石灰石-石膏湿法脱硫废水排放量深度解析

石灰石 - 石膏湿法脱硫废水排放量深度解析

魏威

中国电建集团河南工程有限公司 河南 郑州 450001

摘要：火电厂废水零排放势在必行，其主要难点之一为石灰石−石膏湿法烟气脱硫工艺的废水处置。为得出脱硫废水的合理排放量，以典型350MW燃煤机组为例，从进入和排出脱硫系统的氯离子（Cl^–）量入手，以脱硫吸收塔浆液Cl^–平衡浓度控制为基准，对入炉煤、脱硫工艺水、脱硫石膏排出、脱硫废水排出等进行了Cl^–物料平衡计算。在此基础上分析了脱硫系统深度优化和烟气深度治理等工程对脱硫系统水平衡的影响。

关键词：燃煤机组；石灰石−石膏湿法脱硫；氯离子

中图分类号：W223.1文献标识码：A

引言

2018年中国提出了全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案，对烟气污染物超低排放改造提出了新的要求；同年，中国发布的《水污染防治行动计划》中明确提出：到2020年，全国水环境质量得到阶段性改善，污染严重水体较大幅度减少，“狠抓工业污染防治”成为重要任务；HJ2301—2018《火电厂污染防治可行技术指南》指出，实现电厂废水近零排放的关键是脱硫废水零排放。因此，对于烟气污染物超低排放改造后的燃煤机组，特别是配套石灰石−石膏湿法脱硫工艺的发电企业，烟气污染物超低排放改造后的工作重点之一就是全厂节水及废水零排放改造。

目前，配套石灰石−石膏湿法脱硫工艺的燃煤发电企业脱硫废水排放量偏离设计值的情况时有发生。其主要原因为：（1）煤源不稳定；（2）某些电厂实施深度配煤掺烧；（3）脱硫工艺水水源水质与原设计不符。为了获得可靠的脱硫废水排放量，需要结合机组的平均负荷率，实地统计某一长历史周期的脱硫废水排放量。事实上，现阶段多数燃煤发电企业脱硫废水三联箱处理系统因堵塞、腐蚀等问题而无法正常运行，造成脱硫废水排放量历史数据多有缺失。为确保脱硫废水零排放工程设计容量既能满足机组全负荷时段运行，又避免设计裕量过大，将对脱硫系统运行过程中存在的复杂平衡关系进行深度解析，为终端废水零排放工程项目的可行性研究提供数据支持。

1脱硫废水排放的作用

石灰石−石膏湿法脱硫系统工程设计普遍要求吸收塔浆液中的Cl^–质量浓度不超过20g/L。设定Cl–浓度限值目的为：（1）避免吸收塔浆液中的Cl^–对吸收塔本体及输送设备腐蚀；（2）避免过高的Cl^–与Ca²⁺结合形成溶解性钙盐，其可抑制碳酸钙的溶解，干扰CaSO₄·2H₂O的结晶，导致脱硫系统运行效率降低。因此，从运行角度来看，脱硫废水排放最主要目的之一就是维持吸收塔浆液中的Cl^–浓度在合理的范围内，同时也可相应避免重金属、化学耗氧量（COD）等有害物质及其他可溶性盐（镁盐、钠盐）富集。本文基于脱硫系统的生产安全，拟从Cl–平衡的角度进行脱硫系统废水排放量分析。

2脱硫系统氯离子物料平衡解析

以超低排放改造后的350MW燃煤机组为例，设定该机组烟气流量为1.1×106m³/h（标态，干基6%O₂），燃煤烟气中的SO₂质量浓度为2400mg/m³（标态，干基，6%O2），净烟气中的SO₂排放限值为35mg/m3（标态，干基，6%O₂）。为保证机组安全稳定运行，总排放口烟气中SO2浓度按排放限值的80%予以控制。按照火电厂平均供电煤耗360g/（kW·h）标准煤计算，350MW燃煤机组对应的标准煤耗为126t/h。基于以上设定参数，分别从吸收塔浆液中Cl^–来源和排出两方面情况进行详细论述。

2.1机组燃煤来源

脱硫吸收塔浆液中Cl^–的最主要来源为机组燃煤。氯在煤中的存在形式主要有3种：（1）以阴离子形态与金属阳离子形成化合物；（2）以游离的Cl^–形式存在于矿物颗粒间的水溶液及煤层孔隙的水溶液之中；（3）以有机物的形式存在于羟基化合物的晶格中。燃煤中的氯在燃烧过程中绝大部分都以H₂Cl的形式释放，且Cl转化为H₂Cl（Cl→H₂Cl）的转化率随燃烧温度的升高而显著增加。煤燃烧过程中，温度达200℃时H₂Cl即开始析出，500℃时Cl→H₂Cl转化率达90%，1200℃时Cl→H₂Cl转化率达95.63%。燃煤锅炉排放的烟气进入脱硫吸收塔经气液充分接触后，烟气中的H₂Cl被捕集率达到98%以上。因此，对机组燃煤中的氯元素进行实验室分析，便可推导出转移至烟气中的Cl^–浓度。仍以超低排放改造后的350MW燃煤机组为例，设定燃煤中的氯质量分数为0.05%（特低氯煤和低氯煤的分界值），通过计算可得出烟气中H₂Cl质量浓度为54.8mg/m³（标态，干基，6%O₂）。煤燃烧过程中Cl–的迁移计算结果如表1所示。

表1燃煤中氯迁移计算结果

2.2脱硫用水来源

脱硫吸收塔浆液中Cl^–的第2来源为脱硫系统用水（工艺用水和工业水）。工艺用水包括除雾器的冲洗水、石灰石制浆用水、设备及管道冲洗水等，其主要为循环冷却水排污水或处理后的化学车间排水；工业水主要用于脱硫系统的氧化风降温、石膏脱水机真空泵密封、设备轴封冷却和润滑油冷却等。这部分使用后的工业水直接进入吸收塔浆池，或间接通过吸收塔地坑汇入吸收塔浆池。

2.3脱硫系统水耗量

脱硫系统水耗量最直接的计算方法是对脱硫系统累积补水量进行统计，但机组实际的运行工况处于变化状态，或者机组稳定工况运行时间较短，且脱硫系统为间断性补水，因此难以准确得出稳定工况下的脱硫系统水耗量。以下分别从烟气蒸发水量、脱水石膏带水量和脱硫废水实际排放量3方面进行分析，以便得出脱硫系统水耗量。

2.3.1烟气蒸发水量

燃煤机组稳定运行工况下，在役石灰石−石膏湿法脱硫系统出口烟气温度直接由脱硫系统入口烟气温度决定。考虑到环境因素对脱硫吸收塔出口烟气温度的影响，可将相同机组区分为冬季和夏季两个工况，因此通过水露点温度计算公式倒推可得出脱硫系统出口烟气的饱和湿度。水露点温度为：

式中：a为烟气饱和湿度（水体积分数），%；Patm为当地大气压，Pa。

设定该机组脱硫系统出口烟气温度为50℃，所处地理位置大气压为90.795MPa（取亚洲平均海拔高度），通过计算得出脱硫系统出口烟气饱和湿度为13.54%（烟气携带的雾滴总量可忽略不计）。

结语

基于Cl^–的总量平衡，进入脱硫系统的水质越差，产生的脱硫废水量越多，脱硫系统运行压力也越大，这将增加脱硫设备运行风险，提高脱硫运行能耗。脱硫系统作为全厂工业废水的终端用户，应对全厂工业废水进行合理的分质分类回收和梯级利用。

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