宋雅莉

(馬鞍山當涂發(fā)電有限公司,安徽 馬鞍山 243102)

隨著世界人口的增加以及工業(yè)化進程的加速,水資源短缺已對諸多國家構成顯著威脅,成為了影響人類生存和發(fā)展的關鍵問題[1-3]?；痣娦袠I(yè)作為用水、排水大戶,用水占工業(yè)總量的20%,電力行業(yè)零排放概念自上世紀末就已經(jīng)提出,但是國內(nèi)機組投產(chǎn)后,真正實現(xiàn)電廠零排放的項目極少,主要原因是早期零排放技術不成熟、投資高、運行維護費用高等[4]。當前,我國廢水排放標準的要求日益嚴格,尤其是國務院最新發(fā)布的《水污染防治行動計劃》(“水十條”),更是將水環(huán)境保護上升到了國家戰(zhàn)略層面。在燃煤電廠的各類廢水中,脫硫廢水因成分復雜、污染物種類多,成為燃煤電廠最難處理的廢水之一。目前,國內(nèi)大多數(shù)燃煤電廠仍在采用傳統(tǒng)的化學沉淀法(“三聯(lián)箱”工藝)對脫硫廢水進行達標排放處理,但其對可溶性鹽分沒有去除效果,無法滿足日益嚴格的環(huán)保排放要求[5-7]。全面建設綠色環(huán)保型發(fā)電企業(yè),電廠開展廢水零排放工作迫在眉睫[8-10]。近年來,國內(nèi)已有部分電廠進行了廢水零排放改造,取得了一系列的成果。其應用案例如表1 所示。

表1 國內(nèi)主要廢水零排放技術應用案例

1 電廠水處理系統(tǒng)現(xiàn)狀

當涂電廠位于安徽省馬鞍山市當涂縣內(nèi),廠區(qū)緊鄰長江,廠區(qū)西側(cè)外即長江大堤。電廠目前建設2×660 MW超臨界燃煤機組,采用直流供水方案,取、排水構筑物均位于江心洲右汊河段,采用上游取、下游排方式。全廠其他用水均取自直流冷卻水管,經(jīng)化學凈水站處理后用于生活、消防、化學、工業(yè)等。當涂電廠2013年開始對外供熱,2014年對原水預處理系統(tǒng)擴容改造并建設二期鍋爐補給水處理系統(tǒng)。由于用水量增大,相應的系統(tǒng)排水量增加,原設計水量平衡被打破,部分預處理排水通過雨水系統(tǒng)外排。難以回用的脫硫廢水則排放至灰場,未能完全實現(xiàn)脫硫廢水的回收利用。因此當涂發(fā)電廠亟需通過廢水零排放改造,有效管控企業(yè)環(huán)保風險。

電廠水處理系統(tǒng)包括：

1) 工業(yè)廢水系統(tǒng)

電廠工業(yè)廢水系統(tǒng)來水共約16.9 m3/h,其中機組排水槽來水11.7 m3/h,化學再生廢水0.5 m3/h,含煤廢水4.7 m3/h。由于未對廢水進行分類回收,處理達標的工業(yè)廢水排至復用水池。

2)脫硫廢水系統(tǒng)

電廠脫硫廢水處理系統(tǒng)運行正常,設計處理能力為20 m3/h,根據(jù)水平衡測試結(jié)果,全廠脫硫廢水水量夏季平均值為10.1 m3/h,冬季平均值為9.5 m3/h,處理后的脫硫廢水輸送至灰場。

3)原水預處理系統(tǒng)

原水預處理系統(tǒng)設計污泥濃縮池和污泥脫水系統(tǒng),但由于系統(tǒng)投運時間較少,設備管道等老化腐蝕嚴重,原水預處理排泥水經(jīng)沉淀后上清液溢流,污泥定期清理。

4)生活污水系統(tǒng)

生活污水處理站主要包括污水調(diào)節(jié)池、生活污水處理設備、綠化復用水池等構筑物。生活污水處理設備采用地埋式處理裝置,處理能力為10 m3/h,設備采用生物接觸氧化法處理工藝,處理達標的污水匯至綠化復用水池,用泵升壓后用于廠區(qū)綠化。電廠地埋式生活污水處理系統(tǒng)運行時間較長,設備老化嚴重,此外廠區(qū)內(nèi)綠化無法完全消耗處理后的生活污水。

5)復用水系統(tǒng)

復用水主要包括反滲透濃水、處理后的工業(yè)廢水、處理后的含煤廢水等。雨天初期含煤廢水量較大,部分含煤廢水未能完全處理合格。此外原有濕渣系統(tǒng)改造為干渣系統(tǒng),復用水無法完全回用。

針對以上電廠水資源綜合利用現(xiàn)狀,分析其水資源綜合利用的薄弱環(huán)節(jié),根據(jù)全廠廢水零排放的要求,開展以下部分的技術改造：第一部分主要是恢復現(xiàn)有系統(tǒng)出力和優(yōu)化水資源分類使用;第二部分是脫硫廢水零排放技術應用。

2 水資源綜合利用改造

水資源綜合利用改造主要是恢復現(xiàn)有系統(tǒng)出力和優(yōu)化水資源分類使用,包括各水系統(tǒng)的改造和增加智慧水務平臺。

1)原水預處理污泥脫水系統(tǒng)改造

原水預處理污泥脫水系統(tǒng)在原有設備上進行改造,修復腐蝕老化嚴重的管道設備,完善相應的控制系統(tǒng),調(diào)試相關設備至正常運行狀態(tài)。

2)生活污水系統(tǒng)改造

生活污水處理系統(tǒng)進行維護改造,更換填料濾芯等,并增加深度處理設施,進一步保證處理后的生活污水水質(zhì)。處理后的生活污水回用管道增加一路至含煤廢水處理系統(tǒng)清水池,增加一路至全廠復用水池;生活污水處理后回用優(yōu)先考慮全廠綠化,其次考慮用水要求不高的輸煤系統(tǒng),最后考慮全廠復用水系統(tǒng)。

3)復用水系統(tǒng)改造

復用水系統(tǒng)改造新增廢水輸送管道,將處理后仍不合格的含煤廢水輸送至含煤廢水池,含煤廢水處理系統(tǒng)反洗含煤泥水回收至含煤廢水處理系統(tǒng)沉煤池,沉淀后的煤泥再運送至煤場進行摻燒。

4) 智慧水務平臺

完善電廠用水計量儀表的安裝配置,完善各用水系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計收集,建立全廠智慧水務管理系統(tǒng)。實現(xiàn)全廠用水在線自動監(jiān)控和水務管理綜合信息管理,建立全廠動態(tài)及靜態(tài)水量平衡系統(tǒng),在自動控制、信息反饋、智能分析、故障診斷等多方面實現(xiàn)智慧化。在全廠動態(tài)水量平衡系統(tǒng)的基礎上,綜合電廠各主要用水系統(tǒng)補水方式,通過智能監(jiān)測補充水池、水箱液位、用水流量等,根據(jù)數(shù)據(jù)庫運算,提供相應的實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)用水的自動化調(diào)節(jié),建立各用水系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)。同時根據(jù)采集的數(shù)據(jù)庫資料,通過數(shù)據(jù)運算處理,自動統(tǒng)計并計算水務管理相關技術指標,依據(jù)現(xiàn)行的法規(guī)標準,對所獲取的指標數(shù)據(jù)進行智能評價;在此基礎上對超標數(shù)據(jù)、異常指標數(shù)據(jù)以及不平衡數(shù)據(jù)自動判別,并對有關系統(tǒng)提出警示,以指導水務管理及節(jié)水優(yōu)化運行。

3 脫硫廢水零排放應用技術

當涂電廠脫硫廢水通過化學沉淀法(“三聯(lián)箱”工藝)進行中和、絮凝、沉淀、泥漿脫水等一系列處理。經(jīng)脫硫廢水處理系統(tǒng)處理后的廢水水質(zhì)滿足《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質(zhì)控制指標》(DL/T 997—2006)的要求,但其對可溶性鹽分沒有去除效果,無法滿足日益嚴格的環(huán)保排放要求。此外,當涂電廠難以回用的脫硫廢水排放至灰場,未能完全實現(xiàn)脫硫廢水的回收利用。因此,從經(jīng)濟運行和保護環(huán)境出發(fā),為節(jié)約發(fā)電用水、提高循環(huán)水的重復利用率,對燃煤電廠廢水實現(xiàn)零排放處理意義重大、勢在必行。

廢水零排放工藝是廢水不斷濃縮減量的過程,在該過程中產(chǎn)生的較好水質(zhì)的水不斷被回用,廢水中的其它雜質(zhì)不斷被濃縮,最后以固體形式析出而達到零排放的目的。根據(jù)不同水質(zhì)的處理過程,一般零排放工藝流程可分為三個階段：預處理、濃縮減量和蒸發(fā)固化。

3.1 預處理階段

脫硫廢水具有含鹽量、硬度、Cl-、Mg2+量高等特點,這些物質(zhì)在濃縮過程中易發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象,預處理一般通過軟化、過濾等過程去除懸浮物、重金屬等,降低硬度和各項污染指標,符合后續(xù)濃縮單元的要求。軟化處理通常包括石灰處理、碳酸鈉處理等,為確保脫硫廢水徹底軟化滿足后續(xù)膜法濃縮的要求,通常建議采用石灰或氫氧化鈉+碳酸鈉的二級軟化處理。石灰+碳酸鈉的二級軟化處理作為最常用的軟化處理工藝,其工藝技術成熟可靠,在火電廠中水回用和循環(huán)水排污水處理等方面有著廣泛的應用。對于過濾處理,常采用的處理工藝包括超濾和微濾等。隨著國內(nèi)電力行業(yè)廢水零排放工藝技術的革新,部分零排放工藝技術方案對預處理要求相對較低,考慮到后續(xù)濃縮減量和固化處理工藝運行的安全性和穩(wěn)定性,還需根據(jù)終端處理整體工藝進行預處理方案的選擇。

3.2 濃縮減量階段

為進一步減少末端固化處理水量,應對預處理后的水量進一步濃縮,現(xiàn)有的濃縮工藝主要分為膜法濃縮和熱法濃縮兩種。膜法濃縮工藝主要有碟管式反滲透、管網(wǎng)式反滲透、電滲析、正滲透等不同的濃縮方式;熱法濃縮主要是利用外部熱源加熱廢水使其蒸發(fā)濃縮減量,目前熱法蒸發(fā)濃縮工藝主要包括MVR立式降膜蒸發(fā)工藝、煙氣余熱閃蒸工藝以及低溫煙氣余熱蒸發(fā)濃縮工藝。不同的濃縮技術與工藝對進水有不同的水質(zhì)要求,其對水量的濃縮程度也有所不同。

3.3 蒸發(fā)固化階段

固化主要是將水中鹽類以固體形式結(jié)晶析出,固化階段目前主要存在的技術包括蒸發(fā)結(jié)晶和煙氣蒸發(fā)等。其中蒸發(fā)結(jié)晶技術主要有多效蒸發(fā)(MED)、蒸汽機械再壓縮(MVR)等;煙氣蒸發(fā)分煙道直噴蒸發(fā)和高溫煙氣旁路蒸發(fā)等,各種方案均能滿足脫硫廢水固化處理要求。蒸發(fā)結(jié)晶雖已有成功應用案例,但其投資成本及運行成本均較高,還存在結(jié)晶鹽處理的難題;目前利用電廠煙氣余熱進行蒸發(fā)結(jié)晶的技術得到了快速發(fā)展。

3.3.1 煙道直噴蒸發(fā)技術

煙道直噴蒸發(fā)是將處理后的終端廢水用泵輸送到布置在除塵器前煙道(空預器與除塵器之間)中的雙流體霧化器高度霧化,在高溫煙氣余熱的加熱作用下,水分被完全蒸發(fā)成水蒸氣,而鹽分隨著水分蒸發(fā)結(jié)晶成固體顆粒,被除塵器捕捉收集,水分隨煙氣進入脫硫吸收塔,實現(xiàn)終端廢水的零排放。煙道直噴蒸發(fā)技術的系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 煙道直噴蒸發(fā)技術流程圖

煙道直噴蒸發(fā)技術有建設成本與運行費用低、所占空間小、低動力消耗、不需要額外的能量輸入、不產(chǎn)生多余的固體、能提高靜電除塵器的除塵效率、減少脫硫新鮮工藝水的補充量等優(yōu)勢,但是使用該技術會將脫硫廢水中的鹽分轉(zhuǎn)移至灰中。脫硫廢水經(jīng)過高度霧化后噴入煙道內(nèi),絕大部分廢水霧滴在煙氣拖拽作用下,與煙氣流動保持一致;少數(shù)霧滴會擴散到煙道壁上,粘連煙道內(nèi)壁的粉塵,在系統(tǒng)長期運行下,可能造成煙道內(nèi)壁的腐蝕。同時在噴灑的過程中噴嘴處于高溫中,也可能在噴嘴處發(fā)生結(jié)垢堵塞與磨損,造成噴嘴霧化效果下降;煙道直噴蒸發(fā)工藝的廢水會降低煙氣溫度,有可能使煙溫低于酸露點,對煙道造成腐蝕穿孔。綜合以上分析采用該技術應用仍存在一定的風險。

3.3.2 高溫煙氣旁路蒸發(fā)技術

高溫煙氣旁路蒸發(fā)技術是在空預器前后開設旁路煙道,即引入空預器前的高溫煙氣加熱干燥脫硫廢水的霧化液滴,冷卻降溫后的煙氣重新回到空預器后的煙道中。此時引入的煙氣溫度較高,所需煙氣量較少,不僅可以實現(xiàn)較大規(guī)模的廢水處理,還可以規(guī)避煙道直噴蒸發(fā)技術因設計不合理而產(chǎn)生的煙道腐蝕堵灰和除塵器堵塞等安全風險。高溫煙氣旁路蒸發(fā)技術流程見圖2。

圖2 高溫煙氣旁路蒸發(fā)技術流程圖

高溫煙氣旁路蒸發(fā)不同于煙道直噴蒸發(fā)之處在于：該技術采用的旁路噴霧蒸發(fā)系統(tǒng)及設備雖然與主煙道相連接,但是它屬于一個獨立的運行單元,該技術工藝系統(tǒng)的投運、檢修與維護都可以單獨進行,最大限度地減輕了對原煙氣系統(tǒng)的影響,杜絕了由于廢水蒸發(fā)帶來的機組安全穩(wěn)定運行的風險,且蒸發(fā)過程發(fā)生在旁路噴霧蒸發(fā)器內(nèi),極大地降低了火電企業(yè)采用該技術的限制條件。同時,由于利用蒸發(fā)的煙氣溫度較高,噴霧蒸發(fā)器出口煙溫持續(xù)保持在酸露點以上,有效地避免了主煙道以及設備可能發(fā)生的積灰、結(jié)垢、腐蝕以及堵塞等問題。

3.3.3 蒸發(fā)固化方案選擇

高溫煙氣旁路蒸發(fā)和煙道直噴蒸發(fā)技術均利用鍋爐煙氣對廢水進行蒸發(fā)結(jié)晶,蒸發(fā)結(jié)晶物與灰塵一同進入電除塵器隨粉煤灰利用,無需其它熱源,且不產(chǎn)生不宜處理的結(jié)晶鹽類,整體投資和運行成本較低。對兩種煙氣蒸發(fā)固化處理技術進一步比對詳見表2。鑒于高溫煙氣旁路蒸發(fā)的優(yōu)勢,在利用煙氣蒸發(fā)脫硫廢水工藝時,優(yōu)先推薦采用高溫煙氣旁路蒸發(fā)處理技術。以當涂電廠660 MW機組為例,采用高溫煙氣旁路蒸發(fā)工藝,脫硫廢水干燥產(chǎn)物在塔內(nèi)高速渦流后,隨煙氣進入原主煙道除塵器處理。經(jīng)核算混合后粉煤灰中氯含量為0.075%,脫硫廢水干燥后產(chǎn)生的鹽分不會對粉煤灰的綜合利用產(chǎn)生影響,均能符合水泥及混凝土使用行業(yè)標準。此外,當旁路引出煙氣量小于總煙氣量的3%時,對鍋爐效率影響小于0.3%。

表2 固化方案選擇對比

煙氣蒸發(fā)固化噴霧方式有兩種,一種是利用壓縮空氣的雙相流霧化,另一種是利用機械離心力的旋轉(zhuǎn)霧化。根據(jù)煙道直噴蒸發(fā)采用的雙相流霧化經(jīng)驗,雙相流霧化容易出現(xiàn)噴嘴堵塞的問題,同時需要消耗大量壓縮空氣。機械旋轉(zhuǎn)霧化法的核心設備是旋轉(zhuǎn)霧化器,由于機械旋轉(zhuǎn)霧化器孔徑較大(1～2 cm),不易結(jié)垢和堵塞,可以不對廢水做預處理和濃縮減量,極大地降低了成本。此外,機械旋轉(zhuǎn)霧化器具有高可靠性、易維護、耐磨、霧化均勻等優(yōu)點,其噴漿量調(diào)節(jié)范圍廣,對煙氣溫度、煙氣成份、煙氣量等的變化適應性強,能快速響應機組工況的變化。因此,目前高溫煙氣旁路蒸發(fā)處理工藝常采用機械旋轉(zhuǎn)霧化噴霧方式。

3.4 廢水零排放工藝方案選擇

當涂電廠裝機容量為2×660 MW,全廠共10 m3/h 脫硫終端廢水需進行處理,針對當涂電廠直接采用高溫煙氣旁路蒸發(fā)和熱法濃縮減量-高溫煙氣旁路蒸發(fā)方案進行對比發(fā)現(xiàn),廢水若采用熱法濃縮減量-高溫煙氣旁路蒸發(fā)方案,其投資費用、運行總成本較高,且設備相對較復雜,不利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行;直接采用高溫煙氣旁路蒸發(fā)方案,設備簡單,總投資費用及總成本相對較低。綜合考慮電廠實際運行情況,當涂電廠采用高溫煙氣旁路蒸發(fā)固化處理工藝,并采用機械旋轉(zhuǎn)霧化噴霧方式。

4 項目試運情況評價和影響

全廠廢水系統(tǒng)零排放改造工程的各個系統(tǒng)成功通過嚴格的168 h試運行。其中,兩套高溫煙氣旁路蒸發(fā)系統(tǒng)的性能值得關注,單套處理能力達到5 m3/h,最大處理能力可達6.5 m3/h,為電廠提供了強大的廢水處理能力。同時處理后的干渣含水率保持在小于2%的水平,表明系統(tǒng)在廢水濃縮和干化方面表現(xiàn)良好,對于減少廢物量、提高資源回收率以及實現(xiàn)零排放目標都具有積極的影響。此外,其他各系統(tǒng)的優(yōu)化改造部分也在試運行期間達到了要求,整體性能穩(wěn)定可靠。這些試運行結(jié)果為工程的進一步擴展和全面投入運行提供了堅實的基礎,也將為環(huán)境保護、資源利用和可持續(xù)發(fā)展提供有力的支持,給工業(yè)廢水處理提供了重要的范例。

本項目為環(huán)保類項目,雖然在改造后并不直接帶來經(jīng)濟效益,但在降低用水成本方面具有一定的貢獻。項目的實施預計可每小時節(jié)省用水約30 t,年節(jié)水量估計達到15萬t(年運行時間按5 000 h計算)。若水費按照0.3元/t計算,預計可以每年節(jié)省取水費用4.5萬元,對電廠的經(jīng)濟可持續(xù)性和資源管理方面產(chǎn)生積極影響。

此外,項目的完成將完全解決廢水外排問題,從而消除了廢水對環(huán)境造成的潛在風險。這對于維護生態(tài)平衡、保護水資源和改善周邊社區(qū)的生活環(huán)境具有重要意義。因此,該項目的收益不僅是經(jīng)濟效益,更重要的是其顯著的社會效益和環(huán)境效益。

5 結(jié)語

當涂電廠廢水零排放改造項目遵循分質(zhì)回用、分類處理、梯級利用的廢水治理原則,實施廢水零排放改造工程,廢水經(jīng)過處理后能夠滿足回用要求,不再有廢水外排并且能夠節(jié)約水資源。廢水零排放改造項目既可以有效緩解電廠的環(huán)保壓力還可以產(chǎn)生良好的社會效益和環(huán)境效益。