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脱硫废水预处理系统运行性能分析与优化

2024-03-04 41 上传者：管理员

摘要：为逐步实现脱硫废水零排放处理目标，广东某电厂建设投运一套脱硫废水预处理工艺系统，该系统采用“双碱软化+管式超滤”处理工艺，处理后废水可直接进入后续全厂废水零排处理系统。对脱硫废水预处理系统运行性能进行监测分析，结果显示双碱软化工艺参数控制较差，主要表现为p H控制不稳定和纯碱加药量不合理，管式超滤浓缩倍率远远不够。通过双碱法软化参数优化试验，结果表明 p H在10.90以上、纯碱加药比达1.1时，出水水质即可满足后续全厂废水零排处理系统进水要求。通过物料平衡分析，管式超滤工艺单元中进水流量、排泥流量和产水流量依次应为9 m3/h、2 m3/h、7 m3/h，可以最大限度地提高浓缩倍率。经过运行性能监测分析和优化研究，提高了脱硫废水预处理系统运行效率，降低了运行成本。

关键词：
双碱软化
燃煤电厂烟气脱硫
管式超滤
脱硫废水
脱硫效率
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石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术因其具有脱硫效率高、煤种适应性强、原材料价廉易获得等优点[1]，广泛应用于燃煤电厂烟气脱硫。在脱硫过程中由于烟气中的物质不断富集到吸收剂浆液中，需要排放一定量的废水以避免Cl-、Mg2+等物质含量超标危害设备安全运行，该部分废水就是脱硫废水。脱硫废水具有悬浮固体含量高、含盐量高、重金属超标、COD超标等特点[2]，实现废水近零排放的关键是实现脱硫废水零排放。本文对广东某电厂投运的一套脱硫废水预处理工艺系统、运行性能进行了分析，并开展优化试验。

1、系统概况

脱硫废水预处理系统工艺流程主要包括双碱软化工艺单元和管式超滤工艺单元。首先，来自吸收塔石膏脱水的脱硫废水经澄清池、第一反应池和第二反应池进行软化处理；然后将软化后脱硫废水溢流到浓缩池内，通过循环泵输送至管式超滤进行固液分离，分离后的含较多悬浮固体的脱硫废水在浓缩池和管式超滤之间循环浓缩，实现脱硫废水零排放。

双碱软化工艺单元主要包括第一反应池和第二反应池，在第一反应池中添加液碱（NaOH），使水中的镁和部分重金属离子析出，主要发生式（1）、式（2）反应；在第二反应池中添加纯碱（Na2CO3）和有机硫，使水中钙和重金属离子析出，主要发生式（3）反应；反应池设有搅拌器加速反应进行，双碱软化后废水进入管式超滤工艺单元。

管式超滤工艺单元主要包括浓缩池和管式超滤TMF(tubular membrane filter），含悬浮固体的脱硫废水在浓缩池和管式超滤之间循环浓缩，管式超滤采用亲水性PVDF膜，具有高强度、抗污染、抗氧化等优点；浓缩池内部设计有锥形浓缩部件，利用超滤浓水回流提供动力，使得废水在浓缩池内做旋转运行进行进一步浓缩。

2、试验部分

2.1分析内容

脱硫废水水质分析；澄清池进出水、浓缩池废水的悬浮固体含量；第一反应池进水、第二反应池出水的硬度和碱度；管式超滤产水的浊度。

2.2分析方法

脱硫废水水质分析

pH采用WTW便携式pH分析仪测量；电导率采用HD-9533T台式电导率检测仪测定；COD采用哈希DR6000快速消解法测定；Ca2+、Mg2+采用EDTA络合滴定法测定[3];Cl-采用硝酸银滴定法测定[4]；脱硫废水中悬浮固体含量测试采用重量法[5]；脱硫废水中硬度（包括钙硬度HCa和镁硬度HMg，以CaCO3计，mg/L，下同）测试采用EDTA络合滴定法，碱度测试采用酸碱指示剂滴定法[6]；管式超滤产水浊度采用台式浊度分析仪测定。

2.3双碱法软化参数优化研究

双碱法pH调节试验

取一定量脱硫废水置于不同烧杯中，用30%的氢氧化钠溶液按梯度调节pH，搅拌反应15 min后，抽滤测定滤液的硬度。

双碱法Na2CO3加药试验

取一定量的已测Ca2+含量的脱硫废水置于不同烧杯中，根据已知的Ca2+物质的量加入不同比例Na2CO3物质的量，搅拌反应15 min后，抽滤测定滤液的硬度。

3、结果分析

3.1脱硫废水水质结果分析

2021年10月13日至2022年1月13日对脱硫废水预处理系统进行性能测试，其中，进入脱硫废水预处理系统的脱硫废水水质测试结果见表1。

表1脱硫废水水质测试结果

由表1可知，进入系统的脱硫废水pH值在6～8之间波动；Ca2+、Mg2+含量波动较大，对后续双碱软化工艺中液碱和纯碱加药控制稳定性会产生影响。

3.2澄清池运行性能分析

脱硫废水进入澄清池后，在澄清池中靠自由沉降实现固液分离[7]，通过监测澄清池进水和出水中悬浮固体含量可以分析澄清池的运行性能，测试结果见图1。由图1可见，经过澄清池的预澄清处理后，脱硫废水中大部分悬浮固体被去除，澄清池出水中悬浮固体质量分数小于0.1%，达到了其设计要求。

图1澄清进水和出水悬浮固体含量测量结果

3.3双碱软化工艺单元运行性能分析

经过澄清池处理后的脱硫废水，依次经过第一反应池和第二反应池，通过添加的碱液来降低脱硫废水硬度，反应池出水pH与镁硬度HMg监测结果如图2所示。图2表明，反应池出水pH值在9.97～11.73范围内波动，波动范围较大，最终导致出现镁硬度严重超标的情况，这表明双碱法软化液碱（NaOH）加药控制稳定性较差。

图2反应池出水pH、镁硬度测试结果

为了评价纯碱的加药情况，定义纯碱加药比β，表示纯碱加药的物质的量与进水中钙离子物质的量的比值。在现场没有对纯碱加药量在线监测装置的情况下，为了能较为准确地得到双碱法软化过程中碳酸钠的加药情况，建立式（4）的物料平衡计算式，忽略空气中CO2溶入的影响。

其中，β为碳酸钠加药比；Cin为反应池进水中钙离子浓度，mmol/L;Cout为反应池出水中钙离子浓度，mmol/L;BTout为反应池出水中碳酸盐碱度，mmol/L;BTin为反应池进水中碳酸盐碱度，mmol/L。

对反应池进水和出水的硬度和碱度进行监测，根据式（4）得到反应池出水钙硬度HCa与纯碱加药比监测结果如图3所示。由图3可见，双碱软化过程中，纯碱加药比在0.80～2.17范围内波动，波动范围较大，这表明双碱法软化纯碱（Na2CO3）加药量不合理。

图3反应池纯碱加药比和出水钙硬度分析结果

综上所述，脱硫废水预处理系统中双碱软化工艺单元运行性能较差，主要表现在反应池pH控制不稳定和纯碱加药量控制不当，这不仅会造成产水水质超标情况的发生，还会导致药剂的浪费，增加了系统运行费用。

3.4管式超滤运行性能分析

管式超滤工艺单元运行性能主要由2个指标反映

一是超滤产水浊度，这直接影响后续全厂废水零排处理系统运行安全性；二是浓缩池排泥悬浮固体含量，这直接影响系统的运行效率和运行费用。

对超滤产水浊度进行监测，产水浊度小于1 NTU，达到了设计要求和后续系统进水要求。

对管式超滤工艺单元进行监测，结果如表2所示。由表2可知，浓缩池排泥中悬浮固体含量仅在1.5%～2.0%范围内，与管式超滤能耐受的最大悬浮固体含量4%仍有不少差距，表明浓缩池没有将废水进行充分浓缩就直接排出，这不仅会造成水资源浪费还会增加污泥脱水装置的运行负荷。

表2管式超滤工艺单元水质测试结果

为了提高排泥中悬浮固体含量，对浓缩池内废水的悬浮固体进行物料衡算；在稳定运行阶段，浓缩池内废水中的悬浮固体基本处于稳定状态，浓缩池悬浮固体物料平衡关系见式（5）。

其中，Q0为浓缩池进水流量，m3/h;S0为浓缩池进水中悬浮固体含量，%；Q1为超滤产水出水流量，m3/h;S1为超滤产水中悬浮固体含量，%；Q2为浓缩池排泥流量，m3/h;S2为浓缩池排泥中悬浮固体含量，%。

正常运行情况下，单套超滤产水流量Q1保持基本不变，约为7 m3/h，根据流量平衡有Q0=Q1+Q2，代入式（5）得到式（6）。

管式超滤工艺单元控制参数计算结果如表3所示。

表3管式超滤工艺单元控制参数计算结果

由表3可知，要想控制浓缩池排泥悬浮固体含量，必须从控制浓缩池进水流量和排泥流量之间的配比入手；当前运行工况情况下，浓缩池排泥悬浮固体含量偏低是由其配比不合理导致的。以管式超滤能耐受的最大悬浮固体质量分数的90%为控制目标，此时浓缩池进水流量约为9 m3/h、排泥流量约为2 m3/h、超滤产水流量约为7 m3/h。

3.5双碱法软化参数优化研究结果

双碱法pH调节试验和双碱法Na2CO3加药试验结果如图4所示，由图4可知，脱硫废水双碱软化工艺单元中，NaOH调节废水pH值达10.90时，出水镁硬度低于后续全厂废水零排处理系统进水要求（70mg/L);Na2CO3加药比达1.1时，出水钙硬度低于全厂废水零排处理系统进水要求（30 mg/L）。

4、结论

a）澄清池对脱硫废水预处理工艺系统高效运行具有重要意义，提高了管式超滤工艺单元浓缩倍率；澄清池去除脱硫废水中大部分悬浮固体，出水中悬浮固体质量分数小于0.1%，满足设计要求。

图4双碱法软化参数优化试验结果

b）双碱软化工艺单元中，pH值控制范围为9.97～11.73，纯碱加药比控制范围为0.80～2.17，表明双碱软化工艺单元中运行参数控制较差。通过参数优化试验可知，pH值在10.90以上、纯碱加药比达到1.1时，出水水质即可满足后续全厂废水零排处理系统进水要求，可大幅度降低药剂运行成本。

c）管式超滤工艺单元中，浓缩池排泥固体质量分数仅为1.5%～2.0%，与管式超滤能耐受的最大悬浮固体质量分数4%仍有不少差距；根据浓缩池悬浮固体物料平衡分析，以管式超滤能耐受的最大悬浮固体质量分数的90%为控制目标，此时浓缩池进水流量、浓缩池排泥流量和超滤产水流量依次应为9 m3/h、2 m3/h、7 m3/h，可大幅度减少排泥量，降低了污泥脱水装置的负荷。

参考文献:

[1]杜家芝,曹顺安.湿法烟气脱硫技术的现状与进展[J].应用化工,2019,48(6):1495-1500.

[2]环境保护部.火电厂污染防治可行技术指南HJ 2301—2017[S].北京中国环境科学出版社,2017:22-23.

[3]国家环境保护局.水质钙和镁总量的测定EDTA滴定法GB7477—1987[S].北京中国标准出版社,1987:60-63.

[4]国家环境保护局.水质氯化物的测定硝酸银滴定法GB 11896—1989[S].北京中国标准出版社,1989:201-204.

[5]国家能源局.石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统化学及物理特性试验方法DL/T 1483—2015[S].北京中国电力出版社,2016:25-26.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检验总局,中国国家标准化管理委员会.工业循环冷却水总碱及酚酞碱度的测定GB/T15451—2006[S].北京中国标准出版社,2006:1-3.

[7]王民军,徐兴旺,辛世伟,等.脱硫废水固含量偏高原因分析与解决方案[J].广东化工,2021,48(20):178-194.

文章来源:周永强,郑观文,曹顺安.脱硫废水预处理系统运行性能分析与优化[J].山西电力,2024(01):65-68.