Analiza procesov in značilnosti čiščenja odpadnih voda pri razžveplanju elektrarn

Povzetek: Mokro razžveplanje apnenca-madre je glavna tehnologija za nadzor emisij žveplovega dioksida v termoelektrarnah. Odpadna voda, ki nastane zaradi razžveplanja, za katero so značilni visoka slanost, visoka trdota, visoka vsebnost težkih kovin in nizka biorazgradljivost, predstavlja velik izziv za čiščenje odpadne vode iz elektrarn. Ta dokument se osredotoča na osrednji procesni sistem čiščenja odpadne vode pri razžveplanju elektrarn, pri čemer podrobno opisuje načela in postopke delovanja glavnih procesov v vsaki fazi glede na potek "predobdelava → globoka koncentracija → strjevanje/kristalizacijska obdelava." Analizira tehnične značilnosti, prednosti, omejitve in uporabne scenarije različnih procesov, združuje temeljna načela izbire procesov, da zagotovi strokovno referenco za optimizirano izbiro in učinkovito delovanje procesov čiščenja odpadne vode za razžveplanje elektrarn ter tako prispeva k čisti proizvodnji in zeleni transformaciji termoenergetske industrije.

Ključne besede: Termoelektrarna; razžveplana odpadna voda; postopek zdravljenja; značilnosti procesa; predobdelava; globoka koncentracija; kristalizacijska obdelava

Z vse strožjimi okoljskimi emisijskimi standardi in napredovanjem ciljev »dvojnega ogljika« je postalo skladno čiščenje odpadne vode iz razžveplanja termoelektrarn ključni člen pri doseganju zelenega razvoja. Trenutno več kot 90 % termoelektrarn v moji državi uporablja postopek mokrega razžveplanja apnenca-madre. Ta postopek zahteva izpiranje razžveplalnega stolpa, razmeglevalnika in sistema za odvodnjavanje sadre s čisto vodo, kar povzroči razžveplano odpadno vodo, bogato s težkimi kovinami, visokimi koncentracijami soli in suspendiranih trdnih snovi. Zaradi zapletene kakovosti vode in velike težavnosti čiščenja lahko nepravilno odlaganje povzroči onesnaženje tal in vode, hkrati pa ogrozi varno delovanje opreme elektrarne.

Pri čiščenju odpadne vode iz razžveplanja elektrarn je treba upoštevati načela "zmanjšanja, neškodljivosti in pridobivanja virov", ki tvori celoten procesni sistem "predobdelave → globoke koncentracije → strjevanja/kristalizacijske obdelave." Različni procesi se močno razlikujejo po tehničnih lastnostih, učinkovitosti obdelave in obratovalnih stroških. Razumna izbira procesnih kombinacij je ključnega pomena za doseganje ravnovesja med skladnim čiščenjem odpadne vode in ekonomsko učinkovitostjo. Ta članek se osredotoča na povzemanje glavnih procesov na vsaki stopnji, poglobljeno analizo njihovih procesnih značilnosti in zagotavljanje podpore za izbiro procesov v industriji.

Na kakovost odpadne vode pri razžveplanju pomembno vplivajo kakovost premoga, čistost apnenca in parametri postopka razžveplanja, ki kažejo splošne značilnosti "štiri visoke in dve nizki", kar neposredno določa smer izbire postopka čiščenja. Natančneje:

Visoka slanost: Skupne raztopljene trdne snovi (TDS) 20.000 ~ 100.000 mg/L, ki dosežejo največ 150.000 mg/L, v glavnem sestavljene iz Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ in K⁺, ki kažejo izjemno močno jedkost;

Visoka trdota: koncentracija Ca²⁺ lahko doseže več kot 4000 mg/L. Vsebnost Mg²⁺ je približno 1600 mg/L, zlahka tvori netopni kamen, ki zamaši opremo; Visoka vsebnost težkih kovin: Vsebuje živo srebro, kadmij, svinec, arzen itd., v koncentracijah 0,1~10 mg/L, nekateri tvorijo stabilne komplekse, kar otežuje odstranjevanje; Visoka koncentracija suspendiranih trdnih snovi (SS): Koncentracija 1000~10000 mg/L, v glavnem sestavljena iz delcev sadre in apnenčastega prahu, cevi, ki se zlahka odrgnejo; Nizka vrednost pH: 4,5~6,0, šibko kislo, poslabša korozijo opreme; Nizka biorazgradljivost: BPK/KPK < 0,1, težko razgradljivo z biološkimi metodami, zahteva fizikalno-kemijske procese.

Poleg tega odpadna voda vsebuje tudi fluoride, silikate in neposlušne organske snovi, kar dodatno povečuje kompleksnost izbire postopka, ki zahteva postopke čiščenja z močno specifičnostjo in odpornostjo na nihanja.

Razžveplanje odpadnih voda elektrarn je sistemski projekt. Vsaka faza procesa je med seboj povezana in deluje sinergijsko. Izbira postopkov za različne stopnje mora temeljiti na značilnostih kakovosti vode, ciljih čiščenja in dejanskih razmerah v elektrarni. Sledi podrobna analiza glavnih procesov in ključnih značilnosti vsake stopnje.

3.1 Postopki in značilnosti predobdelave Predobdelava je temelj čiščenja odpadne vode pri razžveplanju. Njeni glavni cilji so odstraniti suspendirane trdne snovi, večino težkih kovin, kalcijeve in magnezijeve ione, fluoride in silikate, zmanjšati motnost in trdoto odpadne vode, preprečiti nastajanje vodnega kamna in zamašitev v nadaljnjih procesih ter zagotoviti kvalificiran dotok za napredno čiščenje. Glavni procesi vključujejo koagulacijo in sedimentacijo, kemično mehčanje in filtracijsko bistrenje. V dejanskih projektih se pogosto uporabljajo kombinirani procesi.

3.1.1 Postopek koagulacije in sedimentacije

Princip postopka: Koagulanti (polialuminijev klorid, poliferi sulfat itd.) in koagulantna sredstva (poliakrilamid) se dodajo odpadni vodi. Z adsorpcijo in flokulacijo fine suspendirane trdne snovi in ​​koloidi tvorijo velike kosmiče, ki se nato ločijo s sedimentacijo. Hkrati se pH vrednost prilagodi na 8,5-9,5 (z dodajanjem kalcijevega hidroksida), zaradi česar se ioni težkih kovin oborijo kot hidroksidi, nekaj fluoridnih ionov pa se odstrani (tvori se oborina kalcijevega fluorida).

Značilnosti procesa:

Prednosti: Enostaven postopek, priročno upravljanje, nizki investicijski in obratovalni stroški; stopnja odstranitve suspendiranih trdnih delcev nad 80 %, stopnja odstranitve težkih kovin 60 %-80 %, lahko hitro zmanjša motnost odpadne vode, primerna za potrebe predobdelave različnih elektrarn.

Omejitve: omejen učinek odstranjevanja topnih soli in kompleksov težkih kovin; zahteva uporabo v povezavi s postopki kemičnega mehčanja in filtracije; v pogojih visoke COD je potrebna napredna oksidacijska tehnologija, sicer bodo prizadeti naknadni učinki zdravljenja.

Veljavni scenariji: Predobdelava odpadne vode iz razžveplanja iz vseh elektrarn, še posebej primerna za male in srednje-elektrarne z visoko vsebnostjo suspendiranih trdnih snovi in ​​težkih kovin ter omejenimi proračuni.

3.1.2 Postopek kemičnega mehčanja
Načelo postopka: jedro je odstraniti kalcijeve in magnezijeve ione za zmanjšanje trdote odpadne vode. Glavna metoda je kemično obarjanje, ki je glede na uporabljene reagente razdeljeno na mehčanje z-natrijevim karbonom in natrijevim hidroksidom-mehčanje s sodo. Najpogosteje se uporablja metoda z apneno-natrijsko sodo. V pogojih visoke trdote in visoke vsebnosti silicijevega dioksida se uporablja tri-stopenjski postopek mehčanja, ki zaporedno dodaja Ca(OH)₂, Na₂SO₄ in Na₂CO3, da odstrani Mg²⁺, nekaj Ca²⁺ in preostali Ca²⁺ postopoma, pri čemer nastajajo Mg(OH)₂, CaSO₄ in CaCO3 oborine.

Značilnosti procesa:

Prednosti: Visoko ciljno usmerjeno, učinkovito zmanjševanje trdote odpadne vode (Ca²⁺ Manj ali enako 500 mg/L, Mg²⁺ Manj ali enako 1000 mg/L), preprečuje nastajanje vodnega kamna pri poznejših procesih izhlapevanja in membranskega ločevanja; metoda z apneno-natrijevo sodo ima nizke stroške, lahko dostopne reagente in je primerna za visoko-trdoto in visoko-silicijev dioksid pri razžveplanju odpadne vode.

Omejitve: Doziranje reagenta zahteva natančen nadzor, sicer je verjetno sekundarno onesnaženje; proizvodnja blata je velika, zato so potrebni podporni objekti za odstranjevanje blata; metoda z natrijevim hidroksidom-natrijevim pepelom je draga in primerna le za scenarije z izjemno visokimi zahtevami glede trdote odpadne vode.

Veljavni scenariji: Predobdelava odpadne vode za razžveplanje z visoko-trdoto, visoko-silicijevim dioksidom in visoko-fluoridom, posebej primerna za nadaljnje postopke, kot sta membransko ločevanje in izhlapevanje MVR s strogimi zahtevami glede trdote vtoka.

3.1.3 Postopek filtracije in bistrenja

Načelo postopka: Ta postopek dodatno odstrani drobne kosmiče, suspendirane trdne snovi in ​​koloide iz koagulacije, sedimentacije in kemičnega mehčanja, s čimer zagotovi, da motnost predhodno obdelane odpadne vode ustreza standardom (na splošno manj kot ali enako 100 mg/L, membranska koncentracija zahteva manj kot ali enako 5 mg/L). Glavne tehnologije vključujejo filtracijo s peskom, ultrafiltracijo (UF) in cevno membransko filtracijo.

Značilnosti procesa:

Prednosti: Visoka natančnost filtracije; ultrafiltracija lahko zmanjša motnost iztoka pod 1 NTU; cevaste membrane imajo močno proti-zmožnost obraščanja in so enostavne za čiščenje in vzdrževanje; učinkovito ščiti spodnje membranske module in opremo za izhlapevanje ter izboljša stabilnost sistema; peščena filtracija je poceni; ultrafiltracijske in cevaste membrane so primerne za scenarije z velikimi nihanji kakovosti vode.

Omejitve: Peščena filtracija ima omejeno učinkovitost pri odstranjevanju finih koloidov; ultrafiltracijske in cevaste membrane imajo višje investicijske stroške, membranske module pa je treba redno menjati (življenjska doba 1-3 leta); cevaste membrane delujejo pri višjih tlakih in imajo nekoliko večjo porabo energije.

Veljavni scenariji: Peščena filtracija je primerna za konec običajne predobdelave; ultrafiltracijske in cevaste membrane so primerne za elektrarne, kjer se uporabljajo naknadni postopki membranske koncentracije ali kjer koncentracija suspendiranih trdnih delcev močno niha.

3.2 Postopek globoke koncentracije in značilnosti Tudi po predobdelavi odpadna voda še vedno vsebuje visoke koncentracije soli (TDS Večja ali enaka 10000 mg/L), ki zahteva globoko koncentracijo za zmanjšanje njene prostornine (80 %~90 %). Koncentrirana slanica se nato uporabi za naknadno strjevanje/kristalizacijo, medtem ko je sladko vodo mogoče reciklirati. Osnovni proces je razdeljen na dve glavni kategoriji: koncentracija ločevanja membrane in koncentracija izhlapevanja.

3.2.1 Postopek koncentracije membranskega ločevanja
Princip procesa: Na podlagi selektivne prepustnosti membran se soli in voda ločijo pod pritiskom. Glavne tehnologije vključujejo reverzno osmozo (RO), nanofiltracijo (NF) in reverzno osmozo (DTRO). Z nanofiltracijo se lahko doseže predhodno ločevanje nečistoč, s čimer se postavi temelj za pridobivanje virov.

Značilnosti procesa:

Prednosti: Visoka učinkovitost koncentracije; RO stopnja izkoristka sladke vode 70% ~ 80%, stopnja razsoljevanja nad 99%, permeat je mogoče neposredno ponovno uporabiti; DTRO ima močne zmožnosti proti-obraščanju, primeren za visoko-slanost, visoko-suspendirane- trdne odpadne vode, razmerje koncentracije lahko doseže 10-20-krat; Nanofiltracija lahko zadrži dvovalentne ione, zmanjša obremenitev nadaljnjih procesov in olajša uporabo virov raznih soli.

Omejitve: stroge zahteve glede kakovosti dotočne vode; trdoto in suspendirane trdne snovi je treba strogo nadzorovati, da se prepreči obraščanje membrane; navadne RO membrane niso odporne na visoko vsebnost klora, zato je potrebna uporaba specializiranih membran-odpornih na klor; visoki stroški zamenjave membran (predstavljajo več kot 40 % celotnih obratovalnih stroškov), kar ima za posledico visok investicijski prag.

Veljavni scenariji: RO je primeren za elektrarne z velikimi zahtevami po koncentraciji in ponovni uporabi razžveplane odpadne vode z nizko-do-srednjo slanostjo; DTRO je primeren za odpadne vode z velikimi nihanji kakovosti vode in visoko slanostjo ter visoko količino suspendiranih trdnih snovi; Nanofiltracija je primerna za projekte, ki se osredotočajo na uporabo virov raznih soli.

3.2.2 Postopek koncentracije izparevanja

Načelo postopka: Ta postopek koncentrira soli z izhlapevanjem vode iz odpadne vode s segrevanjem. Primeren je za odpadne vode z visoko-slanostjo (TDS večji ali enak 30000 mg/L). Glavne tehnologije vključujejo mehansko rekompresijo hlapov (MVR), izhlapevanje z ekstrakcijo nosilnega plina in izhlapevanje dimnih plinov.

Značilnosti procesa:

Prednosti: MVR ima nizko porabo energije (približno 30~50 kWh/t vode), koncentracijsko razmerje 10~20-krat in je primeren za-obdelavo v velikem obsegu; uparjanje z ekstrakcijo nosilnega plina lahko izkorišča odpadno toploto iz elektrarn, ima nizke zahteve po predobdelavi in ​​nizke obratovalne stroške; izhlapevanje dimnih plinov ima izredno nizko porabo energije in nizke investicije, lahko doseže nič odvajanja odpadne vode in je primeren za male in srednje-elektrarne.

Omejitve: MVR ima visoke naložbene stroške, zahteva visoko stabilnost kakovosti napajalne vode in je nagnjen k nastajanju vodnega kamna in zamašitvam; tehnologija izhlapevanja z ekstrakcijo nosilnega plina ima visok prag in se trenutno manj uporablja; izhlapevanje dimnih plinov zahteva nadzor učinka atomizacije, da se prepreči korozija dimnih plinov in zamašitev, ter zahteva spremljanje emisij težkih kovin.

Veljavni scenariji: MVR je primeren za velike-termoelektrarne in projekte z visokimi zahtevami brez-emisij; uparjanje z ekstrakcijo nosilnega plina je primerno za velike elektrarne z razpoložljivo odpadno toploto in omejenim prostorom; izhlapevanje dimnih plinov je primerno za male in srednje-elektrarne ter projekte brez-emisij z omejenim proračunom.

3.3 Postopki strjevanja/kristalizacije in značilnosti Globoko koncentrirano slanico (TDS večji ali enak 50000 mg/L) je treba s strjevanjem ali kristalizacijo narediti neškodljivo. Nekateri postopki lahko dosežejo pridobivanje virov soli, kar je ključni korak pri doseganju ničelnega izpusta odpadne vode pri razžveplanju. Glavni procesi vključujejo kristalizacijo z izparevanjem, strjevanje z izparevanjem dimnih plinov in strjevanje cementa.

3.3.1 Postopek kristalizacije izparevanja
Načelo postopka: koncentrirana slanica se vnese v kristalizator za nadaljnje izhlapevanje vode, kar povzroči, da soli dosežejo nasičenost in izkristalizirajo. V kombinaciji s tehnologijami nanofiltracije in kriogene nitrifikacije je mogoče doseči stopenjsko čiščenje nečistoč, ločevanje natrijevega klorida, natrijevega sulfata in drugih soli.

Značilnosti procesa:

Prednosti: Omogoča pridobivanje virov soli; predelano sol, ko izpolnjuje standarde čistosti, je mogoče ponovno uporabiti kot industrijske surovine; temeljito zdravljenje; koncentrirana slanica po kristalizaciji je neškodljiva, brez sekundarnega onesnaženja; primeren za obdelavo-koncentrirane slanice z visoko vsebnostjo soli; se lahko integrira z MVR za-delovanje z nizko porabo energije.

Omejitve: visoki investicijski in operativni stroški; težko čiščenje mešanih soli; mešanice soli, proizvedene z običajnimi postopki, je treba odstraniti kot nevarne odpadke; visoke zahteve glede stabilnosti kakovosti krmne vode; na učinek kristalizacije močno vplivajo nihanja kakovosti vode.

Veljavni scenariji: Velike elektrarne; projekti z velikim povpraševanjem po pridobivanju mešanih virov soli; posebej primeren za scenarije z velikimi količinami odpadne vode pri razžveplanju in visoko vrednostjo pridobivanja soli, kot so kemične elektrarne na premog.

3.3.2 Postopek izhlapevanja in strjevanja dimnih plinov

Princip postopka: koncentrirana slanica se razprši in razprši v zadnji dimni kanal kotla. Odpadna toplota dimnih plinov (120~180 stopinj) povzroči hitro izhlapevanje vlage. Sol kristalizira in se ujame z letečim pepelom ter tvori mešanico letečega pepela. Če ustreza standardom, se lahko uporablja kot gradbeni material; sicer pa se odlaga kot nevaren odpadek.

Značilnosti procesa:

Prednosti: Izredno nizka poraba energije, ni potrebe po dodatnem ogrevanju, nizki investicijski stroški (40 % nižji od MVR); enostavno upravljanje, majhen odtis in hitro doseganje ničelnih emisij; primeren za obdelavo različnih koncentriranih slanic.

Omejitve: visoke zahteve za opremo za atomizacijo; nagnjeni k usedanju dimnih plinov in koroziji; vsebnost težkih kovin v letečem pepelu lahko preseže standarde, kar zahteva strog nadzor; ne more doseči izrabe virov soli, obdelava raznih soli pa je odvisna od izrabe letečega pepela.

Veljavni scenariji: majhne in srednje-termoelektrarne, projekti z omejenim prostorom, nujne potrebe brez{1}}emisij in omejeni proračuni.

3.3.3 Postopek strjevanja cementa

Načelo postopka: Zmešajo se koncentrirana slanica, razne soli, cement in sredstvo za strjevanje. Z reakcijo hidratacije cementa se težke kovine pritrdijo v cementni matriks, kar zmanjša tveganje izpiranja. Ko strjeno telo ustreza standardom, se odloži na odlagališče.

Značilnosti procesa:
Prednosti: Enostaven postopek, priročno delovanje, nizki stroški; dober učinek obdelave za koncentrirano slanico z visoko vsebnostjo težkih kovin, kar učinkovito zmanjšuje tveganje izpiranja težkih kovin; primeren za scenarije nujnega odstranjevanja.

Omejitve: obnovitev virov ni mogoča; strjeni material je velik in zaseda zemljiške vire; stroški odstranjevanja so visoki in obstaja tveganje dolgoročnega-izpiranja, kar vodi do postopnega zmanjševanja njegove uporabe.

Veljavni scenariji: Obdelava koncentrirane slanice z izjemno visoko vsebnostjo težkih kovin, ki jo je težko reciklirati, ali nujno odstranjevanje.

Pri izbiri postopka za čiščenje odpadne vode pri razžveplanju elektrarne je treba upoštevati značilnosti kakovosti vode, cilje čiščenja (skladen izpust/ničelen izpust), obseg elektrarne, proračun in pogoje na lokaciji. Temeljna načela bi morala biti "visoko usmerjena, ekonomsko učinkovita in stabilno delujoča": za male in srednje-elektrarne z omejenimi sredstvi in ​​brez potrebe po obnovitvi virov se lahko uporabi postopek "koagulacijske sedimentacije + filtracija peska + izhlapevanje dimnih plinov"; za velike elektrarne z visokimi zahtevami po ničelnem-izpustu se lahko uporabi postopek "tri-stopenjsko mehčanje + ultrafiltracija + MVR izhlapevanje + kristalizacija izparevanja"; za obrate, ki se osredotočajo na pridobivanje različnih soli, je treba kombinirati postopke nanofiltracije in kriogene nitrifikacije.

Če povzamemo, je čiščenje odpadne vode z razžveplanjem v elektrarnah oblikovalo zrel tehnološki sistem, pri čemer ima vsak glavni proces svoje prednosti in slabosti: postopki predobdelave se osredotočajo na "odstranjevanje nečistoč in zmanjšanje trdote", da se zagotovi stabilno naknadno čiščenje; procesi globoke koncentracije se osredotočajo na "zmanjšanje prostornine" za uravnoteženje porabe energije in stroškov; procesi strjevanja/kristalizacije pa se osredotočajo na "neškodljivost + izraba virov" za rešitev problema raznovrstnega odstranjevanja soli. V prihodnosti se bo tehnološki razvoj nadgradil v smeri nizke porabe energije, izkoriščenosti virov in inteligence, nadaljnje optimizacije kombinacij procesov, zmanjšanja operativnih stroškov, izboljšanja stopnje izkoriščenosti virov raznih soli in pomoči termoelektrarni pri doseganju zelenega in visoko{2}}kakovostnega razvoja.