燃煤電廠氯平衡測試及減氯技術研究

趙國欽

(廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223)

近年來廢水零排放作為燃煤電廠中控制污染物排放的重要措施，特別是電廠經過水平衡改造后[1]，含氯量較低的水資源已經被充分利用，最終各種水中的氯離子基本全部進入脫硫系統吸收塔內漿液，而吸收塔內漿液中含有的氯離子濃度過高時會降低吸收塔的脫硫效率，就需要向外排放含氯濃度很高的脫硫廢水[2]。電廠為實現廢水零排放，需要對脫硫廢水進行處理并回用，就需要將脫硫廢水中的氯離子去除。但目前脫硫廢水中氯離子脫除技術的成本高昂，降低進入系統含氯物料中的含氯濃度可以減少脫硫廢水的總量，有效降低脫硫廢水的整體處理成本。

減少終端廢水中的總氯量，需要從進入系統的含氯物料源頭減少其含氯質量。開展機組的氯平衡測試工作，定量測試各種進入系統的含氯物料在整個機組總氯量的比例，可以確定進行減氯的含氯物料。基于電廠當前水處理工藝和全廠水平衡開展全廠氯平衡分析，確定氯離子的主要來源、比例等，就成為電廠總氯減量和脫硫廢水減量的關鍵。

1 概況

以某沿海燃煤電廠兩臺1 000 MW超超臨界機組為例，兩臺機組均采用石灰石濕法脫硫技術。以兩臺機組統稱為一個獨立的單元系統(以下簡稱系統)。系統水平衡基礎良好，經過水平衡改造后，全廠可用水資源合理分級利用，產生唯一的不可用高氯廢水-脫硫廢水，見圖1。

圖1 系統水資源分級流程圖

1.1 原水處理系統

系統公用一套制水系統，系統中有陽床、混床等處理裝置。系統每臺機組設一套精處理再生系統，陽床、混床陽樹脂再生采用31%濃度鹽酸。

系統共用一套海水淡化系統，海水淡化產水為廠區工業水提供部分用水。

1.2 工藝水系統

脫硫系統工藝水來源為廠區工業水+工業廢水回用水。廠區工業水由淡水水庫來水和海水淡化產水供水。工業廢水水源由制水系統再生廢水、系統精處理再生廢水、系統精處理反洗水、系統輔助設備冷卻/沖洗水等組成。

1.3 脫硫廢水系統

系統共有一套脫硫廢水處理系統，統一處理、排放脫硫廢水。

2 試驗原理

生產工藝流程中的氯通過氣體、液體、固體等形態的物料進入和流出系統，進入系統的含氯物料主要有燃煤、空氣、脫硫系統用工藝水、石灰石，流出系統的含氯物料為灰、渣、凈煙氣、石膏、脫硫廢水，見圖2。

圖2 含氯物料平衡圖

在連續7天時間內，通過測試進入系統物料(燃煤、空氣、工藝水、石灰石)中的氯離子質量含量、質量，計算出進入系統各種物料的氯離子質量mini及總質量min；同期，測量流出系統的物料(凈煙氣、石膏、脫硫廢水)中的氯離子質量含量，同樣分別與其物料質量相乘，計算出流出系統的各種物料的氯離子質量mouti與總質量mout。理論狀態下，min=mout。即：

min=mrm+mkq+mgys+mshs

(1)

mout=mh+mz+mjyq+msg+mfs

(2)

mrm—燃煤中氯離子質量，kg

mkq—空氣中氯離子質量，kg

mgys—工藝水中氯離子質量，kg

mshs—石灰石中氯離子質量，kg

mh—灰中氯離子質量，kg

mz—渣中氯離子質量，kg

mjyq—凈煙氣中氯離子質量，kg

msg—石膏中氯離子質量，kg

mfs—脫硫廢水中氯離子質量，kg

每種物料中氯離子質量為物料總量與物料中氯含量的乘積，即：

mi=Mi×ρmi

(3)

mi——測試時間內以上不同物料中的氯質量，kg

Mi——測試時間內以上不同含氯物料總量，m3(流體)或kg(固體)

ρmi——測試時間內以上各種物料中氯含量，kg/m3(流體)或kg/kg(固體)

在此基礎上，可以核算每種物料中氯離子含量在全廠氯離子總量中的比例。在實際的試驗過程中，由于流出端的流出點多于以上mout所統計的點，容易造成氯離子統計的缺失；而流入端的取點比較少，為空氣、燃煤、工藝水、石灰石4類，為取樣方便，采用流入端4中物料中的氯離子質量作為進入系統總氯量min，再分別計算4種物料中氯量在系統中總氯量的占比；并可計算出流出物料中氯量在進入鍋爐總氯量的占比。

(4)

3 試驗過程及結果

3.1 試驗條件

為了測試更加準確，測試周期內選定的機組、脫硫系統連續穩定地運行，系統、物料、氣候滿足以下試驗條件：(1)燃煤煤質穩定(包括煤種、配煤方案的持續性)；(2)測試期間空氣濕度相對穩定，不發生劇烈的天氣變化；(3)每批次工藝水取一次水樣；(4)采用一個礦種的石灰石；(5)取樣周期內不使用脫硫廢水進行噴淋或將脫硫廢水回用于渣水系統及其他回用現象，即脫硫廢水不再重新進入系統內。

3.2 試驗取樣

試驗期間，維持機組、脫硫系統連續穩定運行，并滿足以上試驗條件。各種物料的含氯濃度穩定性可以有一定的保證：(1)燃煤、灰、渣、空氣、原煙氣5種物料由于大氣環境、煤種穩定，其物料的含氯濃度也會相對穩定；(2)石灰石由于礦種單一，其含氯濃度也比較穩定；(3)吸收塔內工作狀態不進行較大的變動，凈煙氣出口濃度相對穩定；(4)控制吸收塔內漿液中氯離子取樣點固定，保持漿液氯離子濃度相對穩定，系統排放的石膏、脫硫廢水中含氯濃度相對有一定的穩定性。但由于吸收塔容積過大、漿液中氯離子分布的不均勻性，容易造成同批脫硫廢水中氯離子濃度分布不均勻，該取樣作為定量參考。

為確保測試工作的可操作性，各種物料的取樣采用以下簡化后的取樣方式：(1)燃煤、灰、渣、石灰石、石膏采用多點取樣后混合，測試其中的含氯濃度，取各點固體樣的含氯平均值；(2)工藝水每日多點取樣，取每日各點水樣的平均值，根據每日工藝水、脫硫廢水用量，計算7日內工藝水中含氯濃度的加權平均值；(3)原煙氣、吸收塔后凈煙氣采用多點取樣的平均值。

3.3 試驗結果

根據以上的試驗取樣條件，參照GB/T 3558-2014《煤中氯的測定方法》和GB/T 15453-2008《工業循環冷卻水和鍋爐用水中氯離子的測定》，對燃煤、空氣、灰、渣、原煙氣、工藝水、石灰石、凈煙氣、脫硫廢水、石膏等分別按照3.2的試驗取樣原則取樣、測定，測量取樣物料的總質量/流量，得出以下的數據[3-4]，見表1(表中單位：氣體、液體kg/m3、m3，固體%、kg)。

表1 進/出鍋爐及脫硫系統的物料取樣測試

注：由于空氣、原煙氣、凈煙氣的總流量偏差小，測試時取用空氣標準狀態下的總體積流量作為統一計算基礎。

3.4 計算結果及分析

3.4.1 計算結果

根據以上的取樣及氯成分質量計算結果，分解計算可以得出以下數據，見表2。

表2 根據測試結果計算出系統各物料中氯量比例

3.4.2 計算說明

(1)項目1與項目2之間的偏差為3.81%。主要偏差為采用計算途徑不同引起。項目1采用燃煤、空氣、干煙氣3種物料中的氯離子總量直接計算；項目2采用燃煤、空氣、灰、渣4種物料中的氯離子總量間接計算。兩種結果由于取樣氯離子濃度分布等出現不均勻性，會出現一定的偏差。本文認為氣體中氯離子含量分布更為均勻，選擇項目1的數據作為結果。

(2)項目3采用燃煤、空氣、灰、渣3種物料中的氯總量直接計算。

(3)項目7與項目8之間的偏差為21.33%，項目7采用脫硫廢水氯離子質量、進入系統氯離子總質量的方法直接計算，項目8采用進入系統氯離子總質量及灰、渣、凈煙氣等3種物料總質量間接計算。由于灰、渣、凈煙氣在整個采用過程中的氯離子濃度一直很穩定，脫硫廢水中氯離子濃度分布狀況穩定性差，同樣本文取項目8的數據作為結果。

3.4.3 計算結論

根據以上的計算結果，得出以下的分析結論：

(1)各種進入系統物料的含氯量在整個系統總氯量中的占比順序分別為：燃煤、工藝水、石灰石、空氣，其中燃煤與工藝水兩者對系統總氯量的貢獻達到99.845%，而兩者中燃煤占57.65%、工藝水占42.195%；石灰石和空氣在整個系統總氯量貢獻可以忽略不計。

(2)從鍋爐中排出的原煙氣中氯量占進入鍋爐總氯量的99.61%，說明進入鍋爐系統中的氯基本未從灰、渣中排放；從鍋爐中流出的氯是以氣體狀態存在于煙氣中，無法被電除塵捕捉，而是經過電除塵后進入脫硫系統吸收塔內。

(3)原煙氣在經過脫硫系統吸收塔時，其中99.15%的氯量被吸收塔漿液吸收，僅有0.85%隨凈煙氣經過煙囪排出，即進入鍋爐總氯量98.77%是被脫硫系統吸收；而通過脫硫廢水排放的氯量占系統總氯量的99.27%，說明系統主要的流出含氯物料為脫硫廢水，石膏中的總氯量也可以忽略。

(4)減少工藝水中的含氯量可以很有效的降低進入整個系統的總氯量，更可以直接降低脫硫廢水中的總氯量。

4 系統總氯量減量

4.1 減氯條件

通過以上的氯平衡測試工作，進入系統的氯量主體物料為燃煤和工藝水，石灰石和空氣的氯量不足0.16%，可以忽略。燃煤總量過大，物料中的氯量無法在進入系統前脫出或減少。

工藝水的主要組成為廠區工業水+工業廢水，工藝水的含氯濃度為1003.39 mg/L。其中的廠區淡水原水的含氯濃度僅為12.43 mg/L，海水淡化產水含氯濃度為310.03 mg/L，工業廢水中的含氯濃度在900～3 000 mg/L(水質不穩定)。

廠區工業水的來源為廠區淡水原水+海水淡化產水組成。其中的廠區淡水原水中的物料含氯濃度很低，沒有必要在進入系統前減少，海水淡化產水可以通過提高海水淡化的性能降低水中含氯濃度。

工業廢水的來源為精處理系統再生水及反洗水、制水系統再生水、機組輔機設備功能用水排放等。其中的物料氯量來源為：(1)精處理系統反洗水使用機組除鹽水反洗，其中的含氯濃度極低，可以忽略；(2)機組輔機設備功能性用水取自廠區工業水系統，其中含氯濃度僅為12.43 mg/L，也可以忽略；(3)精處理系統混床、制水系統混床、制水系統陽床再生時由于使用鹽酸，其排放水含氯濃度較高；(4)工業廢水中和時使用鹽酸，增加了工業廢水的含氯濃度。

4.2 減氯的技術方向

工業廢水全部進入工藝用水，因而減氯的主要途徑為減少工業廢水中的含氯濃度，而減少工業廢水中的氯量的主要途徑在于減少鹽酸的用量。可以采用以下的方式：

(1)所有混床、陽床的再生全部使用稀硫酸替代鹽酸，工業廢水的中和使用稀硫酸替代鹽酸，可以杜絕多余加入的氯量[5-6]。

(2)提高淡水原水的水處理能力，使制水量滿足工藝用水需求，減少使用海水淡化系統產水。必須使用海水淡化系統產水時，提高海水淡化制水性能，使海水淡化產水含氯濃度小于200 mg/L。

4.3 核算實施減氯后物料的氯量分布

經過以上的減氯方式，可以實現以下目標：

(1)無鹽酸、海水淡化產水進入系統，全部采用淡水原水。進入系統中的總氯量減少41.67%，燃煤總氯量占系統總氯量比例會由57.65%升高至98.83%，系統的減氯效果會達到最優化。

(2)無鹽酸進入系統，工藝水全部使用含氯濃度不超過200 mg/L海水淡化產水提供。進入系統的總氯量減少33.78%，燃煤總氯量占系統總氯量比例會由57.65%升高至87.06%。

經過充分的減氯措施后，正常的系統運行會介于以上(1)和(2)之間的某種狀態，即進入系統的總氯量會降低33.78%～41.67%；相應的在排放同等濃度脫硫廢水時，脫硫廢水的排放量會減少33.78%～41.67%，可以非常有效的降低系統的廢水總量和末端的脫硫廢水處理成本。

5 結語

(1)燃煤電廠在進行廢水零排放工作前，先開展氯平衡測試工作，確定進入系統各種物料中對總氯量貢獻主要物料；根據測試結果，開展減氯工作，確定可以減少對系統總氯量貢獻大的物料，減少前端進入系統中的總氯量。

(2)進入鍋爐的氯量極少量經過電除塵、除渣系統時從灰、渣中排放，而絕大部分直接進入脫硫系統中被吸收塔漿液吸收。

(3)對于燃煤電廠，進入系統的總氯量主要由燃煤、工藝水提供，空氣、石灰石提供的氯量可以忽略。而燃煤電廠進行減氯工作的主要方向為減少工藝水中含氯濃度，可以有效降低系統的總氯量，減少脫硫廢水的排放量。