán)利用至今，脫硫系統(tǒng)運(yùn)行正常，脫硫效果和石膏品質(zhì)未受影響。

在科學(xué)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出了將RO濃水回用至工業(yè)水池，稀釋后作為脫硫工藝補(bǔ)充水、工業(yè)和消防用水或冷卻塔補(bǔ)水循環(huán)利用工藝簡(jiǎn)便可行，既保證了脫硫效果和石膏品質(zhì)，同時(shí)兼顧廢水綜合利用，解決了火力發(fā)電行業(yè)普遍存在的反滲透濃水循環(huán)利用難題，提高了水資源的利用率，彌補(bǔ)了反滲透技術(shù)產(chǎn)水率較低的不足。

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