2×300 MW火電機組脫硫廢水處理工藝設計及應用

梁 磊

(江蘇新中金環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 宜興 214200)

目前，水資源和水環(huán)境問題十分突出，已經(jīng)制約工業(yè)發(fā)展。伴隨《國務院辦公廳關(guān)于推行環(huán)境污染第三方治理的意見》《水污染防治行動計劃》《環(huán)保法》等環(huán)保法規(guī)的出臺，更大程度實現(xiàn)節(jié)能減排、回收利用廢水、提高用水效率已成為必然的選擇。從環(huán)境保護和運行的經(jīng)濟性出發(fā)，研究開發(fā)投資運行成本低、運行效果穩(wěn)定、高效的廢水處理工藝，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需要。

石灰(石)-石膏濕法脫硫工藝成熟，工程應用案例較多，目前世界范圍內(nèi)，80%以上的火電機組煙氣脫硫采用石灰(石)-石膏濕法脫硫技術(shù)[1-5]。脫硫系統(tǒng)連續(xù)運行過程中，脫硫漿液中粉塵、Cl-等不斷增加富集。脫硫漿液中粉塵的淤積影響副產(chǎn)物脫水及脫水石膏純度，高濃度Cl-與Ca2+結(jié)合形成CaCl2，阻礙石灰石脫硫劑的溶解，降低脫硫效率；另外，高濃度Cl-嚴重腐蝕設備和管道，縮短其使用壽命。為了控制脫硫系統(tǒng)內(nèi)脫硫漿液粉塵、Cl-等有害物質(zhì)的質(zhì)量濃度，降低脫硫漿液對設備的腐蝕和堵塞，同時將煙氣中被洗滌下來的飛灰及時排出，需從系統(tǒng)中排出一定量廢水，保證脫硫系統(tǒng)長期、高效、穩(wěn)定運行。濕法脫硫廢水的雜質(zhì)主要來自煙氣和脫硫劑，其中前者雜質(zhì)來源于煤的燃燒，后者雜質(zhì)來源于石灰(石)的溶解和吸收反應[6-10]。脫硫廢水成分復雜，處理難度大。本文結(jié)合2×300 MW火電機組脫硫廢水處理工程實例，介紹脫硫廢水處理工藝與系統(tǒng)設備設計及選型要點，系統(tǒng)取得較好運行效果，為今后同類工程設計及應用提供參考。

1 工程概況

新疆某電廠2×300 MW機組煙氣脫硫工程采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，一爐一塔配置，共用石灰石制漿系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)及石膏脫水系統(tǒng)。為維持脫硫漿液氯離子質(zhì)量濃度在20 000 mg/L以下，減輕脫硫系統(tǒng)設備和管道腐蝕，需排放部分脫硫廢水，增設脫硫廢水處理設施。通過維持系統(tǒng)內(nèi)氯離子的平衡量計算[11-13]，考慮一定設計裕量，2臺機組脫硫廢水排放量設計為10 m3/h，來自石膏旋流器溢流漿液。脫硫廢水為酸性廢水，污染物成分復雜，主要含有懸浮物及重金屬離子等，處理后出水水質(zhì)需達到GB8978—1996《污水綜合排放標準》二級排放標準的要求。

2 工藝流程

脫硫廢水處理工藝流程如圖1所示，來自旋流器溢流的脫硫廢水，進入中和箱，中和箱設有攪拌裝置，投加石灰漿液中和廢水中的酸。繼續(xù)投加過量的石灰漿液，廢水調(diào)節(jié)至堿性，廢水中的OH-離子與游離態(tài)Fe3+、Zn2+、Ca2+、Ni2+、Cr3+等重金屬離子結(jié)合形成難溶性氫氧化物沉淀，去除廢水中大部分重金屬離子。通常情況下，3價重金屬離子比2價重金屬離子容易沉淀。中和箱廢水pH值控制在8.5～9.0，大多數(shù)重金屬離子能夠形成氫氧化物沉淀，Ca2+還能與廢水中的F-反應生成CaF2，與As3+絡合生成Ca(AsO3)2等難溶性物質(zhì)，pH值超出此范圍可能影響鋁離子和鋅離子的沉淀處理。游離態(tài)重金屬離子的容度積大多高于其氫氧化物形態(tài)的容度積，經(jīng)堿化處理形成氫氧化物沉淀很容易去除，但螯合形態(tài)重金屬離子的質(zhì)量溶度積往往遠低于其氫氧化物形態(tài)的溶度積，通過堿化處理不能將該類重金屬離子以氫氧化物沉淀的形式去除，可投加有機硫化物來去除該類重金屬離子。脫硫廢水中Hg2+為螯合形態(tài)的重金屬離子，可與氯離子結(jié)合形成一種可溶且非常穩(wěn)定的汞-四氯合成物(Hg(Cl4)2-)，該氯合物在中和堿化處理過程中不能通過沉淀的形式去除。中和箱出水溢流至反應箱，反應箱設有攪拌裝置，投加有機硫(TMT-15)溶液，與螯合形態(tài)的重金屬離子結(jié)合成金屬氫氧化物和金屬有機硫化物構(gòu)成的沉淀，去除螯合形態(tài)的重金屬離子。脫硫廢水懸浮物質(zhì)量濃度較高，主要為原水中的石膏顆粒、SiO2及中和箱和反應箱兩級處理后形成的氫氧化物膠體等。反應箱出水溢流至絮凝箱，絮凝箱設有攪拌裝置，投加絮凝劑(FeClSO4)。絮凝劑能夠提供大量的絡合離子，強烈吸附膠體微粒，通過吸附、架橋、交聯(lián)作用，使膠體凝聚。此外，絮凝劑能夠中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷，降低δ電位，消減懸浮顆粒間的靜電斥力，形成凝聚核心，捕捉吸附懸浮顆粒，使廢水中含有的許多小而分散的顆粒和膠體物質(zhì)凝聚成大顆粒而沉積下來，聚結(jié)成為大顆粒沉淀物。絮凝箱出水通過連接管道進入澄清池，連接管道上投加助凝劑(高分子量陰離子型聚丙烯酰胺)。高分子助凝劑可以改善絮凝體的結(jié)構(gòu)，利用其強烈吸附架橋作用，降低顆粒物表面張力，強化顆粒長大過程，使細小松散的絮凝體變得粗大而緊密。經(jīng)絮凝、助凝形成大顆粒懸浮物慢慢沉淀于澄清池底部，實現(xiàn)固液分離，澄清池設有刮泥機，將沉淀污泥刮至底部污泥斗，經(jīng)污泥泵一路送至板框壓濾機脫水處理；另一路回流至中和箱，作為接種污泥提供懸浮物沉淀所需晶核。澄清池出水為堿性，清液自頂部溢流至清水箱，清水箱設有攪拌裝置，投加鹽酸將廢水pH值調(diào)節(jié)至6～9排放。

圖1 工藝流程

3 系統(tǒng)設備

脫硫廢水處理系統(tǒng)所用設備主要為三聯(lián)箱、澄清池、加藥裝置及配套的攪拌機、刮泥機、計量泵、污泥泵等，各單體設備需根據(jù)廢水特性及運行工況條件，合理選型選材。

3.1 三聯(lián)箱

為減少設備占地面積，簡化工藝管路系統(tǒng)，中和箱、反應箱和絮凝箱設計為一體式結(jié)構(gòu)，逐級溢流，簡稱三聯(lián)箱。中和箱、反應箱和絮凝箱水力停留時間均設計為45 min，單體規(guī)格設計為2.0 m×2.0 m×2.5 m，有效池體容積為7.5 m3。脫硫廢水進水為酸性，中和后為堿性，氯離子質(zhì)量濃度較高，對設備有較強的酸堿腐蝕和氯離子腐蝕[14-16]。大多合金鋼具有良好的抗酸堿腐蝕能力，但抗氯離子腐蝕能力相對較弱，且價格昂貴，系統(tǒng)設備不適宜選用合金鋼材質(zhì)。玻璃鱗片具有優(yōu)異的抗酸堿及抗氯離子腐蝕能力，價格相對便宜，三聯(lián)箱選用碳鋼內(nèi)襯玻璃鱗片的防腐形式，具有較好性價比。中和箱、反應箱和絮凝箱均設有攪拌機，功率為2.2 kW，軸及葉輪材質(zhì)均為碳鋼襯膠。

3.2 澄清池

澄清池結(jié)構(gòu)如圖2所示，由外部帶錐斗圓柱形筒體、導流筒、溢流槽、污泥斗、進水口、出水口、污泥口等組成。澄清池水力停留時間設計為10 h，規(guī)格為DN5.0 m×5.0 m，碳鋼內(nèi)襯玻璃鱗片材質(zhì)。澄清池設有刮泥機，功率為0.75 kW，軸及刮板等部件均為碳鋼襯膠材質(zhì)。絮凝箱出水進入澄清池內(nèi)的導流筒，廢水由池體上部中心位置向池體下部均勻布水，懸浮物沉淀至池底，經(jīng)刮泥機刮至污泥斗，經(jīng)污泥泵送至板框壓濾機脫水；上清液經(jīng)溢流槽出水口排出至清水箱，完成固液分離。

圖2 澄清池結(jié)構(gòu)

3.3 加藥裝置

脫硫廢水所用藥劑有石灰漿液、有機硫溶液、絮凝劑、助凝劑、鹽酸5種，投加藥劑質(zhì)量濃度分別為10%、15%、10%、0.1%、30%。15%的有機硫溶液、30%鹽酸可直接購買，10%石灰漿液可由石灰干粉加水制備，10%絮凝劑可用高質(zhì)量濃度的加水稀釋調(diào)配，0.1%助凝劑可用干粉加水配置。以上藥劑對應設置加藥裝置，如圖3所示。

由圖3可見，加藥裝置由筒體、計量泵、攪拌機、液位計等構(gòu)成。根據(jù)廢水的加藥量，考慮一定裕量，石灰漿液、有機硫溶液、絮凝劑、助凝劑、鹽酸加藥裝置設計規(guī)格分別為DN1.2 m×2.0 m、DN0.8 m×1.2 m、DN0.8 m×1.2 m、DN0.8 m×1.2 m和DN1.2 m×3.0 m，PE材質(zhì)。石灰漿液、有機硫溶液、絮凝劑、助凝劑、鹽酸加藥裝置配用計量泵均為機械隔膜泵，流量分別為2 m3/h、9 L/h、50 L/h、12 L/h和3 m3/h，揚程分別為0.3 MPa、1.2 MPa、1.0 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa，數(shù)量均為2臺，一用一備，配變頻電動機。石灰漿液、有機硫溶液、絮凝劑、加藥裝置配用攪拌機功率分別為0.75 kW、0.55 kW和0.55 kW，軸和葉輪材質(zhì)均為304不銹鋼。石灰漿液易沉淀出現(xiàn)設備管道堵塞現(xiàn)象，加藥裝置適宜選用不與液體接觸的超聲波液位計，有機硫溶液、絮凝劑、助凝劑、鹽酸加藥裝置選用磁翻板液位計，液位信號遠傳至PLC控制系統(tǒng)并顯示在LCD操作畫面上，實時在線監(jiān)控。

圖3 加藥裝置

4 運行結(jié)果

脫硫廢水處理系統(tǒng)操作簡單，運行較為穩(wěn)定，表1為抽取2017年4月13日系統(tǒng)運行期間水質(zhì)化驗結(jié)果。脫硫廢水經(jīng)中和、反應、絮凝、澄清處理后，懸浮物、COD、多種重金屬離子等均能滿足GB8978—1996《污水綜合排放標準》二級排放標準的要求。進水pH值為5～6.5，出水調(diào)節(jié)為6～9。出水總含鹽量約20 000 mg/L，Cl-、Ca2+、Mg2+含量分別為15 000 mg/L、1500 mg/L及300 mg/L左右，為高含鹽量、高腐蝕性廢水，排入市政污水處理廠可能造成活性污泥死亡，脫硫廢水深度脫鹽處理及綜合利用顯得尤為重要。常用脫硫廢水深度脫鹽處理工藝為：用Na+交換廢水中的Ca2+、Mg2+等離子，廢水進行軟化處理，降低廢水硬度，避免后續(xù)蒸發(fā)器結(jié)垢。軟化后廢水進入反滲透膜處理裝置，出水返回廠區(qū)利用。廢水中的溶質(zhì)以NaCl為主，進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)出的結(jié)晶鹽經(jīng)干燥包裝成袋，蒸發(fā)產(chǎn)生的冷凝水回用。該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)脫硫廢水“零排放”，系統(tǒng)采用膜工藝對廢水進行濃縮處理，大大降低了蒸發(fā)器廢水處理量，降低熱量消耗，節(jié)約運行成本。蒸發(fā)得到的副產(chǎn)物NaCl結(jié)晶鹽純度不高，綜合利用受到很大限制，副產(chǎn)物的處理成為另一重要研究課題。

表1 脫硫廢水主要污染物參數(shù)及排放指標 mg/L

5 結(jié)論

a.30%鹽酸容易揮發(fā)出酸霧，鹽酸貯槽、加藥裝置等應做好密封，并配套設置酸霧吸收器，利用堿液吸收逃逸酸霧；另外，鹽酸腐蝕性較強，現(xiàn)場應配備洗眼器，一旦鹽酸接觸到人體皮膚，應用清水快速及時沖洗干凈。

b.若石灰加藥量較大，脫硫廢水系統(tǒng)設計時，應配套石灰粉倉、定量卸料機、螺旋輸送機、制漿池等設備，操作方便，自動化程度高，減少工人勞動強度。

c.為簡化工藝路線，降低設備投資成本，部分設計人員將澄清池底部沉淀污泥經(jīng)污泥泵排至脫硫系統(tǒng)二級真空皮帶脫水機進行脫水。運行結(jié)果表明，濾布表層濾餅較薄，呈粘性糊狀，含水率較高，難以外運處理[17]，與脫硫石膏摻雜在一起，影響石膏品質(zhì)。澄清池底部沉淀污泥成分復雜，粒徑遠小于脫硫過程中形成的石膏晶體顆粒粒徑，且污泥含有很多非自由水，污泥脫水不適宜選用真空皮帶脫水機脫水，應單獨設立板框壓濾機脫水裝置。

d.脫硫廢水采用三聯(lián)箱加藥、澄清器固液分離、鹽酸中和的處理工藝，出水能夠滿足GB8978—1996《污水綜合排放標準》二級排放標準的要求，但含鹽量依然很高。伴隨環(huán)保排放標準的提高，尤其是脫硫廢水“零排放”的提出，后段膜濃縮工藝結(jié)合蒸發(fā)結(jié)晶等深度除鹽技術(shù)的研發(fā)及應用將成為未來研究的熱點。