胡華強(qiáng)，張 捷，胡天慈

(1.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102；2.中機(jī)國能電力工程有限公司，上海 200061)

1 概述

燃煤電廠含煤廢水主要來自輸煤系統(tǒng)沖洗排水和煤場初期雨水等，不同程度的含有煤顆粒懸浮物，不滿足廢水排放標(biāo)準(zhǔn)；其中輸煤系統(tǒng)沖洗水量較小，而煤場初期雨水量較大。近年來，電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理部門環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，含煤廢水處理日益得到重視；一般均采用煤泥初沉池初沉+加藥煤水處理系統(tǒng)的工藝流程處理含煤廢水，處理合格的中水可以回用于煤水沖洗系統(tǒng)。據(jù)了解，各電廠設(shè)置的煤泥初沉池，容積各不相同，容積最大的有幾千立方，最小的僅幾十立方，差距巨大；原因是沒有一種規(guī)范、合適的設(shè)計(jì)方法。因此，研究開發(fā)一種既能滿足去除大部分煤顆粒懸浮物工藝要求、又能節(jié)約用地的、規(guī)范合適的煤泥初沉池設(shè)計(jì)方法是十分必要的。

2 現(xiàn)狀

對(duì)火力發(fā)電廠進(jìn)行調(diào)研觀測，發(fā)現(xiàn)電廠煤泥初沉池存在不同程度的問題，主要表現(xiàn)在運(yùn)行管理和設(shè)計(jì)方面都有不完善之處，煤泥初沉池出水不能滿足后續(xù)加藥煤水處理系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)。因此，如何合理確定煤泥初沉池設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要認(rèn)真探討。

電廠煤場一般占地?cái)?shù)公頃，堆有大量原煤。降雨時(shí)，煤場表面逐漸形成徑流。由于水流的沖刷作用，細(xì)小的煤粉顆粒隨水流排出煤場。因此煤場排出的初期雨水，含有相當(dāng)數(shù)量的煤粉顆粒，色黑，懸浮物濃度達(dá)104 mg/L以上。輸煤系統(tǒng)沖洗水煤顆粒懸浮物濃度相對(duì)較小，但也高達(dá)數(shù)千mg/L以上。因此，合理的設(shè)置煤泥初沉池，收集煤場初期雨水以及輸煤系統(tǒng)沖洗水，不僅保護(hù)環(huán)境，而且能回收其中夾帶的煤粉。

3 火力發(fā)電廠煤泥沉淀池的設(shè)計(jì)

3.1 煤泥沉淀池有效容積的確定

煤場初期雨水煤泥初沉池的有效容積應(yīng)根據(jù)煤場降雨量確定。煤場初期雨水量與雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、煤場初期雨水的降雨歷時(shí)以及煤場徑流系數(shù)有關(guān)。《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《水工規(guī)范》)表13.1.5中規(guī)定，貯煤場徑流系數(shù)取值為0.15～0.30；《水工規(guī)范》14.3條文說明規(guī)定，煤場初期雨水集雨時(shí)間可按0.5 h～1.0 h考慮，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的取值宜與全廠協(xié)調(diào)一致(一般取為2～5 a)；《火力發(fā)電廠廢水治理設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》10.2.3條文說明規(guī)定，煤水沉淀池容積按照接納不小于0.5 h歷時(shí)過程中所能收集的水量確定。一般認(rèn)為，降雨持續(xù)0.5 h后煤場雨水排水比較清潔；降雨時(shí)間0.5 h后的降雨不再進(jìn)入煤泥初沉池，可以直接排入雨水下水道。

3.2 含煤廢水懸浮物顆粒分析

據(jù)測，進(jìn)入煤泥初沉池的含煤廢水懸浮物濃度可達(dá)12000 mg/l左右，最大粒徑為30 mm～50 mm；懸浮物粒徑小的甚至呈膠體狀態(tài)。煤水中顆粒分布以及顆粒沉速對(duì)應(yīng)情況，詳見表1、表2。

表1 煤水粒徑分布

表2 煤泥不同粒徑沉降速度

無論在動(dòng)態(tài)沉淀的平流狀態(tài)還是靜止沉淀的靜水狀態(tài)下，細(xì)小煤顆粒的沉降均屬于層流狀態(tài)或近層流流態(tài)；根據(jù)表2數(shù)據(jù)，基于阿基米德原理，顆粒所受阻力與其在水中的重力相等時(shí)，將等速下沉；層流流態(tài)下煤顆粒的沉速計(jì)算可用斯托克斯(Stokes)公式：

式中：u為沉速，(m/s)；i為水的動(dòng)力黏度，(Pa·s)；ρS為顆粒密度，(kg/m3)；ρ為水密度，(kg/m3)；d為顆粒粒徑，(m)；g為重力加速度，(m/s2)。

將表2數(shù)據(jù)代入斯托克斯公式計(jì)算可得：煤泥顆粒的平均顆粒密度ρS為：1396.3 kg/m3。

3.3 煤泥沉淀池臨界沉速u的確定

煤泥初沉池后的加藥煤水處理系統(tǒng)的工藝流程，要求進(jìn)水懸浮物濃度不高于5000 mg/l。即針對(duì)懸浮物濃度高達(dá)12000 mg/l的含煤廢水，在煤泥初沉池中的去除率需達(dá)到近60%。即在粒徑≤0.04 mm的顆粒中仍有一半懸浮物需要在煤泥初沉池中去除。煤泥水懸浮物粒徑在0.01 mm以下時(shí)，懸浮物濃度一般處于1000 mg/L以下；利用插值法，取去除率達(dá)到60%懸浮物粒徑為0.025 mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的沉速u為：

即為符合煤泥初沉池顆粒去除要求的臨界沉速u0；數(shù)值上等于煤泥初沉池的“表面負(fù)荷”Q/A，此項(xiàng)參數(shù)代表了沉淀池的沉淀能力，以此參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)即可展開煤泥初沉池的設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.4 “動(dòng)靜結(jié)合”模式的煤泥沉淀池?fù)?jù)

試驗(yàn)及實(shí)測，動(dòng)態(tài)沉淀池的出水懸浮物可達(dá)1000 mg/l以上(此時(shí)的臨界沉速u0約為1.89×10-5m/s)，靜止沉淀池的上清水懸浮物可在700 mg/l～800 mg/l以下 ；均符合加藥煤水處理系統(tǒng)的進(jìn)水懸浮物濃度要求?！端ひ?guī)范》[1]第14.3.1條亦要求：發(fā)電廠宜設(shè)煤場雨水沉淀池，并宜與輸煤系統(tǒng)建筑沖洗排水沉淀池合并設(shè)置；因此，本文的煤泥初沉池設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)平流沉淀池與靜止自然沉淀池相結(jié)合的模型，以適應(yīng)包含煤場初期雨水、輸煤系統(tǒng)沖洗排水在內(nèi)的各種含煤廢水來水處理要求。

當(dāng)含煤廢水來源僅為輸煤系統(tǒng)沖洗排水時(shí)，由于來水總量相對(duì)較小，煤泥初沉池可按動(dòng)態(tài)平流沉淀池模式設(shè)計(jì)，即：當(dāng)含煤廢水流經(jīng)煤泥初沉池到達(dá)沉淀區(qū)域末端時(shí)，懸浮物濃度可達(dá)到后續(xù)加藥處理系統(tǒng)的進(jìn)水要求。

當(dāng)含煤廢水來源主要為煤場初期雨水時(shí)，由于來水總量相對(duì)較大，煤泥初沉池按靜態(tài)自然沉淀池模式設(shè)計(jì)，即：將0.5 h內(nèi)的煤場初期雨水儲(chǔ)存于煤泥初沉池有效容積中，有效容積中考慮存儲(chǔ)煤場初期雨水量的同時(shí)，還要考慮輸煤系統(tǒng)的一次沖洗水量。靜態(tài)自然沉淀池設(shè)計(jì)模式需要更長的沉淀時(shí)間，但沉淀池容積的利用率高，去除率較動(dòng)態(tài)平流沉淀池設(shè)計(jì)模式要高，但需要較長的沉淀時(shí)間。

動(dòng)態(tài)平流沉淀池設(shè)計(jì)模式與靜止自然沉淀池設(shè)計(jì)模式相結(jié)合的煤泥初沉池設(shè)計(jì)方法相較于傳統(tǒng)的靜止自然沉淀池，有著煤泥沉淀池利用率高、無需專設(shè)用于存蓄輸煤系統(tǒng)沖洗排水的容積，無需分格設(shè)置，減小占地面積的優(yōu)勢。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

以北方某2×300 MW燃煤電廠工程為例，煤場占地面積約為2.75 km2，采用懸臂斗輪機(jī)雙列煤場，煤堆呈長條形布置，長約180 m，每條寬35 m，煤場堆高為14 m，儲(chǔ)煤約1×105t，可滿足2×300 MW機(jī)組約10天的耗煤量。取煤場徑流系數(shù)取值為0.20；煤場雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的取值宜與全廠協(xié)調(diào)一致為3年；半小時(shí)內(nèi)的煤場初期雨水量為約300 m3；棧橋、轉(zhuǎn)運(yùn)站水沖洗用水量：日用水量為120 m3/d；小時(shí)用水量為60 m3/h，每日2次，一次一小時(shí)。

當(dāng)含煤廢水來源僅為輸煤系統(tǒng)沖洗排水時(shí)，Qmax=96 m3/h(考慮變化系數(shù)為1.2～2.0，取1.6)；該工況下，煤泥初沉池可按動(dòng)態(tài)平流沉淀池模式設(shè)計(jì)，其臨界沉速u0=1.184×10-4m/s；則該平流沉淀池的“表面負(fù)荷”Q/A=0.426 m3/(m2·h)。由此可知，該平流沉淀池沉淀區(qū)域的占地面積A需≥Qmax/(Q/A)＝225.4 m2。

當(dāng)含煤廢水來源主要為煤場初期雨水時(shí)，煤泥初沉池按靜態(tài)自然沉淀池模式設(shè)計(jì)，即其沉淀區(qū)域有效容積需≥0.5 h內(nèi)的煤場初期雨水量+運(yùn)煤系統(tǒng)的一次沖洗水量＝300＋96＝396 m3。

沉淀池的常規(guī)要求：長深比≥8～10；長度≤60 m；長寬比≥4；有效水深=3 m～3.5 m；且水工規(guī)范第14.3.2條要求煤泥初沉池宜符合下列要求：

超高為0.3 m～0.5 m；

有效水深宜采用2 m～3 m；

煤泥最大沉積厚度按0.5 m～1.0 m；

由此，確定沉淀池基本參數(shù)如下：沉淀區(qū)域長L=30 m；沉淀區(qū)域?qū)払=8 m(分兩格)；有效水深H=2 m；平面面積A=240 m2；有效容積V有效=480 m3；均滿足動(dòng)態(tài)和靜態(tài)設(shè)計(jì)模式的最小平面面積、有效容積要求。一般情況下，雨天選擇靜態(tài)運(yùn)行模式；非雨天選擇動(dòng)態(tài)模式運(yùn)行。

沉淀區(qū)域前端，設(shè)置啟閉機(jī)閘門兩座，將沉淀區(qū)域與進(jìn)水區(qū)域分開，可供選擇動(dòng)態(tài)模式或靜態(tài)模式運(yùn)行；進(jìn)水區(qū)域設(shè)置與煤場煤泥溝相連，設(shè)置溢流堰一座，具體見圖1。

沉淀區(qū)域末端，與不同高程設(shè)置啟閉機(jī)閘門3座(常開，僅在下雨時(shí)關(guān)閉)，將沉淀區(qū)域與出水區(qū)域分開，具體見圖2。

當(dāng)含煤廢水來源僅為輸煤系統(tǒng)沖洗排水時(shí)，選擇動(dòng)態(tài)模式運(yùn)行，進(jìn)水管道從進(jìn)水區(qū)域閘門后接入沉淀區(qū)域，含煤廢水流經(jīng)沉淀區(qū)域后由末端啟閉機(jī)閘門(全開)流出，進(jìn)入初沉后煤水池；輸煤系統(tǒng)沖洗排水在流經(jīng)沉淀區(qū)域的過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)平流沉淀，到達(dá)沉淀區(qū)域末端時(shí)，已符合出水的懸浮物濃度要求，從閘門孔中溢流至初沉后煤水池。

圖1 煤泥沉淀池沉淀區(qū)域前端平面圖

圖2 煤泥沉淀池沉淀區(qū)域末端斷面圖

當(dāng)含煤廢水來源主要為煤場初期雨水時(shí)，選擇靜態(tài)運(yùn)行模式；沉淀區(qū)域末端3座啟閉機(jī)閘門全關(guān)。煤泥初沉池轉(zhuǎn)化為靜態(tài)的自然沉淀，開始存儲(chǔ)來自煤場的初期雨水；設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下的0.5 h煤場初期雨水(300 m3，有效容積中剩余的96 m3為預(yù)留的存儲(chǔ)期間一次輸煤系統(tǒng)沖洗排水量)收集完畢后，關(guān)閉進(jìn)水區(qū)域啟閉機(jī)閘門(此處設(shè)置液位聯(lián)鎖)，0.5 h以后清潔的煤場雨水通過溢流堰進(jìn)入廠區(qū)雨水管道系統(tǒng)排放。見圖3，陰影部分即為靜態(tài)的自然沉淀池所存儲(chǔ)的煤場初期0.5 h雨水量。

煤顆粒臨界沉速u0=1.184×10-4m/s，則每沉降1世面m需耗時(shí)T0＝H0/u0≈8446 s＝2.35 h；煤泥初沉池存儲(chǔ)區(qū)域有效水深H＝2 m，則可知靜態(tài)自然沉淀池的停留時(shí)間T＝H/u0≈16892 s＝4.70 h。即此部分存儲(chǔ)的煤場初期雨水，將在靜止自由沉淀4.70 h后符合煤泥初沉池出水的懸浮物濃度要求；屆時(shí)可打開沉淀區(qū)域末端各啟閉機(jī)閘門，將此部分水量放至初沉后煤水池。也可利用沉降高度與所需沉降時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從上到下，依次打開沉淀區(qū)域末端各啟閉機(jī)閘門。

圖3 煤泥沉淀池縱向剖面圖

5 結(jié)論

綜上所述，這種煤泥初沉池設(shè)計(jì)方案在保證出水懸浮物濃度符合后續(xù)工藝系統(tǒng)要求的前提下，兼顧了動(dòng)態(tài)平流沉淀和靜態(tài)自由沉淀兩種運(yùn)行模型；在不同的工況下，能于這兩種模型間交替切換運(yùn)行，無需分格設(shè)置[1]，減小了占地面積，為電廠煤水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案提供了一個(gè)新的思路。

[1]DL/T5339－2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2]DL/T5046－2006，火力發(fā)電廠廢水治理設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]．

[3]張康年．火力發(fā)電廠含煤廢水處理方式優(yōu)選[J]．電力土水設(shè)計(jì)，2008，(4)．

[4]嚴(yán)煦世，范瑾初．給水工程(第四版)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999．

[5]楊秀偉．應(yīng)用集成式污水凈化技術(shù)改造含煤廢水處理系統(tǒng)[C]//火力發(fā)電節(jié)水技術(shù)研討會(huì)，2006．