0 引言
隨著 2015 年 《水污染防治行動計劃》、2016 年《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》 《控制污染物排放許可制實施方案》 及 2017 年 《火電廠污染防治技術(shù)政策》《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》 等一系列法規(guī)政策的出臺和實施,提高火電廠用水效率,實現(xiàn)水資源梯級利用和廢水“零排放”,已經(jīng)成為火電企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。從行業(yè)現(xiàn)狀來看,脫硫廢水“零排放”技術(shù)流派眾多,但均處于試點、技術(shù)驗證階段,未形成成熟、統(tǒng)一的路線。系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差、運營成本高、生化污泥及結(jié)晶鹽處置難度大等技術(shù)難題仍是“零排放”的主要障礙。
1 脫硫廢水的產(chǎn)生及其水質(zhì)特點
脫硫廢水主要來自石膏脫水和清洗系統(tǒng),或是水力旋流器的溢流水及皮帶壓濾機的濾液,是維持脫硫裝置漿液循環(huán)系統(tǒng)物質(zhì)平衡,控制石灰石漿液中可溶部分 (即 Cl-) 含量、保證石膏質(zhì)量的必要工藝環(huán)節(jié)。廢水中所含物質(zhì)繁雜,大體分為氯化物、氟化物、高濃度的亞硫酸鹽、懸浮物、硫酸鹽以及少量的重金屬離子 (如 Pb2+、Cr2+等)、氨氮等,是火電廠最難處理的末端廢水之一。
2 常見脫硫廢水治理工藝及其特點
2.1 脫硫廢水“零排放”工藝概述
要實現(xiàn)脫硫廢水“零排放”,不論何種技術(shù)路線,基本都可分解為預(yù)處理、濃縮和結(jié)晶 3 個工藝段。
2.2 國內(nèi)常見脫硫廢水“零排放”方案
2.2.1 借助除灰系統(tǒng)間接實現(xiàn)“零排放”
具備水力除灰系統(tǒng)的電廠,脫硫廢水經(jīng)預(yù)處理后直接排放至水力除灰系統(tǒng)。只要電廠水力除灰系統(tǒng)水平衡不被破壞,這種處理方式的經(jīng)濟性最好,原水力除灰系統(tǒng)基本不用改造,也不需要額外增加水處理系統(tǒng),且不會明顯降低濕渣品質(zhì),造成灰渣降級使用;加之堿性灰渣水對脫硫廢水中重金屬離子和酸性物質(zhì)有一定的脫除效果,脫硫廢水預(yù)處理指標(biāo)可適當(dāng)放寬。雖然脫硫廢水會導(dǎo)致水力除灰系統(tǒng)故障率提高,設(shè)備壽命縮短,但從整體費用核算來看,該方案仍是所有方案中成本最低的。
該處理方案存在以下不足:
a) 只適用于水力除灰。
b) 脫硫廢水消納量有限,無法全額處理。以 4×300 MW機組為例,水力除灰系統(tǒng)的廢水消納量為 5~6 t/h,而機組 80%負(fù)荷率的脫硫廢水產(chǎn)出量為 7~15 t/h。
c) 除灰系統(tǒng)腐蝕加劇,檢修運維成本增加。隨著脫硫廢水中Ca2+、Mg2+、Cl-的不斷進(jìn)入,水力除灰系統(tǒng)結(jié)垢堵塞、系統(tǒng)部件腐蝕勢必加劇。在水力除灰系統(tǒng)接入脫硫廢水后,系統(tǒng)平均使用壽命由 43~52 個月縮減至 21~23個月。
d) 高鹽脫硫廢水易造成鍋爐煙道、構(gòu)件腐蝕,影響安全性。
2.2.2 通過煙氣蒸發(fā)實現(xiàn)“零排放”
鍋爐煙道蒸發(fā)是利用鍋爐煙氣的溫度將預(yù)處理系統(tǒng)、濃縮系統(tǒng)處理后的脫硫廢水蒸干,水蒸氣隨煙氣排入大氣,結(jié)晶鹽隨飛灰排出。應(yīng)用較多的蒸干工藝為:自省煤器后引入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%~5%的煙氣,走煙氣旁路,通過脫硫廢水蒸干裝置蒸干廢水。該處理方案的不足之處在于:a) 不適用于布袋除塵;b) 導(dǎo)致鍋爐效率下降 0.1%~0.2%,影響經(jīng)濟性;c) 投資造價較高,且結(jié)晶鹽混入干灰后,易造成干灰TDS (可溶鹽) 超標(biāo),干灰需降級使用。
2.2.3 通過蒸汽 煙氣余熱蒸發(fā)實現(xiàn)“零排放”
蒸汽蒸干技術(shù)、機械-蒸汽蒸干 (MVR) 技術(shù)和尾部煙道低溫閃蒸分鹽技術(shù)主要是利用蒸汽、壓縮機+蒸汽、煙氣余熱的熱量將脫硫廢水蒸干為水蒸氣和分鹽處理后的結(jié)晶鹽,處理最徹底,是真正意義上的“零排放”。廢水及蒸汽中的水可冷凝回用,生成的結(jié)晶鹽純度較高,可做工業(yè)使用。
3 種蒸干技術(shù)運行成本對比為:蒸汽蒸干技術(shù)路線械-蒸汽蒸干技術(shù)>尾部煙道低溫閃蒸分鹽技術(shù)。該處理方案存在的不足為:a) 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)運行能耗高,投資成本大,在沒有相應(yīng)政策補貼的情況下,電廠應(yīng)用的積極性不高。b) 結(jié)晶鹽回用途徑不暢通,電廠再處置困難。c) 尾部煙道低溫閃蒸會降低排煙溫度,對煙囪防腐有一定要求。d) 由于廢水蒸干能耗高,通常情況下需與脫硫廢水預(yù)處理系統(tǒng)、濃縮系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用,利用預(yù)處理脫除 Ca2+、Mg2+,減少蒸干設(shè)備結(jié)垢堵塞,利用濃縮系統(tǒng)減少廢水處理量,降低運行成本。因此,建設(shè)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)時需同步建設(shè)性能可靠的預(yù)處理系統(tǒng)及濃縮系統(tǒng),建設(shè)初投資大。
2.3 美國 日本以及歐盟常見脫硫廢水“零排放”工藝
美國、日本以及歐盟均無脫硫廢水“零排放”的要求 (美國部分地方政府、行業(yè)部門有要求),但對工業(yè)廢水的可溶性鹽含量有嚴(yán)格限制,Se、Hg、As 等排放濃度僅為中國標(biāo)準(zhǔn)的百分之幾。因此,國外燃煤電廠的脫硫廢水多以達(dá)標(biāo)排放為主,從可查的“零排放”工藝看,主要包括以下幾種。
2.3.1 蒸發(fā)塘工藝
在美國西南干旱少雨地區(qū),修建一個或多個水塘進(jìn)行脫硫廢水自然蒸發(fā)。當(dāng)自然蒸發(fā)能力達(dá)不到“零排放”目標(biāo)時,可通過噴灑式蒸發(fā)器提高蒸發(fā)速率。
2.3.2 灰攪拌工藝
美國燃煤電廠的飛灰大約 50%進(jìn)入市場重新利用,另外 50%的灰需要填埋。在飛灰運輸和填埋的過程中,需要加水來控制揚塵,即采用脫硫廢水和灰攪拌、填埋方式實現(xiàn)“零排放”目標(biāo)。當(dāng)脫硫廢水水量較多時,可使用蒸發(fā)器濃縮脫硫廢水,降低廢水量。
2.3.3 蒸發(fā)結(jié)晶工藝
蒸發(fā)結(jié)晶工藝可以實現(xiàn)水的清潔回用,結(jié)晶的固體在一些地方用作工業(yè)原料。如果晶體無法循環(huán)利用,則填埋處理。按照預(yù)處理過程,蒸發(fā)器和結(jié)晶器的組成可以細(xì)分為:物化法預(yù)處理+蒸發(fā)器、物化法預(yù)處理+軟化+蒸發(fā)器+結(jié)晶器、物化法預(yù)處理+部分軟化+蒸發(fā)器+結(jié)晶器、物化法預(yù)處理+蒸發(fā)器+結(jié)晶器、物化法預(yù)處理+軟化+多效結(jié)晶器。
2.3.4 噴霧干燥工藝
處理方案包括:利用煙氣潛熱,把脫硫廢水直接霧化噴灑在煙道內(nèi)蒸發(fā)實現(xiàn)“零排放”;從空預(yù)器前引出熱煙氣進(jìn)入噴霧干燥塔,實現(xiàn)固液分離,結(jié)晶固體和飛灰隨煙氣回到主煙道與系統(tǒng)飛灰一起被除塵裝置收集。通過市場調(diào)研,上述幾種脫硫廢水“零排放”方案各有優(yōu)缺點,都有一定的工程實用案例可借鑒,從技術(shù)原理分析都是可行的,制約工藝推廣的因素主要源自系統(tǒng)可靠性及生產(chǎn)運營成本。
3 脫硫廢水“零排放”改造技術(shù)路線
脫硫廢水“零排放”是跨越多專業(yè)的綜合性課題,單從一點切入很難全面解決問題,必須沿著脫硫廢水“零排放”的工藝路線,由淺入深,由低投入向高投入來嘗試尋求最優(yōu)解。
3.1 通過運行調(diào)整控制廢水量
常規(guī)脫硫工藝及系統(tǒng)防腐等級的 Cl-質(zhì)量濃度上限為 20000mg/L,而脫硫廢水排水的 Cl-質(zhì)量濃度僅為8000~10000mg/L。通過燃料控制、運行調(diào)整、加藥輔助,提高 FGD (煙氣脫硫) 漿液 Cl-質(zhì)量濃度至上限,可有效降低脫硫廢水排放量。
3.2 優(yōu)化加藥工藝 降低加藥成本
三聯(lián)箱是常規(guī)脫硫工藝的標(biāo)配絮凝沉淀設(shè)備,現(xiàn)場應(yīng)用普遍存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、加藥系統(tǒng)自動化程度低、加藥配比不合理、加藥設(shè)備故障率高等現(xiàn)象。通過設(shè)備改良,提高防腐等級;加裝水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備,調(diào)整加藥配比,實施自動加藥系統(tǒng)改造,以實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。研究重點可放在 Ca2+、Mg2+去除方面,為后續(xù)深度處理創(chuàng)造條件。
3.3 改良污泥脫水裝置 實現(xiàn)污泥干化
市面上常見的污泥脫水裝置有板框式和離心式,從應(yīng)用效果看,成功案例不多,除脫水裝置自身的產(chǎn)品質(zhì)量外,對污泥壓濾前的加藥調(diào)質(zhì)方面重視度普遍不高,因此需要協(xié)同設(shè)備制造企業(yè)和化學(xué)專業(yè)、科研機構(gòu)共同攻關(guān),這樣才能有效改良污泥脫水裝置,提高設(shè)備可用率。研究重點可放在污泥加藥調(diào)質(zhì)方面,降低污泥黏性,利于后續(xù)脫水處理。
3.4 研究廢水濃縮工藝 提高濃縮倍率
脫硫廢水濃縮包括反滲透、正滲透、電滲析、電吸附等多種解決方案,各種方案在處理效果方面 (如濃縮比率) 差異并不大,各技術(shù)流派比拼的主要是綜合運行價格 (初投資+運維),以及設(shè)備可靠性。
3.5 攻關(guān)低溫閃蒸技術(shù) 優(yōu)化系統(tǒng) 控制能耗
對比蒸汽結(jié)晶技術(shù)、機械-蒸汽結(jié)晶技術(shù)和低溫閃蒸技術(shù),低溫閃蒸技術(shù)利用的是煙氣余熱,對機組效率影響最小,加之裝置可從煙氣中捕捉部分水蒸氣,冷凝后回用,在水資源綜合利用方面具有一定優(yōu)勢,且技術(shù)具有可移植性,技術(shù)優(yōu)化后可向污水廠污泥干化行業(yè)移植,可作為該項目主要研究對象。
3.6 開展分鹽技術(shù)研究 變廢為寶
脫硫廢水蒸干結(jié)晶鹽銷路不暢的重要原因是結(jié)晶鹽中含有少量氟鹽、硝鹽雜質(zhì),因此蒸干結(jié)晶工藝中必須考慮分鹽處理,即利用溶液中對應(yīng)溫度下各溶質(zhì)溶解度差異及相圖理論進(jìn)行分鹽處理,得到不同鹽產(chǎn)品。通過分鹽技術(shù)研究,實現(xiàn)“鹽硝分離”,這樣才能實現(xiàn)脫硫廢水處理副產(chǎn)品———結(jié)晶鹽的有效回用,變廢為寶。
4 結(jié)語
縱觀國家環(huán)保政策趨勢,無論是液廢,還是固廢,排放標(biāo)準(zhǔn)都日趨嚴(yán)格,國家政策倒逼企業(yè)實現(xiàn)廢水“零排放”及固體污染物的分級回用。而從市場調(diào)研情況看,各類脫硫廢水項目多依托某一環(huán)保公司的一種或幾種專屬技術(shù),跨企業(yè)協(xié)同、跨工藝組合的多維度、多目標(biāo)的設(shè)計優(yōu)化和綜合應(yīng)用方面仍屬空白,各類處理工藝雖已積累了大量現(xiàn)場中試、實際運行數(shù)據(jù)和各自工藝尋優(yōu)策略,但始終處于各自圈地、缺少統(tǒng)籌狀態(tài),無論是環(huán)保公司、中試所,還是設(shè)計院、設(shè)備廠家,這方面的研究都多有欠缺。因此,企圖從市場現(xiàn)有成熟脫硫廢水的工藝路線、處理方案、運營成本等因素的綜合分析入手,為脫硫廢水處理工藝的尋優(yōu)設(shè)計提供一些導(dǎo)向性建議,為項目精益設(shè)計提供思路,助力火力發(fā)電廠在滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)的同時,合理降低環(huán)保設(shè)施造價、運營成本,實現(xiàn)火力發(fā)電企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。