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关注 | 燃煤电厂脱硫废水零排放现场中试研究

北极星电力网新闻中心  来源:《工业水处理》  作者:黄晓亮 等  2020/7/28 10:39:13  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 火电环保 燃煤电厂 脱硫废水

北极星火力发电网讯:[摘要]燃煤电厂脱硫废水成分复杂,具有含盐量高、腐蚀性强、易结垢等特点,是电厂实现废水零排放的重点和难点。针对该废水的特点,采用“两级软化+过滤+高级氧化”预处理、“纳滤+碟管式反渗透”膜处理、“机械式蒸汽再压缩”蒸发结晶组合工艺进行了现场中试研究。结果表明,工艺运行稳定,膜系统产水及蒸发冷凝液均满足回用要求,回收的氯化钠达到工业盐标准,完全实现了脱硫废水零排放和资源化利用的目标。

[关键词]脱硫废水;零排放;软化;膜处理;蒸发结晶

燃煤电厂烟气脱硫主要采用石灰石-石膏湿法工艺,在此过程中会产生一种呈酸性、盐度高、硬度高、腐蚀性强、易结垢、含多种重金属的脱硫废水。该废水污染物组成复杂,水质、水量波动大。电厂普遍采用传统“三联箱”(中和、沉淀、澄清)工艺对其进行处理,但处理效率较低,对废水总溶解性固体(TDS)、钙镁结垢因子、氯化物的去除效果差,往往难以实现稳定运行和处理废水的达标排放。随着环保要求的日益严格,膜分离、蒸发结晶等零排放技术逐渐兴起,电厂废水零排放逐渐提上日程。然而,脱硫废水作为电厂最难处理和回用的末端废水之一,仍是制约全厂废水零排放的关键性因素。

本研究以我国华中地区某燃煤电厂(装机总容量4400MW)脱硫废水为对象,针对该废水的实际水质特点,开发了“两级软化+过滤+高级氧化”预处理、“纳滤(NF)+碟管式反渗透(DTRO)”膜处理、“机械式蒸汽再压缩(MVR)”蒸发结晶组合工艺,并开展了现场中试研究和可行性验证,以期为脱硫废水零排放提供工艺方案和工程设计参考。

1 脱硫废水水质

脱硫废水污染物成分受烟气特点、补充水水质、石灰石品质、脱硫运行工况等诸多因素的影响,组成复杂。某燃煤电厂脱硫废水排放量约125m3/h,水质分析结果如表1所示。

17.jpg

水质分析结果表明,该脱硫废水具有高含镁特征,其Mg2+质量浓度(13536mg/L)是行业常见水平(3000~6000mg/L〔2〕)的3~4倍,系该电厂烟气脱硫所用的石灰石含镁过高所致;同时废水中含有大量Ca2+、SO42-及一定量的Ba2+、Sr2+、SiO2,因此硬度高,易导致结垢。废水呈酸性(pH为6.5),TDS在37330~72180mg/L范围内波动,并含有高浓度的Cl-,腐蚀性强。Hg、Pb、Ni、As、Cd、Cr等重金属离子含量超标,毒害性强。废水中含有一定量的COD,主要系有机物和还原性无机物(亚硫酸盐、硫代硫酸盐)导致。脱硫废水的如上特点,极易导致膜材料的污染、结垢、堵塞、氧化等,并对设备、管路(特别是蒸发结晶器)材质的耐腐蚀性提出了很高要求。

2 工艺流程及参数

2.1 工艺流程

根据脱硫废水水质特点,现场中试试验采用的废水零排放处理系统主要由预处理、膜处理蒸发结晶3部分构成,设计处理水量1m3/h,试验周期35d。工艺流程见图1。

18.jpg

2.2 预处理系统及参数

预处理系统的作用是最大限度去除废水中的结垢因子,保障膜系统、蒸发结晶系统的安全稳定运行。因废水Mg2+含量高,化学软化处理后产泥量大,因此对一级软化单元配备了板框压滤机,二级软化单元配备了高效沉淀池。脱硫废水(1m3/h)首先经均质罐提升至一级软化池(池容1.2m3),投加石灰调节pH至11,以去除Mg2+、SO42-等离子。泥水混合物经板框压滤机分离,泥饼外运处理,压滤液经中间水箱泵入二级软化-高效沉淀“一体化”反应池(见图1)。一体化反应池分为3个反应段:第1段池容0.72m3,投加NaOH进一步除Mg2+;第2段池容0.72m3,投加Na2CO3及Fe3+、PAM助凝剂(投加量分别为32.2kg/m3、80g/m3、1g/m3),主要脱除Ca2+;第3段池容3.18m3,为高效斜板沉淀池,水力停留时间8h。第3段沉淀池出水经过砂滤(pH调至7~9)后,采用臭氧多相催化氧化进行深度处理,氧化塔直径0.9m,高3.7m,内置多孔无机材料负载型催化剂床层,有效体积2m3,水力停留时间2h。

2.3 膜处理系统及参数

膜处理系统采用耐污染能力强、回收率高的NF+DTRO组合工艺,以实现废水浓缩减量,降低后续蒸发系统规模。其中NF可截留二价、高价离子和小分子有机物,达到初步分盐和预浓缩的目标。本试验采用两级卷式NF膜组件,设计处理水量1m3/h(pH为6~7,SO42-质量浓度约为2000mg/L),工作压力1.0MPa;设计产水0.75m3/h(SO42-质量浓度<100mg/L),浓水0.25m3/h,回收率75%,回流量1m3/h。NF浓水回流至原水均质罐,产水经DTRO处理后,清水回收利用,浓缩液进入蒸发结晶系统。DTRO单元设计处理水量1m3/h(pH为6~7,TDS约为30000mg/L),工作压力6.6MPa;设计产水0.75m3/h(TDS≤1000mg/L),浓水0.25m3/h,回收率75%,回流量1m3/h。

2.4 蒸发结晶系统及参数

蒸发结晶系统采用MVR水平管式加热蒸发器,配强制循环泵和结晶出盐系统。蒸发产生的蒸汽经压缩机压缩,提高压力、温度和热焓后,返送至蒸发器作为热源。过饱和溶液进入稠厚器增稠,冷却后经离心机分离回收固体盐,母液返回蒸发系统,实现脱硫废水零排放。试验设计处理水量0.5m3/h,TDS为120000mg/kg,pH为6~7;设计产水0.44m3/h,TDS≤10mg/kg,回收率88%;NaCl纯度>92%。

3 系统运行情况

3.1 预处理系统运行效果

试验期间,一级软化、二级软化单元的进出水水质变化分别如图2、图3所示。由图2可知,原水的Mg2+、Ca2+、SO42-、TDS浓度波动大,试验期间Mg2+、TDS总体呈下降趋势,SO42-略有上升,可能与脱硫物料品质和工况有关。因原水具有高含镁特征,将导致软化药剂消耗大、产泥量大,故一级软化采用石灰来降低药剂成本,采用板框压滤来实现泥水分离。结果表明,压滤液Mg2+、SO42-、TDS浓度均得以有效降低,波动性得到缓解。其中,Mg2+、SO42-质量浓度从数量级104mg/L分别降至200~720、1710~2875mg/L,平均去除率分别为97.9%、93.9%;TDS从3.7×104~7.2×104mg/L降至2.8×104~3.5×104mg/L,平均去除率为43.5%,总盐度有所下降。可见一级石灰软化-板框压滤工艺可行,反应器运行稳定,较好地克服了原水水质波动,高效去除了废水中的Mg2+、SO42-,在除硬的同时,也减轻了后序NF系统分离SO42-的压力。

石灰软化引入大量Ca2+,导致废水Ca2+质量浓度升高至1030~2330mg/L,其主要在二级软化单元去除。已有研究表明,NaOH、NaCO3作软化剂,Fe盐、PAM作助凝剂是可靠的脱硫废水预处理手段。

图3二级软化单元对脱硫废水Mg2+、Ca2+的去除效果试验结果(见图3)表明,废水经二级软化-高效沉淀“一体化”反应器处理后,出水Ca2+质量浓度降至8~22mg/L;Mg2+质量浓度进一步降至12~21mg/L,总体去除率分别为99.9%、98.5%。二级软化出水经砂滤后,进入臭氧多相催化氧化单元,深度去除COD,以防止有机污染物污染后序膜组件。考虑到Cl-对COD检测的干扰作用,对进出水的总有机碳(TOC)浓度进行了检测,处理效果如表2所示。

由图2可知,试验期间,臭氧多相催化氧化单元对废水COD、TOC的去除率分别为12%~52%、78.8%~94.6%。

3.2 膜处理系统运行效果

采用NF+DTRO组合工艺对脱硫废水进行膜浓缩处理,并重点关注NF对SO42-、Cl-的分离效果及DTRO对TDS的截留情况。因水量限制,膜系统连续运行15d。NF、DTRO处理效果分别如图4、表3所示。

试验结果表明,NF工艺对二价盐SO42-有较好的截留效果,进水SO42-为1812~2875mg/L,产水SO42-降至60.1~146.9mg/L(平均值92.9mg/L),SO42-平均去除率为95.8%,产水Na2SO4含量低;一价盐Cl-的浓度略有提升,进水、产水Cl-分别为6500~11750、7500~12000mg/L。可见,利用NF对二价盐的选择性截留作用,可达到Na2SO4、NaCl的初步分盐的效果。NF浓水返回预处理工段,NF产水(TDS为27800~32200mg/L)经DTRO进一步提浓减量,产水平均TDS降至1000mg/L左右,平均TDS去除率达到96.6%,基本满足《循环冷却水用再生水水质标准》(HG/T3923—2007)。DTRO浓水TDS为123000mg/L,进入MVR蒸发结晶系统处理。试验期间,NF、DTRO系统均能够稳定运行,再次表明“两级软化+过滤+高级氧化”作为膜系统的预处理工艺切实可行。

3.3 蒸发结晶运行效果

DTRO浓水中主要含有NaCl以及少量Na2SO4等盐,其进入MVR蒸发器在温度85℃下进行蒸发处理。试验结果表明,平均水蒸发量为400~500kg/h,产水TDS为5~10mg/kg。物料经稠厚器增稠、离心分离,结晶状况良好。自运行第8天起连续出盐,离心母液返回蒸发系统,实现盐水的完全分离。经第三方检测,本试验所收集NaCl盐的纯度为93.6%~94.5%(>92%),符合《工业盐》(GB/T5462—2016)二级标准。MVR系统处理吨水的电耗为55kW·h,除进料预热和压缩机密封之外基本无需补充蒸汽。结晶系统状况良好,完全实现了脱硫废水分盐及零排放的目标。

4 结论

采用两级软化+过滤+高级氧化预处理、NF+DTRO膜处理、MVR蒸发结晶工艺处理燃煤电厂脱硫废水切实可行。预处理系统有效克服了脱硫废水硬度高、水质波动大等问题,最大限度去除了Ca2+/Mg2+等结垢因子、重金属、悬浮物及有机污染物,为后续工艺提供了安全保障。NF工艺对二价盐截留效果显著,达到了初步分盐和预浓缩的目的;经DTRO工艺进一步提浓减量,产生清水TDS约为1000mg/L,基本满足《循环冷却水用再生水水质标准》(HG/T3923—2007)。DTRO浓水经MVR蒸发结晶处理,分离获得NaCl盐的纯度>92%,满足《工业盐》(GB/T5462—2016)二级标准,完全实现了脱硫废水分盐及零排放的要求。

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