燃煤電廠脫硫廢水零排放預處理工藝的優化改造

關鍵詞：脫硫廢水；零排放；預處理；優化

火力發電是我國主要的供電來源，起步較早，運行穩定可靠。由于燃煤電廠為火力發電的最主要來源[1]，因而石灰石- 石膏濕法煙氣脫硫技術以其脫硫效率高、適應性廣的特點，廣泛應用于燃煤電廠煙氣脫硫系統[2]。但煙氣脫硫系統運行過程中會產生一定量的脫硫廢水，且受煤種、石灰石品質、補水水質、脫硫工藝及其控制參數的影響，脫硫廢水水質及水量變化較大、成分復雜，一直是燃煤電廠廢水處理的難點[3]。

某燃煤電廠2×1000MW機組因燃煤的硫份和脫硫石灰石的氧化鎂含量遠超設計值，并且產生了高硫酸根高鎂脫硫廢水，因此需對其原有脫硫廢水處理系統及零排處理系統的預處理裝置進行優化改造，以較低的改造成本形成一種新型脫硫廢水預處理工藝，使產水滿足后續零排放裝置的要求，最終實現脫硫廢水的資源化利用和零排放。

1現有水質及處理工藝

1.1現有水質

某燃煤電廠設計煤種全硫為1.09%，實際燃用的煤種全硫達到2.11%，燃用的煤種全硫含量遠超設計煤種，同時脫硫系統所用石灰石的氧化鎂含量在1.3%～1.5%，高于同類型電廠所用石灰石。因此，脫硫吸收塔內漿液硫酸根及鎂離子含量長期保持高濃度，產生了典型的高硫酸根高鎂型脫硫廢水。由于脫硫廢水中鎂離子過高會降低脫硫反應速率和SO₂去除率，因此過量的鎂離子不僅會增加系統的結垢風險，還會與硫酸根離子反應產生大量泡沫，影響系統正常運行。某燃煤電廠設計脫硫廢水水質與現有水質主要參數如表1所示。

1.2現有處理工藝

某燃煤電廠現有2 臺1000MW 機組，配套建設2 套全煙氣量處理的石灰石- 石膏濕法煙氣脫硫裝置，產生的脫硫廢水進入脫硫廢水處理系統進行處理。脫硫廢水處理系統采用傳統三聯箱處理工藝設計處理能力為20m³/h，通過在三聯箱投加石灰乳，反應去除脫硫廢水中的氟離子、重金屬及少量鎂離子；三聯箱溢流至澄清池，澄清池清液溢流進入脫硫廢水零排放系統；澄清池底部污泥通過壓濾機進行壓濾脫水。

脫硫廢水零排放處理系統設計處理能力為16m³/h，采用“兩級澄清處理+ 微濾+ 納濾+樹脂+ 機械蒸汽再壓縮（MVR）”處理工藝。一級澄清通過投加石灰、TMT15等去除鎂離子和重金屬，二級澄清通過投加碳酸鈉去除鈣離子，產生的污泥采用壓濾機脫水后外運處置。澄清出水經過微濾系統去除殘余的懸浮物；微濾產水進入納濾系統，實現一二價離子分離；納濾產水進入樹脂軟化系統，進一步去除鈣鎂硬度離子；蒸發系統采用MVR 蒸發工藝，將脫硫廢水進行濃縮、結晶析鹽、干燥后，得到高純度氯化鈉結晶鹽。

2脫硫廢水處理系統存在的問題

2.1脫硫廢水排水量大

由于某燃煤電廠燃用煤質中硫分含量高，脫硫所用石灰石中氧化鎂含量高，使得吸收塔漿液及脫硫廢水中硫酸根和鎂離子含量極高，需通過大量排水降低相應離子濃度，因此導致系統排水量大、離子濃度高。

2.2廢水處理系統裝置未投運

某燃煤電廠原設計為脫硫廢水經廢水處理系統進行初步處理后出水水質達到《火電廠石灰石- 石膏濕法脫硫廢水水質控制指標》（DL/T 997-2020）的要求后，再經脫硫廢水零排放系統進行處理。但因整體加藥裝置選型較小且自動化程度低，以及污泥處置系統處理能力低、故障率高等情況影響，整套廢水處理系統實際未投運。

2.3零排放系統加藥及排泥能力不足

某燃煤電廠脫硫廢水實際排水水質和水量遠超零排放系統設計處理能力，石灰加藥量為設計值的5 倍以上，污泥產生量為設計值的3～5倍。因此，即便考慮裝置原有設計余量，滿負荷運行也只能處理50% 的脫硫廢水，使得部分脫硫廢水直接通過干灰加濕、灰場噴淋等簡單回用[4]，易造成設備管道腐蝕，影響電廠安全運行。

3脫硫廢水處理系統改造優化方案

3.1改造方向和工藝流程

某燃煤電廠廢水處理系統改造工程計劃通過將原有的脫硫廢水處理系統與零排放預處理裝置進行優化整合，盡量利用原有裝置和設備，形成1 套可全量處理脫硫系統排水的脫硫廢水零排放預處理工藝如圖1 所示。通過優化改造，降低脫硫廢水中的硫酸根和鎂離子，產生的污泥進行資源化利用，部分低氯脫硫廢水回流到脫硫塔內繼續濃縮，減少系統脫硫廢水的排放量，確保排至零排放后續系統的脫硫廢水水質水量滿足設計要求。

改造后的某燃煤電廠脫硫廢水零排放預處理工藝，綜合考慮現有設備可滿足三級軟化的功能，采用石灰- 硫酸鈉/ 液堿- 碳酸鈉組合的三級聯合軟化工藝。一級軟化初步除鎂單元通過投加石灰去除大部分的鎂離子和硫酸根；二級軟化通過投加硫酸根去除多余的鈣離子，并通過投加少量的液堿深度除鎂；三級軟化通過投加碳酸鈉進行深度除鈣。因此，三級聯合軟化工藝不僅降低了系統藥劑成本，還有效控制了各離子濃度，以及保持系統運行的靈活性和可靠性。

3.2改造內容

3.2.1一級軟化- 石灰干粉除鎂及硫酸根

由于脫硫廢水鎂離子濃度為12000mg/L，石灰加藥量為40kg/m³ 以上，石灰用量約為30t/d，因而為保證系統穩定運行，需將石灰粉倉存儲時間設計為3d 以上，同時新增石灰粉倉及相應的投加裝置。

改造工程采用傳統石灰乳投加方式進行除鎂，需新建石灰乳制備罐及加藥裝置，不但占地面積大，而且設備故障率高，因此改造時創新地采用了石灰定量干粉投機方式。通過計量單位時間內所需石灰干粉的投加量，于石灰粉倉下設置石灰加藥反應箱；脫硫廢水經泵送至石灰加藥反應箱，按照進水量和化驗數據計算石灰干粉投加量，通過計量輸送螺旋給料機將所需石灰干粉量由粉倉輸送至反應箱內，再由轉料泵通過液位控制將均質后脫硫廢水轉料至三聯箱中進一步進行反應，三聯箱出水溢流到澄清器中進行重力沉降，澄清器清液進入后續脫硫廢水零排放系統。

脫硫廢水與石灰干粉充分反應后，形成硫酸鈣和氫氧化鎂為主的污泥，改造后的工藝將澄清器底部污泥通過污泥泵送至脫硫系統石膏脫水皮帶進行脫水，污泥與脫硫系統產生的石膏一起被資源化利用[5]。濾液排至脫硫回收水箱，因氯離子較低，仍可回流到脫硫塔內作為補水繼續濃縮，從而降低脫硫系統的綜合補水。

3.2.2二級軟化- 硫酸鈉除鈣及液堿深度除鎂單元

高鎂脫硫廢水通過投加石灰進行除鎂時，會引入大量的鈣離子，且部分鈣離子會與硫酸根離子形成硫酸鈣沉淀，因此剩余的鈣離子一般大于5000mg/L，如均通過投加碳酸鈉進行去除，會產生較高的處理成本。由于硫酸鈉市場價格僅為碳酸鈉的20%～25%，因而投加硫酸鈉用于去除鈣離子有較大的經濟效益，同時多余的硫酸根離子可通過后續納濾系統進行截留，再回到二級軟化單元進行利用。

將原有零排放石灰投加裝置改造為硫酸鈉投加裝置，通過制備一定濃度的硫酸鈉溶液，將原澄清器清液通過泵送至反應器中，根據來水中鈣離子濃度，投加一定量的硫酸鈉溶液，并將硫酸根離子控制在5000mg/L，可有效將鈣離子濃度控制在2000mg/L 以內，以及節約大量碳酸鈉。

一級軟化時如果將鎂離子完全去除，則需投加過量石灰，造成鈣離子的過量引入。為避免過量加藥，遂通過程序計算控制加藥量，以及在反應器中投加少量液堿去除剩余的少量鎂離子，實現高效除鎂。另外，采用液堿去除剩余少量鎂離子的方法，在減少石灰加藥量的同時也減少了硫酸鈉或碳酸鈉的投加量，因而使得整體成本及污泥產生量均有所減少。

二級軟化經澄清器沉淀產生的污泥在氫氧化鎂含量較高時，可通過零排放系統原有壓濾機進行處理；在硫酸鈣含量較高時，可將污泥泵切換至石膏脫水皮帶機進行資源化利用。

3.2.3三級軟化- 碳酸鈉深度除鈣單元

經二級軟化后的脫硫廢水，鎂離子及堿度基本去除，但為保證后續膜系統及蒸發系統的穩定運行，還需將剩余鈣離子進行深度去除。通過在反應器投加碳酸鈉，混合液再由微濾裝置進行過濾澄清，清液進入后續膜處理裝置；經濃縮后的污泥主要成分為碳酸鈣，為脫硫系統所需吸收原料，可通過污泥泵將濃縮后的污泥泵送至制漿系統石灰石漿液箱進行利用。

4 改造后的脫硫廢水處理系統運行情況和效益

某燃煤電廠改造后的脫硫廢水處理系統，采用石灰-硫酸鈉/液堿-碳酸鈉組合的三級聯合軟化預處理工藝后，其系統處理能力最大可達到35m³/h，具有良好的調節能力，可適應系統由燃煤及石灰石成本變化帶來的水質水量波動，保障了整個脫硫系統的穩定運行。而且，改造后工藝能將軟化產生的硫酸鈣和碳酸鈣充分回收，既減少了系統的污泥處置量，又實現了石膏的資源化利用，減少了系統補水及脫硫廢水綜合排放量。

相較于傳統脫硫廢水預處理工藝，取消了污泥壓濾機的購置，減少設備投資約400萬元；優化改造后的脫硫廢水零排放預處理系統每年可減少污泥排放量5.65×10⁴t/a，如委外處置，其處理單價按30元/t 計算，則可節省污泥處置費用169.5萬元/a；通過回收濾液，可將脫硫廢水排放量由30m³/h 減少到16m³/h，可減少補水約105t/a，節約費用約35萬元/a；經優化后系統較傳統工藝可節約石灰約1440t/a，節約碳酸鈉400t/a，節約藥劑成本近200萬元/a。

該脫硫廢水零排放預處理系統經過優化改造，在較小的投資下，使系統具有良好的可調節性，減少了系統污泥的處置量，不僅使石膏得到了全量資源化利用，還讓脫硫廢水零排放系統整體達到了設計處理要求，實現了脫硫廢水的全量資源化利用和零排放，有效地提高脫硫系統的運行安全可靠行、經濟性。

5結束語

燃煤電廠石灰石- 石膏濕法煙氣脫硫工藝產生的脫硫廢水鹽分高、處理難度大，隨著國家對各種污染物排放標準的逐步提高，脫硫廢水的處理要求將進一步提升，傳統三聯箱處理工藝無法實現脫硫廢水資源化利用。因此，采用三級聯合軟化的脫硫廢水零排放預處理工藝，通過調節系統加藥組合，滿足各種水質工況下的運行要求，并將各類污染離子通過分級處理充分資源化利用，不僅減少了污泥處置費用和系統加藥費用，還實現了脫硫廢水真正意義上的資源化利用和零排放，工藝具有在同類脫硫廢水處理系統中進一步推廣的意義。

作者簡介

陳育豪（1992—），男，漢族，廣東普寧人，助理工程師，理學學士，研究方向為廢水零排放。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-30