Анотація: мокра десульфурація вапняку-гіпсу є основною технологією контролю викидів діоксиду сірки на теплових електростанціях. Стічні води, отримані в результаті десульфурації, характеризуються високою мінералізацією, високою твердістю, високим вмістом важких металів і низькою здатністю до біологічного розкладання, становлять значну проблему для очищення стічних вод електростанцій. Ця стаття зосереджена на основній технологічній системі очищення стічних вод з десульфурації електростанцій, детально описуючи принципи та робочі процедури основних процесів на кожній стадії відповідно до потоку «попередня обробка → глибока концентрація → обробка затвердінням/кристалізацією». Він аналізує технічні характеристики, переваги, обмеження та застосовні сценарії різних процесів, інтегруючи основні принципи вибору процесу, щоб забезпечити професійну довідку для оптимізованого вибору та ефективної роботи процесів очищення стічних вод з десульфурації електростанцій, таким чином сприяючи чистому виробництву та екологічній трансформації теплоенергетики.
Ключові слова: ТЕЦ; десульфурація стічних вод; процес лікування; характеристики процесу; попередня обробка; глибока концентрація; кристалізаційна обробка
I. Вступ
Зі все більш суворими стандартами викидів у навколишнє середовище та просуванням цілей щодо «подвійного вуглецю» відповідна очистка стічних вод десульфурації ТЕС стала важливою ланкою в досягненні зеленого розвитку. Зараз понад 90% теплових електростанцій у моїй країні використовують процес мокрої десульфурації вапняку-гіпсу. Цей процес вимагає промивання чистою водою башти десульфурації, осушувача та системи зневоднення гіпсу, що призводить до отримання стічних вод десульфурації, багатих важкими металами, високими концентраціями солей і зважених твердих речовин. Через складну якість води та високу складність очищення неправильна утилізація може призвести до забруднення ґрунту та води, а також загрожувати безпечній експлуатації обладнання електростанції.
Очищення стічних вод десульфурації електростанцій має відповідати принципам «зменшення, нешкідливості та відновлення ресурсів», утворюючи повну технологічну систему «попередня очистка → глибоке концентрування → очищення затвердінням/кристалізацією». Різні процеси значно відрізняються за технічними характеристиками, ефективністю очищення та експлуатаційними витратами. Розумний вибір комбінацій процесів має вирішальне значення для досягнення балансу між відповідним очищенням стічних вод та економічною ефективністю. Ця стаття зосереджена на підсумку основних процесів на кожному етапі, глибокому аналізі їхніх характеристик процесів і наданні підтримки для вибору процесів у галузі.
II. Характеристики стічних вод десульфурації електростанцій (основна основа для вибору процесу)
На якість десульфурації стічних вод суттєво впливає якість вугілля, чистота вапняку та параметри процесу десульфурації, демонструючи загальні характеристики «чотири високих і два низьких», що безпосередньо визначає напрямок вибору процесу очищення. зокрема:
Висока солоність: загальна кількість розчинених твердих речовин (TDS) 20 000 ~ 100 000 мг/л, що досягає максимуму 150 000 мг/л, в основному складається з Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ і K⁺, демонструючи надзвичайно сильну корозійну активність;
Висока твердість: концентрація Ca²⁺ може досягати понад 4000 мг/л. Вміст Mg²⁺ становить приблизно 1600 мг/л, легко утворює нерозчинний накип, який засмічує обладнання; Високий вміст важких металів: містить ртуть, кадмій, свинець, миш'як тощо в концентраціях 0,1~10 мг/л, деякі утворюють стійкі комплекси, що ускладнює видалення; Високий вміст завислих твердих речовин (SS): Концентрація 1000~10000 мг/л, в основному складається з частинок гіпсу та вапнякового порошку, які легко стирають труби; Низьке значення pH: 4,5~6,0, слабокислий, посилює корозію обладнання; Низька здатність до біологічного розкладання: БПК/ХПК < 0,1, важко розкладається біологічними методами, потребує фізико-хімічних процесів.
Крім того, стічні води також містять фториди, силікати та стійку органічну речовину, що ще більше ускладнює вибір процесу, вимагаючи процесів очищення з високою специфічністю та стійкістю до коливань.
III. Основні процеси очищення та характеристики десульфурації стічних вод електростанцій
Очищення стічних вод десульфурації електростанції є системним проектом. Кожна стадія процесу взаємопов'язана і працює в синергії. Вибір процесів для різних етапів має ґрунтуватися на характеристиках якості води, цілях очищення та фактичних умовах електростанції. Нижче наведено детальний аналіз основних процесів і основних характеристик кожного етапу.
3.1 Процеси попереднього очищення та характеристики Попереднє очищення є основою десульфурації очищення стічних вод. Його основні цілі полягають у видаленні зважених твердих речовин, більшості важких металів, іонів кальцію та магнію, фторидів і силікатів, зменшенні каламутності та жорсткості стічних вод, запобіганні утворенню накипу та засміченню в наступних процесах, а також забезпечення кваліфікованого потоку для вдосконаленого очищення. Основні процеси включають коагуляцію та седиментацію, хімічне пом’якшення та фільтраційне освітлення. У реальних проектах часто використовуються комбіновані процеси.
3.1.1 Процес коагуляції та седиментації
Принцип процесу: у стічні води додають коагулянти (поліалюмінієвий хлорид, полісульфат заліза тощо) і коагулянти (поліакриламід). Завдяки адсорбції та флокуляції дрібні зважені тверді речовини та колоїди утворюють великі пластівці, які потім відокремлюються шляхом осадження. Одночасно значення рН доводять до 8,5-9,5 (шляхом додавання гідроксиду кальцію), в результаті чого іони важких металів випадають у вигляді гідроксидів, а деякі іони фтору видаляються (утворюючи осад фториду кальцію).
Характеристики процесу:
Переваги: простий процес, зручна експлуатація, низькі інвестиційні та експлуатаційні витрати; Швидкість видалення зважених твердих частинок становить понад 80%, швидкість видалення важких металів 60%-80%, може швидко зменшити каламутність стічних вод, підходить для потреб попередньої обробки різних електростанцій.
Обмеження: обмежений ефект видалення розчинних солей і комплексів важких металів; вимагає використання в поєднанні з процесами хімічного пом'якшення та фільтрації; в умовах високого COD необхідна передова технологія окислення, інакше це вплине на подальші ефекти обробки.
Застосовні сценарії: попереднє очищення стічних вод десульфурації з усіх електростанцій, особливо підходить для малих і середніх-електростанцій із високим вмістом завислих речовин і важких металів і обмеженим бюджетом.
3.1.2 Процес хімічного розм'якшення
Принцип процесу: суть полягає у видаленні іонів кальцію та магнію для зменшення жорсткості стічної води. Основним методом є хімічне осадження, яке поділяється на вапняне-розм’якшення кальцинованої соди та гідроксид натрію-розм’якшення кальцинованої соди залежно від використовуваних реагентів. Вапняно--метод із кальцинованою содою є найпоширенішим. За умов високої твердості та високого вмісту кремнезему використовується три-ступеневий процес розм’якшення, який послідовно додає Ca(OH)₂, Na₂SO₄ і Na₂CO3 для видалення Mg²⁺, деякої кількості Ca²⁺ і решти Ca²⁺ поетапно, утворюючи Mg(OH)₂, CaSO₄ і CaCO3 випадає в осад.
Характеристики процесу:
Переваги: високоцільовий, ефективне зниження жорсткості стічних вод (Ca²⁺ менше або дорівнює 500 мг/л, Mg²⁺ менше або дорівнює 1000 мг/л), запобігаючи утворенню накипу в подальших процесах випаровування та мембранного розділення; метод вапняно-кальцинованої соди має низьку вартість, легкодоступні реагенти та підходить для стічних вод десульфурації з високою-жорсткістю та високим-кремнеземом.
Обмеження: Дозування реагенту вимагає точного контролю, інакше ймовірне вторинне забруднення; утворення осаду є великим, що потребує допоміжних споруд для утилізації осаду; метод гідроксиду натрію-кальцинованої соди є дорогим і підходить лише для сценаріїв із надзвичайно високими вимогами до жорсткості стічних вод.
Застосовні сценарії: попередня обробка стічних вод десульфурації з високою-жорсткістю, високим-кремнеземом і -фторидом, що особливо підходить для наступних процесів, таких як мембранне розділення та випаровування MVR із суворими вимогами до жорсткості потоку.
3.1.3 Процес фільтрації та освітлення
Принцип процесу: цей процес додатково видаляє дрібні пластівці, зважені тверді речовини та колоїди від коагуляції, седиментації та хімічного пом’якшення, гарантуючи, що каламутність попередньо очищених стоків відповідає стандартам (як правило, менше або дорівнює 100 мг/л, концентрація на мембрані вимагає менше або дорівнює 5 мг/л). Основні технології включають піщану фільтрацію, ультрафільтрацію (UF) і трубчасту мембранну фільтрацію.
Характеристики процесу:
Переваги: Висока точність фільтрації; ультрафільтрація може знизити каламутність стоків до рівня нижче 1 NTU; трубчасті мембрани мають потужну проти-обростаючу здатність, їх легко чистити та обслуговувати; ефективно захищає наступні мембранні модулі та випарне обладнання, підвищуючи стабільність системи; пісочна фільтрація коштує недорого; ультрафільтраційні та трубчасті мембрани підходять для ситуацій із великими коливаннями якості води.
Обмеження: піщана фільтрація має обмежену ефективність у видаленні дрібних колоїдів; ультрафільтраційні та трубчасті мембрани мають вищі інвестиційні витрати, а мембранні модулі потребують регулярної заміни (термін служби 1-3 роки); трубчасті мембрани працюють при більш високому тиску і мають трохи більше енергоспоживання.
Застосовні сценарії: піщана фільтрація підходить для завершення звичайної попередньої обробки; ультрафільтраційні та трубчасті мембрани підходять для електростанцій, де використовуються наступні мембранні процеси концентрування або де концентрація зважених твердих речовин значно коливається.
3.2 Процес глибокого концентрування та характеристики Навіть після попереднього очищення стічні води все ще містять високі концентрації солей (TDS більше або дорівнює 10000 мг/л), що потребує глибокого концентрування для зменшення об’єму (80%~90%). Потім концентрований розсіл використовується для подальшого затвердіння/кристалізації, тоді як прісна вода може бути використана повторно. Основний процес поділяється на дві основні категорії: концентрація мембранного розділення та концентрація випаровування.
3.2.1 Процес концентрування мембранного розділення
Принцип процесу: ґрунтуючись на вибірковій проникності мембран, солі та вода відокремлюються під тиском. Основні технології включають зворотний осмос (RO), нанофільтрацію (NF) і дисковий трубчастий зворотний осмос (DTRO). Нанофільтрація дозволяє досягти попереднього відділення домішок, закладаючи основу для відновлення ресурсів.
Характеристики процесу:
Переваги: Висока ефективність концентрації; Швидкість відновлення прісної води RO 70% ~ 80%, швидкість опріснення понад 99%, пермеат можна безпосередньо використовувати повторно; DTRO має сильну проти-обростаючу здатність, підходить для стічних вод із високою-солоністю, високим-завислими-твердими речовинами, коефіцієнт концентрації може досягати 10-20 разів; Нанофільтрація може утримувати двовалентні іони, зменшуючи навантаження на наступні процеси та полегшуючи використання ресурсів різних солей.
Обмеження: суворі вимоги до якості води, що припливає; жорсткість і зважені тверді речовини повинні суворо контролюватися, щоб уникнути забруднення мембрани; звичайні RO мембрани нестійкі до високого вмісту хлору, що вимагає використання спеціальних хлор{0}}стійких мембран; високі витрати на заміну мембран (що становлять понад 40% загальних експлуатаційних витрат), що призводить до високого порогу інвестицій.
Застосовні сценарії: RO підходить для електростанцій із високим попитом на концентрацію та повторне використання стічних вод десульфурації від низької - до - середньої мінералізації; DTRO підходить для стічних вод із великими коливаннями якості води та високою мінералізацією та високим вмістом зважених твердих речовин; Нанофільтрація підходить для проектів, спрямованих на використання ресурсів різних солей.
3.2.2 Процес концентрування випаровуванням
Принцип процесу: цей процес концентрує солі шляхом випаровування води зі стічних вод шляхом нагрівання. Він підходить для стічних вод із високою-солоністю (TDS більше або дорівнює 30000 мг/л). Основні технології включають механічну рекомпресію пари (MVR), випаровування газу-носія та випаровування димових газів.
Характеристики процесу:
Переваги: MVR має низьке енергоспоживання (приблизно 30~50 кВт*год/т води), коефіцієнт концентрації в 10~20 разів і підходить для -великомасштабного очищення; випаровування газу-носія може використовувати відпрацьоване тепло електростанцій, має низькі вимоги до попередньої обробки та низькі експлуатаційні витрати; Випаровування димових газів має надзвичайно низьке енергоспоживання та низькі інвестиції, може досягти нульового скиду стічних вод і підходить для малих та середніх-електростанцій.
Обмеження: MVR має високі інвестиційні витрати, вимагає високої стабільності якості живильної води та схильний до утворення накипу та засмічення; технологія випаровування з виділення газу-носія має високий поріг і в даний час використовується менш широко; випаровування димових газів вимагає контролю ефекту розпилення, щоб уникнути корозії та засмічення димових газів, а також вимагає моніторингу викидів важких металів.
Застосовні сценарії: MVR підходить для великих-теплоелектростанцій і проектів із високими вимогами до нульового-викиду; випаровування екстракції газу-носія підходить для великих електростанцій з доступним відхідним теплом і обмеженим простором; випаровування димових газів підходить для малих і середніх-електростанцій і проектів з нульовими-викидами з обмеженим бюджетом.
3.3 Процеси затвердіння/кристалізації та характеристики. Глибоко концентрований розсіл (TDS більше або дорівнює 50000 мг/л) необхідно зробити нешкідливим шляхом затвердіння або кристалізації. Деякі процеси можуть досягти відновлення ресурсів солі, що є ключовим кроком у досягненні нульового скиду стічних вод десульфурації. Основні процеси включають кристалізацію випаровування, затвердіння випаровування димових газів і затвердіння цементу.
3.3.1 Процес кристалізації випаровування
Принцип процесу: концентрований розсіл вводиться в кристалізатор для подальшого випаровування води, в результаті чого солі досягають насичення та кристалізуються. У поєднанні з технологіями нанофільтрації та кріогенної нітрифікації можна досягти поступового очищення від домішок, відокремлюючи хлорид натрію, сульфат натрію та інші солі.
Характеристики процесу:
Переваги: Дозволяє відновлювати сольовий ресурс; відновлена сіль, яка відповідає стандартам чистоти, може бути повторно використана як промислова сировина; ретельне лікування; концентрований розсіл після кристалізації нешкідливий, не містить вторинних забруднень; підходить для-обробки концентрованим розсолом; можна інтегрувати з MVR для -роботи з низьким енергоспоживанням.
Обмеження: Високі інвестиційні та експлуатаційні витрати; утруднене очищення змішаних солей; змішані солі, отримані звичайними процесами, повинні утилізуватися як небезпечні відходи; високі вимоги до стабільності якості живильної води; На ефект кристалізації сильно впливають коливання якості води.
Застосовні сценарії: Великі електростанції; проекти з високим попитом на змішане видобуток соляних ресурсів; особливо підходить для сценаріїв із великим об’ємом десульфурації стічних вод і високим коефіцієнтом відновлення солі, наприклад, на вугільних хімічних електростанціях.
3.3.2 Процес випаровування та затвердіння димових газів
Принцип процесу: концентрований розсіл розпилюється та розпилюється в хвостовій трубі котла. Відпрацьоване тепло димового газу (120~180 градусів) викликає швидке випаровування вологи. Сіль кристалізується і захоплюється золою, утворюючи суміш золи. Якщо він відповідає стандартам, його можна використовувати як будівельний матеріал; в іншому випадку його захоронюють як небезпечні відходи.
Характеристики процесу:
Переваги: Надзвичайно низьке споживання енергії, не вимагає додаткового опалення, низькі інвестиційні витрати (на 40% нижче, ніж MVR); проста експлуатація, невелика площа та швидке досягнення нульових викидів; підходить для обробки різними концентрованими розсолами.
Обмеження: Високі вимоги до обладнання для розпилення; схильність до відкладення димових газів і корозії; вміст важких металів у золі може перевищувати норми, що вимагає суворого контролю; не може досягти утилізації соляних ресурсів, а обробка різних солей залежить від утилізації летючої золи.
Відповідні сценарії: малі та середні-теплоелектростанції, проекти з обмеженим простором, нагальні потреби з нульовим-викидом і обмежені бюджети.
3.3.3 Процес затвердіння цементу
Принцип процесу: змішують концентрований розсіл, різні солі, цемент і затверджувач. Завдяки реакції гідратації цементу важкі метали фіксуються в цементній матриці, знижуючи ризик вилуговування. Після того, як затверділе тіло відповідає стандартам, воно утилізується на звалище.
Характеристики процесу:
Переваги: простий процес, зручна експлуатація, низька вартість; хороший ефект очищення для концентрованого розсолу з високим вмістом важких металів, що ефективно знижує ризик вимивання важких металів; підходить для сценаріїв екстреної утилізації.
Обмеження: відновлення ресурсу неможливо; затверділий матеріал великий і займає земельні ресурси; витрати на утилізацію є високими, і існує ризик тривалого-вилуговування, що призводить до поступового зменшення його застосування.
Застосовні сценарії: Обробка концентрованого розсолу з надзвичайно високим вмістом важких металів, який важко переробити, або потребує екстреної утилізації.
IV. Основні принципи та короткий опис процесу вибору
Вибір процесу очищення стічних вод десульфурації електростанції повинен враховувати характеристики якості води, цілі очищення (відповідний скид/нульовий скид), масштаб електростанції, бюджет і умови на місці. Основні принципи мають бути «цілеспрямованими, економічно ефективними та стабільними в роботі»: для малих і середніх-електростанцій з обмеженими коштами та відсутністю потреб у відновленні ресурсів можна використовувати процес «коагуляційне осадження + фільтрація піску + випаровування димових газів»; для великих електростанцій із високими вимогами до нульового-викиду можна використовувати процес «три-стадійне пом’якшення + ультрафільтрація + MVR випаровування + кристалізація у випаровуванні»; для заводів, орієнтованих на відновлення ресурсів різноманітних солей, слід поєднувати процеси нанофільтрації та кріогенної нітрифікації.
Таким чином, очищення стічних вод з десульфурації електростанцій сформувало зрілу технологічну систему, причому кожен основний процес має свої переваги та недоліки: процеси попередньої обробки зосереджені на «видаленні домішок і зменшенні жорсткості» для забезпечення стабільної подальшої обробки; процеси глибокої концентрації зосереджені на "зменшенні об'єму", щоб збалансувати споживання енергії та вартість; а процеси затвердіння/кристалізації зосереджені на «нешкідливості + використання ресурсів» для вирішення проблеми утилізації різної солі. У майбутньому технологічний розвиток оновлюватиметься до низького енергоспоживання, використання ресурсів та інтелекту, подальшої оптимізації комбінацій процесів, зниження експлуатаційних витрат, покращення рівня використання ресурсів різноманітних солей і допомоги теплоенергетиці в досягненні екологічного та високо-якісного розвитку.