燃煤電廠脫硫廢水零排放預(yù)處理工藝的優(yōu)化改造

摘要：某燃煤電廠環(huán)評(píng)批復(fù)要求脫硫廢水實(shí)現(xiàn)零排放，因而其脫硫廢水經(jīng)廢水處理系統(tǒng)采用傳統(tǒng)三聯(lián)箱工藝進(jìn)行初步處理后，進(jìn)入后續(xù)零排放處理系統(tǒng)采用“兩級(jí)軟化+微濾+納濾+MVR蒸發(fā)結(jié)晶”工藝處理，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水中鹽、水的分質(zhì)資源化利用。由于電廠燃煤的硫份和脫硫石灰石的氧化鎂含量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致脫硫廢水水量、硫酸根和鎂離子等污染物均遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，產(chǎn)生的脫硫廢水無(wú)法全量處理，因此通過(guò)對(duì)原有廢水系統(tǒng)與零排放預(yù)處理裝置進(jìn)行優(yōu)化整合，采用石灰-硫酸鈉/液堿-碳酸鈉組合的三級(jí)聯(lián)合軟化，形成高效低成本的脫硫廢水零排放預(yù)處理工藝，減少脫硫系統(tǒng)排水量，降低處理成本，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水資源化利用和零排放。

關(guān)鍵詞：脫硫廢水；零排放；預(yù)處理；優(yōu)化

火力發(fā)電是我國(guó)主要的供電來(lái)源，起步較早，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。由于燃煤電廠為火力發(fā)電的最主要來(lái)源[1]，因而石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)以其脫硫效率高、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于燃煤電廠煙氣脫硫系統(tǒng)[2]。但煙氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的脫硫廢水，且受煤種、石灰石品質(zhì)、補(bǔ)水水質(zhì)、脫硫工藝及其控制參數(shù)的影響，脫硫廢水水質(zhì)及水量變化較大、成分復(fù)雜，一直是燃煤電廠廢水處理的難點(diǎn)[3]。

某燃煤電廠2×1000MW機(jī)組因燃煤的硫份和脫硫石灰石的氧化鎂含量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，并且產(chǎn)生了高硫酸根高鎂脫硫廢水，因此需對(duì)其原有脫硫廢水處理系統(tǒng)及零排處理系統(tǒng)的預(yù)處理裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，以較低的改造成本形成一種新型脫硫廢水預(yù)處理工藝，使產(chǎn)水滿足后續(xù)零排放裝置的要求，最終實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的資源化利用和零排放。

1 現(xiàn)有水質(zhì)及處理工藝

1.1 現(xiàn)有水質(zhì)

某燃煤電廠設(shè)計(jì)煤種全硫?yàn)?.09%，實(shí)際燃用的煤種全硫達(dá)到2.11%，燃用的煤種全硫含量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)煤種，同時(shí)脫硫系統(tǒng)所用石灰石的氧化鎂含量在1.3%～1.5%，高于同類(lèi)型電廠所用石灰石。因此，脫硫吸收塔內(nèi)漿液硫酸根及鎂離子含量長(zhǎng)期保持高濃度，產(chǎn)生了典型的高硫酸根高鎂型脫硫廢水。由于脫硫廢水中鎂離子過(guò)高會(huì)降低脫硫反應(yīng)速率和SO2去除率，因此過(guò)量的鎂離子不僅會(huì)增加系統(tǒng)的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)與硫酸根離子反應(yīng)產(chǎn)生大量泡沫，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。某燃煤電廠設(shè)計(jì)脫硫廢水水質(zhì)與現(xiàn)有水質(zhì)主要參數(shù)如表1所示。

1.2 現(xiàn)有處理工藝

某燃煤電廠現(xiàn)有2臺(tái)1000MW機(jī)組，配套建設(shè)2套全煙氣量處理的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置，產(chǎn)生的脫硫廢水進(jìn)入脫硫廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。脫硫廢水處理系統(tǒng)采用傳統(tǒng)三聯(lián)箱處理工藝設(shè)計(jì)處理能力為20m3/h，通過(guò)在三聯(lián)箱投加石灰乳，反應(yīng)去除脫硫廢水中的氟離子、重金屬及少量鎂離子；三聯(lián)箱溢流至澄清池，澄清池清液溢流進(jìn)入脫硫廢水零排放系統(tǒng)；澄清池底部污泥通過(guò)壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水。

脫硫廢水零排放處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為16m3/h，采用“兩級(jí)澄清處理+微濾+納濾+樹(shù)脂+機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）”處理工藝。一級(jí)澄清通過(guò)投加石灰、TMT15等去除鎂離子和重金屬，二級(jí)澄清通過(guò)投加碳酸鈉去除鈣離子，產(chǎn)生的污泥采用壓濾機(jī)脫水后外運(yùn)處置。澄清出水經(jīng)過(guò)微濾系統(tǒng)去除殘余的懸浮物；微濾產(chǎn)水進(jìn)入納濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一二價(jià)離子分離；納濾產(chǎn)水進(jìn)入樹(shù)脂軟化系統(tǒng)，進(jìn)一步去除鈣鎂硬度離子；蒸發(fā)系統(tǒng)采用MVR蒸發(fā)工藝，將脫硫廢水進(jìn)行濃縮、結(jié)晶析鹽、干燥后，得到高純度氯化鈉結(jié)晶鹽。

2 脫硫廢水處理系統(tǒng)存在的問(wèn)題

2.1 脫硫廢水排水量大

由于某燃煤電廠燃用煤質(zhì)中硫分含量高，脫硫所用石灰石中氧化鎂含量高，使得吸收塔漿液及脫硫廢水中硫酸根和鎂離子含量極高，需通過(guò)大量排水降低相應(yīng)離子濃度，因此導(dǎo)致系統(tǒng)排水量大、離子濃度高。

2.2 廢水處理系統(tǒng)裝置未投運(yùn)

某燃煤電廠原設(shè)計(jì)為脫硫廢水經(jīng)廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行初步處理后出水水質(zhì)達(dá)到《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質(zhì)控制指標(biāo)》（DL/T 997-2020 ）的要求后，再經(jīng)脫硫廢水零排放系統(tǒng)進(jìn)行處理。但因整體加藥裝置選型較小且自動(dòng)化程度低，以及污泥處置系統(tǒng)處理能力低、故障率高等情況影響，整套廢水處理系統(tǒng)實(shí)際未投運(yùn)。

2.3 零排放系統(tǒng)加藥及排泥能力不足

某燃煤電廠脫硫廢水實(shí)際排水水質(zhì)和水量遠(yuǎn)超零排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力，石灰加藥量為設(shè)計(jì)值的5倍以上，污泥產(chǎn)生量為設(shè)計(jì)值的3～5倍。因此，即便考慮裝置原有設(shè)計(jì)余量，滿負(fù)荷運(yùn)行也只能處理50%的脫硫廢水，使得部分脫硫廢水直接通過(guò)干灰加濕、灰場(chǎng)噴淋等簡(jiǎn)單回用[4]，易造成設(shè)備管道腐蝕，影響電廠安全運(yùn)行。

3 脫硫廢水處理系統(tǒng)改造優(yōu)化方案

3.1 改造方向和工藝流程

某燃煤電廠廢水處理系統(tǒng)改造工程計(jì)劃通過(guò)將原有的脫硫廢水處理系統(tǒng)與零排放預(yù)處理裝置進(jìn)行優(yōu)化整合，盡量利用原有裝置和設(shè)備，形成1套可全量處理脫硫系統(tǒng)排水的脫硫廢水零排放預(yù)處理工藝如圖1所示。通過(guò)優(yōu)化改造，降低脫硫廢水中的硫酸根和鎂離子，產(chǎn)生的污泥進(jìn)行資源化利用，部分低氯脫硫廢水回流到脫硫塔內(nèi)繼續(xù)濃縮，減少系統(tǒng)脫硫廢水的排放量，確保排至零排放后續(xù)系統(tǒng)的脫硫廢水水質(zhì)水量滿足設(shè)計(jì)要求。

改造后的某燃煤電廠脫硫廢水零排放預(yù)處理工藝，綜合考慮現(xiàn)有設(shè)備可滿足三級(jí)軟化的功能，采用石灰-硫酸鈉/液堿-碳酸鈉組合的三級(jí)聯(lián)合軟化工藝。一級(jí)軟化初步除鎂單元通過(guò)投加石灰去除大部分的鎂離子和硫酸根；二級(jí)軟化通過(guò)投加硫酸根去除多余的鈣離子，并通過(guò)投加少量的液堿深度除鎂；三級(jí)軟化通過(guò)投加碳酸鈉進(jìn)行深度除鈣。因此，三級(jí)聯(lián)合軟化工藝不僅降低了系統(tǒng)藥劑成本，還有效控制了各離子濃度，以及保持系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性。

3.2 改造內(nèi)容

3.2.1 一級(jí)軟化-石灰干粉除鎂及硫酸根

由于脫硫廢水鎂離子濃度為12000mg/L，石灰加藥量為40kg/m3以上，石灰用量約為30t/d，因而為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需將石灰粉倉(cāng)存儲(chǔ)時(shí)間設(shè)計(jì)為3d以上，同時(shí)新增石灰粉倉(cāng)及相應(yīng)的投加裝置。

改造工程采用傳統(tǒng)石灰乳投加方式進(jìn)行除鎂，需新建石灰乳制備罐及加藥裝置，不但占地面積大，而且設(shè)備故障率高，因此改造時(shí)創(chuàng)新地采用了石灰定量干粉投機(jī)方式。通過(guò)計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)所需石灰干粉的投加量，于石灰粉倉(cāng)下設(shè)置石灰加藥反應(yīng)箱；脫硫廢水經(jīng)泵送至石灰加藥反應(yīng)箱，按照進(jìn)水量和化驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算石灰干粉投加量，通過(guò)計(jì)量輸送螺旋給料機(jī)將所需石灰干粉量由粉倉(cāng)輸送至反應(yīng)箱內(nèi)，再由轉(zhuǎn)料泵通過(guò)液位控制將均質(zhì)后脫硫廢水轉(zhuǎn)料至三聯(lián)箱中進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)，三聯(lián)箱出水溢流到澄清器中進(jìn)行重力沉降，澄清器清液進(jìn)入后續(xù)脫硫廢水零排放系統(tǒng)。

脫硫廢水與石灰干粉充分反應(yīng)后，形成硫酸鈣和氫氧化鎂為主的污泥，改造后的工藝將澄清器底部污泥通過(guò)污泥泵送至脫硫系統(tǒng)石膏脫水皮帶進(jìn)行脫水，污泥與脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的石膏一起被資源化利用[5]。濾液排至脫硫回收水箱，因氯離子較低，仍可回流到脫硫塔內(nèi)作為補(bǔ)水繼續(xù)濃縮，從而降低脫硫系統(tǒng)的綜合補(bǔ)水。

3.2.2 二級(jí)軟化-硫酸鈉除鈣及液堿深度除鎂單元

高鎂脫硫廢水通過(guò)投加石灰進(jìn)行除鎂時(shí)，會(huì)引入大量的鈣離子，且部分鈣離子會(huì)與硫酸根離子形成硫酸鈣沉淀，因此剩余的鈣離子一般大于5000mg/L，如均通過(guò)投加碳酸鈉進(jìn)行去除，會(huì)產(chǎn)生較高的處理成本。由于硫酸鈉市場(chǎng)價(jià)格僅為碳酸鈉的20%～25%，因而投加硫酸鈉用于去除鈣離子有較大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)多余的硫酸根離子可通過(guò)后續(xù)納濾系統(tǒng)進(jìn)行截留，再回到二級(jí)軟化單元進(jìn)行利用。

將原有零排放石灰投加裝置改造為硫酸鈉投加裝置，通過(guò)制備一定濃度的硫酸鈉溶液，將原澄清器清液通過(guò)泵送至反應(yīng)器中，根據(jù)來(lái)水中鈣離子濃度，投加一定量的硫酸鈉溶液，并將硫酸根離子控制在5000mg/L，可有效將鈣離子濃度控制在2000mg/L以內(nèi)，以及節(jié)約大量碳酸鈉。

一級(jí)軟化時(shí)如果將鎂離子完全去除，則需投加過(guò)量石灰，造成鈣離子的過(guò)量引入。為避免過(guò)量加藥，遂通過(guò)程序計(jì)算控制加藥量，以及在反應(yīng)器中投加少量液堿去除剩余的少量鎂離子，實(shí)現(xiàn)高效除鎂。另外，采用液堿去除剩余少量鎂離子的方法，在減少石灰加藥量的同時(shí)也減少了硫酸鈉或碳酸鈉的投加量，因而使得整體成本及污泥產(chǎn)生量均有所減少。

二級(jí)軟化經(jīng)澄清器沉淀產(chǎn)生的污泥在氫氧化鎂含量較高時(shí)，可通過(guò)零排放系統(tǒng)原有壓濾機(jī)進(jìn)行處理；在硫酸鈣含量較高時(shí)，可將污泥泵切換至石膏脫水皮帶機(jī)進(jìn)行資源化利用。

3.2.3 三級(jí)軟化-碳酸鈉深度除鈣單元

經(jīng)二級(jí)軟化后的脫硫廢水，鎂離子及堿度基本去除，但為保證后續(xù)膜系統(tǒng)及蒸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還需將剩余鈣離子進(jìn)行深度去除。通過(guò)在反應(yīng)器投加碳酸鈉，混合液再由微濾裝置進(jìn)行過(guò)濾澄清，清液進(jìn)入后續(xù)膜處理裝置；經(jīng)濃縮后的污泥主要成分為碳酸鈣，為脫硫系統(tǒng)所需吸收原料，可通過(guò)污泥泵將濃縮后的污泥泵送至制漿系統(tǒng)石灰石漿液箱進(jìn)行利用。

4 改造后的脫硫廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行情況和效益

某燃煤電廠改造后的脫硫廢水處理系統(tǒng)，采用石灰-硫酸鈉/液堿-碳酸鈉組合的三級(jí)聯(lián)合軟化預(yù)處理工藝后，其系統(tǒng)處理能力最大可達(dá)到35m3/h，具有良好的調(diào)節(jié)能力，可適應(yīng)系統(tǒng)由燃煤及石灰石成本變化帶來(lái)的水質(zhì)水量波動(dòng)，保障了整個(gè)脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而且，改造后工藝能將軟化產(chǎn)生的硫酸鈣和碳酸鈣充分回收，既減少了系統(tǒng)的污泥處置量，又實(shí)現(xiàn)了石膏的資源化利用，減少了系統(tǒng)補(bǔ)水及脫硫廢水綜合排放量。

相較于傳統(tǒng)脫硫廢水預(yù)處理工藝，取消了污泥壓濾機(jī)的購(gòu)置，減少設(shè)備投資約400萬(wàn)元；優(yōu)化改造后的脫硫廢水零排放預(yù)處理系統(tǒng)每年可減少污泥排放量5.65×104t/a，如委外處置，其處理單價(jià)按30元/t計(jì)算，則可節(jié)省污泥處置費(fèi)用169.5萬(wàn)元/a；通過(guò)回收濾液，可將脫硫廢水排放量由30m3/h減少到16m3/h，可減少補(bǔ)水約105t/a，節(jié)約費(fèi)用約35萬(wàn)元/a；經(jīng)優(yōu)化后系統(tǒng)較傳統(tǒng)工藝可節(jié)約石灰約1440t/a，節(jié)約碳酸鈉400t/a，節(jié)約藥劑成本近200萬(wàn)元/a。

該脫硫廢水零排放預(yù)處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化改造，在較小的投資下，使系統(tǒng)具有良好的可調(diào)節(jié)性，減少了系統(tǒng)污泥的處置量，不僅使石膏得到了全量資源化利用，還讓脫硫廢水零排放系統(tǒng)整體達(dá)到了設(shè)計(jì)處理要求，實(shí)現(xiàn)了脫硫廢水的全量資源化利用和零排放，有效地提高脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行安全可靠行、經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

燃煤電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝產(chǎn)生的脫硫廢水鹽分高、處理難度大，隨著國(guó)家對(duì)各種污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，脫硫廢水的處理要求將進(jìn)一步提升，傳統(tǒng)三聯(lián)箱處理工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)脫硫廢水資源化利用。因此，采用三級(jí)聯(lián)合軟化的脫硫廢水零排放預(yù)處理工藝，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)加藥組合，滿足各種水質(zhì)工況下的運(yùn)行要求，并將各類(lèi)污染離子通過(guò)分級(jí)處理充分資源化利用，不僅減少了污泥處置費(fèi)用和系統(tǒng)加藥費(fèi)用，還實(shí)現(xiàn)了脫硫廢水真正意義上的資源化利用和零排放，工藝具有在同類(lèi)脫硫廢水處理系統(tǒng)中進(jìn)一步推廣的意義。

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作者簡(jiǎn)介

陳育豪（1992—），男，漢族，廣東普寧人，助理工程師，理學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)閺U水零排放。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-30