褐煤煙氣冷凝水水質特點及其回用工藝

吳火強，毛 進，王 璟，王正江，王一坤，劉亞鵬

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褐煤煙氣冷凝水水質特點及其回用工藝

吳火強，毛 進，王 璟，王正江，王一坤，劉亞鵬

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

依托某電廠褐煤煙氣水分冷凝回收中試裝置，重點研究了冷凝換熱器冷卻水溫度、冷卻水流量和煙氣流量對冷凝回收水質的影響規律，總結了冷凝水水質特點，并在此基礎上，提出了煙氣冷凝水回用脫硫系統及鍋爐補給水系統的技術路線，完成了煙氣冷凝水超濾-反滲透雙膜處理工藝試驗。試驗結果表明：冷凝換熱器冷卻水溫度越高、流量越小，煙氣流量越大，褐煤煙氣冷凝水水質越差；冷凝水總體呈較強酸性，pH值為2.63~3.51，電導率為261~1 132 μS/cm，鈣鎂硬度、有機物質量濃度等均較低，但全鐵和氨氮質量濃度稍高；采用超濾-反滲透工藝處理煙氣冷凝水，產水回收率可達85%以上，電導率低于15 μS/cm，且運行穩定。該研究結果可為褐煤煙氣冷凝水回用的處理工藝設計提供參考。

褐煤；煙氣冷凝水；超濾；反滲透；水質；補給水；雙膜處理工藝；回收率

褐煤是我國內蒙古、云南和黑龍江等地較為常見的煤種，具有煤化程度低、含水量高、熱值低、熱穩定性較差等特點，尤其是其水質量分數可高達20%~50%[1-3]。目前，褐煤主要用于直接燃燒發電，燃用褐煤電站鍋爐的排煙溫度一般為140~150 ℃，煙氣中的水體積分數高達15%或更高[4-5]。為此，研究者針對褐煤煙氣水分的回收開展了大量研究，其中以冷凝式回收工藝研究較多[6-7]。然而，相關研究多集中于對冷凝水捕集[8]、冷凝換熱過程與余熱回收[9-10]、煙氣污染物協同脫除[11-12]等的分析，而針對冷凝換熱收水裝置回收水的水質特點和變化規律、凈化處理工藝及其回用策略方面的探討與研究較少。采用煙氣冷凝法回收的水分溶解了煙氣中的飛灰、酸性物質以及微量重金屬等污染物，不可直接循環利用。如何經濟有效地處理并回收利用煙氣冷凝水是本文的研究重點。

本研究依托某電廠褐煤煙氣水分冷凝回收中試裝置，分析了不同煙氣流量、冷卻水溫度和流量等參數對冷凝回收水質的影響，總結了冷凝水水質的特點及變化規律，并在此基礎上提出了煙氣冷凝水低質回用和高質回用2種工藝路線，重點分析和驗證了煙氣冷凝水采用超濾-反滲透雙膜法處理的可行性。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

1.1.1 煙氣冷凝回收水中試裝置

褐煤煙氣水分冷凝回收試驗裝置如圖1所示。試驗時從脫硫吸收塔后煙道上抽取一定比例煙氣（設計最大煙氣量為50 000 m3/h，標準狀態，下同），送至換熱器冷凝回收水后再由引風機送回脫硫煙道。冷凝換熱器材質為搪瓷管，換熱管束水平布置，循環冷卻水取自脫硫工藝水箱，經換熱器換熱后返回脫硫工藝水箱。試驗裝置采用PLC系統實現自動控制。煙氣冷凝過程中產生的水分采用收集水箱（PTFE）收集分析測定水質指標。

圖1 褐煤煙氣冷凝取水中試裝置示意

1.1.2 超濾-反滲透中試裝置

為了研究超濾-反滲透工藝對褐煤煙氣冷凝水水質的適應性，本文以褐煤煙氣冷凝水作為試驗進水，調節pH值，靜置后進行超濾-反滲透工藝試驗。超濾-反滲透中試裝置如圖2所示。

圖2 超濾-反滲透中試裝置

超濾膜材質為PVDF，采用外壓式死端過濾方式運行。反滲透膜材質為抗污染苦咸水聚酰胺反滲透膜（型號：HPA2-4040），最大操作壓力為4.4 MPa。試驗采用恒通量濃水回流的模式，通過分析不同產水回收率條件下超濾-反滲透裝置的運行壓力、脫鹽率、產水水質等指標來研究超濾-反滲透裝置的工藝性能及運行穩定性。

1.2 分析儀器與方法

試驗分析儀器包括：SG23型便攜式pH值/電導率多參數測試儀；Specord 210型紫外-可見分光光度計；Zeenit-700型原子吸收光譜儀；Multi N/C 3100型總有機碳/總氮分析儀等。

水質指標分析方法采用《火力發電廠水汽分析方法》（DL/T/502—2006）及《水和廢水監測分析方法》（第4版）中相關分析方法。

2 結果及討論

2.1 褐煤煙氣冷凝水水質變化規律與特點分析

2.1.1冷卻水入口溫度對冷凝水水質的影響

試驗保持煙氣流量20 000 m3/h，換熱器冷卻水流量40 t/h的條件下，以電導率、pH值、總硬度、Cl–、SO42–、氨氮、懸浮物和總汞作為典型監測指標，分析冷卻水入口溫度對褐煤煙氣冷凝水水質的影響，結果如圖3所示。

圖3 不同冷卻水入口水溫時煙氣冷凝水水質指標

由圖3可以看出：隨著冷卻水入口溫度由25 ℃升至45 ℃，冷凝水電導率由347.0 μS/cm顯著升高至571.2 μS/cm，水中Cl–、SO42–及懸浮物質量濃度均呈較明顯的上升趨勢；總硬度（以CaCO3計，下同）、pH值和總汞質量濃度則呈下降趨勢，而氨氮質量濃度呈先上升后下降的趨勢。這是由于煙氣中水分與其他污染因子的冷凝析出規律并不完全一致，隨著冷卻水入口溫度升高，煙氣中水分與換熱器表面的換熱溫差減小，水分凝結析出速率明顯減緩[8,11]，但是煙氣中易溶于水的HCl、SO3、NH3等污染物仍然很容易進入換熱器管壁表面的冷凝液膜中，故其相應的離子質量濃度可能反而上升；與此相反，煙氣中攜帶的一些其他雜質，如Ca2+、Mg2+和總汞等在較高溫度下不易被冷凝液膜碰撞、捕集，其質量濃度可能下降。

2.1.2 冷卻水流量對冷凝水水質的影響

在煙氣流量20 000 m3/h，冷卻水溫度35 ℃條件下，試驗得到換熱器冷卻水流量對褐煤煙氣冷凝水水質的影響，結果如圖4所示。由圖4可以看出，冷卻水流量從30 t/h增至70 t/h，冷凝水的電導率由613.5 μS/cm降至527.8 μS/cm，冷凝水中總硬度、Cl–、SO42–、氨氮、懸浮物和總汞質量濃度均呈明顯的下降趨勢，pH值呈上升趨勢。其原因主要是提高冷卻水的流量能夠增強換熱管內部冷卻水與管壁的對流換熱，從而冷凝水流量明顯增加；但是換熱管束外側所形成的液膜表面積卻變化不大，從而污染物質進入冷凝水中的傳質速率仍相對固定，導致溶解或帶入水中的離子或固體顆粒物均得到不同程度的稀釋導致質量濃度下降。

圖4 不同冷卻水流量時煙氣冷凝水水質指標

2.1.3 煙氣流量對冷凝水水質的影響

保持換熱器冷卻水溫度35 ℃，流量40 t/h，不同煙氣流量時褐煤煙氣冷凝水水質如圖5所示。由圖5可以看出，隨著煙氣流量從15 000 m3/h逐步增至35 000 m3/h，冷凝水的水質整體呈惡化趨勢，電導率由457.4 μS/cm升至604.8 μS/cm，總硬度、Cl-、SO42-、氨氮和懸浮物、總汞質量濃度均明顯上升，pH值明顯下降。分析表明，煙氣流量過大，換熱器換熱系數和冷凝水收集率反而下降[13]，但是換熱器表面氣液間的傳質會顯著增強，因而冷凝水中酸性物質及其他污染物質量濃度表現為明顯上升 趨勢。

圖5 不同煙氣流量時煙氣冷凝水水質指標

2.1.4煙氣冷凝水水質特點

在上述工況試驗的基礎上，從2016年3月至 5月，先后對2批次煙氣冷凝水水質進行分析，共計29個水樣，812個指標，分析結果見表1。根據表1中數據，總結和分析出煙氣冷凝水主要水質特點如下。

表1 褐煤煙氣冷凝水主要水質指標

Tab.1 The main water quality indexes of lignite flue gas condensate

1）總體呈較強酸性，pH值為2.63~3.51。這是因為換熱器設計工作溫度較低，出口煙氣溫度已低于酸露點[14]。

2）電導率和含鹽量較低。電導率為261~ 1 132 μS/cm，含鹽量為91.9~338.3 mg/L。

3）總硬度較低，Ca2+、Mg2+質量濃度一般不高于20 mg/L。

4）陰離子主要為SO42-和Cl-。SO42-和Cl-質量濃度分別為56.8~263.4 mg/L和6.0~34.0 mg/L。

5）冷凝水懸浮物質量濃度相對較高，波動范圍為10.0~65.5 mg/L。與此對應，水樣濁度變化范圍為0.72~32.50 NTU。

6）全鐵質量濃度較高，尤其第2批水樣，含鐵質量濃度為2.90~15.50 mg/L。

7）氨氮質量濃度受脫硝裝置影響波動較大，在2~17 mg/L范圍內波動。

8）有機物質量濃度較低。第1批次水樣總有機碳（TOC）質量濃度平均為2.11 mg/L，第2批次水樣TOC質量濃度僅為0.51 mg/L。

9）煙氣中的微量Hg也較易富集在冷凝水中，監測期間，Hg質量濃度最高可達269.4 μg/L。

綜上所述，由于HCl和SO3強酸性物質的溶入，煙氣冷凝水總體呈強酸性，腐蝕性很強；正是由于設備腐蝕的加劇，導致冷凝水第2批次水樣鐵質量濃度明顯增加，從而增加了冷凝水處理回用的難度。

2.2 超濾-反滲透試驗結果

2.2.1 超濾-反滲透裝置運行情況

褐煤煙氣冷凝水中致垢性離子和有機物質量濃度均很低，但是其總鐵質量濃度較高，這對反滲透膜具有極大的危害（反滲透膜進水水質要求總鐵質量濃度≤0.1 mg/L[15]）。因此，需調節褐煤煙氣冷凝水pH值至8.0~9.0，使得Fe3+形成Fe(OH)3沉淀，再經靜置過濾后作為超濾-反滲透進水。經上述處理后，在通量20~40 L/(m2·h)范圍內，超濾膜運行壓差變化很小，超濾產水濁度穩定在0.2 NTU以下，反滲透膜污染指數SDI在0.98~1.24之間，總鐵質量濃度小于0.1 mg/L，滿足超濾-反滲透裝置進水水質條件[16]。

超濾-反滲透裝置通量恒定為17.1 L/(m2·h)，在不同的運行時間段內產水回收率分別為75%、85%和90%，試驗得到反滲透運行壓力和跨膜壓差情況如圖6所示。

圖6 不同產水回收率時超濾-反滲透裝置運行情況

由圖6可以看出：當產水回收率為75%和85%時，跨膜壓差分別在5.95~7.00 kPa和7.79~8.36 kPa范圍內小幅波動；當產水回收率提高到90%時，跨膜壓差增大至10.31~12.95 kPa。可見，超濾-反滲透裝置運行跨膜壓差均遠低于膜元件限值（單支膜元件壓差＜100 kPa），且運行壓力均遠小于反滲透膜最大允許操作壓力（4.4 MPa），產水回收率控制在85%較為適宜。

2.2.2 脫鹽率與產水水質分析

在75%、85%和90%產水回收率條件下，超濾-反滲透裝置的脫鹽率分別為98.9%、98.4%和97.4%，均大于97%。分析測定產水，發現產水電導率約為8~15 μS/cm，總硬度、Cl-、SO42-、氨氮和全鐵均未檢出，TOC質量濃度＜0.1 mg/L。可見，褐煤煙氣冷凝水通過調節pH值并除鐵處理后，再采用超濾-反滲透深度處理工藝可明顯改善其產水水質。

3 褐煤煙氣冷凝水回用方案

在褐煤煙氣冷凝水水質試驗及分析的基礎上，提出褐煤煙氣冷凝水低質回用和高質回用2條技術路線。低質回用時，可作為脫硫系統補水；高質回用，則可經深度處理，用作鍋爐補給水。根據相關研究，僅單臺600 MW機組褐煤煙氣冷凝實際可回收水量就高達92.25 t/h[17]。

3.1 低質回用

3.1.1 可行性分析

脫硫系統對用水水質要求相對較低，根據石灰石-石膏濕法脫硫設計規范及相關文獻[17-18]，脫硫系統不同工藝點水質要求見表2。

表2 脫硫系統工藝水質要求

Tab.2 Water quality requirements for desulfurization system

對比表1和表2，褐煤煙氣冷凝水除pH值不能滿足脫硫系統工藝水水質要求外，其余離子質量濃度均滿足要求。

3.1.2回用工藝路線

制定褐煤煙氣冷凝水回用至脫硫系統工藝流程如圖7所示，需將褐煤煙氣冷凝水pH值調節至7~8，再經自清洗過濾器去除較大顆粒的懸浮物后，即可作為脫硫工藝水。該工藝褐煤煙氣冷凝水的回用處理成本極低，僅需消耗少量堿。超低排放改造后，一般2×600 MW機組脫硫系統總耗水量約為140 t/h[18]，若按該方案全部使用煙氣冷凝水，則可實現脫硫系統“零水耗”。

圖7 褐煤煙氣冷凝水回用至脫硫系統工藝流程

3.2 高質回用

3.2.1可行性分析

經調節pH值、靜置后的褐煤煙氣冷凝水，采用超濾-反滲透工藝處理后，其產水電導率＜15 μS/cm。該工藝運行可靠且水質穩定，可作為鍋爐補給水脫鹽處理系統的水源。

3.2.2回用工藝路線

褐煤煙氣冷凝水全膜法回用至鍋爐補給水處理工藝流程如圖8所示。

圖8 煙氣冷凝水全膜法回用至鍋爐補給水工藝流程

由圖8可見：褐煤煙氣冷凝水經調節pH值、過濾、除鐵處理后，再經超濾-反滲透裝置處理并控制出水濁度＜0.5 NTU，SDI＜2.0；超濾產水進入一級反滲透裝置，控制產水回收率為85%，所得產水電導率小于15 μS/cm；一級反滲透產水經二級反滲透、連續電除鹽（EDI）裝置深度脫鹽后，可達到電站鍋爐補給水水質指標。

4 結 論

1）褐煤煙氣冷凝水水質受冷卻水溫度、流量及煙氣流量影響較大。冷卻水溫度越高、流量越小、煙氣流量越大，煙氣冷凝水水質越差，具體表現在電導率和總硬度、Cl-、SO42-、氨氮和懸浮物等離子或雜質質量濃度均明顯上升。

2）褐煤煙氣冷凝水為較強酸性、較高含鹽量、低硬度廢水。其pH值為2.63~3.51，電導率為261~ 1 132 μS/cm，鈣、鎂硬度和有機物質量濃度很低，但其全鐵、氨氮質量濃度較高，并含有微量汞。

3）超濾-反滲透試驗結果表明，采用預處理+雙膜法工藝處理褐煤煙氣冷凝水，產水回收率可達85%以上，產水電導率＜15 μS/cm，脫鹽率達97%以上，運行穩定可靠。

4）褐煤煙氣冷凝水可根據不同回用目標進行相應處理。低質回用作為脫硫系統補水時，冷凝水僅需調整pH值、過濾處理即可；高質回用作為鍋爐補給水時，可采用全膜法處理工藝。

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Water quality characteristics and reuse treatment process of flue gas condensate in lignite-fired boilers

WU Huoqiang, MAO Jin, WANG Jing, WANG Zhengjiang, WANG Yikun, LIU Yapeng

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

By using a power plant’s pilot device of lignite flue gas water condensation recovery, the effects of cooling water temperature, cooling water flow rate and flue gas flow rate on the quality of condensation recovery water of condensing heat exchanger were studied. The characteristics of condensate water quality were summarized. On this basis, the technical routes of flue gas condensate reuse desulfurization system and boiler water supply system were put forward, and the experiment of ultrafiltration-reverse osmosis dual membrane process for flue gas condensate was finished. The results show that, with an increase in the temperature and decrease in the cooling water flow rate, the flue gas flow rate increased and the water quality of the lignite flue gas condensate became worse. The condensate water is generally strong acidic, its pH value is 2.63~3.51, the conductivity is 261~1 132 μS/cm, the calcium and magnesium hardness and organic matter concentration are low, but the total iron and ammonia nitrogen content is slightly higher. After the reverse osmosis process was applied to treat the flue gas condensate, the recovery rate of the produced water reached over 85% with conductivity less than 15 μS/cm. The system ran stably. The research results can provide reference for treatment and reuse of the lignite flue gas condensate.

lignite, condensate of flue gas, ultrafiltration, reverse osmosis, water quality, make-up water, double-membrane treatment process, recovery rate

X703

A

10.19666/j.rlfd.201809174

吳火強, 毛進, 王璟, 等. 褐煤煙氣冷凝水水質特點及其回用工藝[J]. 熱力發電, 2019, 48(1): 90-96. WU Huoqiang, MAO Jin, WANG Jing, et al. Water quality characteristics and reuse treatment process of flue gas condensate in lignite-fired boilers[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(1): 90-96.

2018-9-29

吳火強(1992—)，男，碩士，主要研究方向為火電廠廢水治理與末端廢水零排放，wuhuoqiang@tpri.com.cn。

（責任編輯 楊嘉蕾）