污水处理技术工艺

火电厂废水综合利用技术分析

发布日期:2019-07-23 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

水资源作为基础性和战略性的资源,对社会的可持续发展具有重要意义,国家对工业用水控制较为严格,所以,火力发电厂作为用 水大户,对电厂内各级废水的综合利用显得尤为重要。本文针对火力发电厂废水梯级利用做一个较为全面的技术经济比较,寻求减少取用新鲜水的途径,同时降低废水排放量;既减少了水资源的消耗,又减少了废水对环境的污染,对建设生态型环境可提供较大的贡献。

水资源作为基础性和战略性的资源,对社会的可持续发展具有重要意义,国家对工业用水控制较为严格,火力发电厂作为工业用水大户, 其用水量和排水量十分巨大。

1 火电厂主要废水系统

火电厂主要废水包括(辅机)循环水、排污水,锅炉补给水处理系统根据其不同的工艺流程会产生悬浮性废水、酸碱再生废水及反渗透排浓水,凝结水精处理系统再生废水,生活污水,含煤废水及脱硫废水等, 这些废水根据工艺特点进行分类收集和分质回用,实现梯级利用 [1]。通过水的梯级使用和循环利用,提高水的重复利用率,在对各类废水分类 收集和分质回用的基础上,提高废水回收率,少量难以回用的末端废水 进行蒸发结晶处理后进行回用,从而实现全厂废水“零排放”。

2 全厂废水梯级利用设计思路

通过对火电厂各类废水水质的分析,发现整个电厂废水可分为悬浮废水、高盐废水、生活污水和脱硫废水四大类。悬浮废水主要包括锅炉补水处理系统过滤系统的反冲洗排水、非循环空气预热器的洗涤水、含煤废水、凝结水抛光处理系统的脱铁装置等,高盐废水主要来自(辅机)循环水的循环水,锅炉制造的水处理系统反渗透水和离子交换器再生废水、凝结水抛光脱矿系统、非循环锅炉酸洗废水等,生活污水以电厂生活用水为主;悬浮废水通过工业废水集中处理系统回收到循环水系统中,高含盐量废水需要经过硬处理和脱盐才能回收到循环水系统中,或者调整pH值,以用于水质要求较低的系统,如脱硫系统、矿渣仓冲洗水、灰场喷水等。脱硫废水的水质与脱硫工艺、烟气成分、灰分和吸收剂、脱硫工艺水的水质等多种因素有关,应分别处理,作为末端处理。总之,废水的步骤利用过程如图1所示。

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3 脱硫废水处理系统详述

作为脱硫系统的终点,其废水排放与全厂废水排放水平直接相关。脱硫废水的吸收主要用于电厂灰库搅拌。然而,当综合利用干灰时,脱硫废水不能被吸收,或者由于废水的级联利用,水质逐渐恶化,后续工艺难以使用,或者废水本身的水质较差,难以逐步使用。因此,电厂中仍存在一些需要进一步处理的废水。对于湿冷却单元,由于废水的大量排放,几乎不可能在工厂中完全平衡废水,因此对脱硫废水的处理特别重要。然后,如何选择脱硫废水系统,在充分的技术性能的前提下,经济是系统选择的关键。

目前国内的技术方案主要是预处理 + 预浓缩 + 深度浓缩 + 结晶。 脱硫废水硬度含量高,总硬度有时可达上百毫摩尔每升,需要进行预处理软化,将脱硫废水主要阳离子为钠、镁、钙混合的杂盐体系转化为阳离子以钠离子为主的钠盐体系,钠盐的易溶性可有效防止后续浓缩处理 系统以及结晶设备结垢 [3]。脱硫废水预处理一般可采用以下方案:石灰 - 碳酸钠软化 - 沉淀池 - 过滤器处理工艺;石灰 - 碳酸钠软化 - 管式微滤膜处理工艺。 预浓缩系统目前广泛采用的是膜法,可采用电渗析工艺(ED)、 纳滤 (NF)+ 反渗透工艺、高效反渗透工艺等,使废水进一步浓缩,含盐量达到 50000~60000mg/L。

深度浓缩技术主要有膜法及热法,膜法有电渗析工艺(ED)、正渗透(FO)、碟管式反渗(DTRO)、纳滤 (NF) 等,热法主要有蒸发塘、 烟道雾化蒸发、多效强制循环蒸发系统(MED)、蒸汽机械再压缩蒸发(MVR)、低温常压蒸发技术(NED)等,使废水的盐分浓缩至约 100000~150000mg/L 左右,进入结晶器进行固液分离。

3.1膜浓度技术讨论。

电渗析技术也是利用离子交换特性去除水中溶解类杂质的,电渗析 膜是由离子交换树脂制成,它实质上是离子交换树脂除盐的另一种形式, 按其选择透过性能分为阳膜和阴膜,用阳离子交换树脂制成的膜是阳膜, 用阴离子交换树脂制成的膜是阴膜,在直流电场作用下,利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性,使溶液中呈离子状态的溶质和溶剂分离的一种理化学过程,是膜分离技术的一种,进水水质要求低, 较低 TDS 可获得 >90% 回收率,COD 去除率低 , TDS 高时能耗高。

正渗透是一种利用膜两侧不同溶液的渗透压差作为驱动力,使得水能自发地从原料液一侧透过分离膜到达驱动液一侧,从而起到原料液脱水减量的过程 , 具有高回收率、低压运行、能耗低和抗污染等特点, 其最终浓缩液盐含量最高可达 20%,对进水水质要求较低,清洗周期较长。正渗透处理技术的进水浓度一般大于 5%,进水浓度太低则经济性较差。正渗透处理技术虽然具有一定的优势,但是其仍受制于具有选择 透过性的膜和高渗透压的驱动溶液这两个重要因素,正渗透膜两侧产生的渗透压差是正渗透过程能得以持续进行的驱动力,而汲取液的渗透压是决定这种驱动力大小的关键因素 [4]。理想的汲取液应具有高的渗透 压、能方便地与水分离、可以循环利用、无毒、高的稳定性等特点。汲取液主要有两个类型:无机汲取液和有机汲取液。无机汲取液主要为 NH4HCO3。NH4HCO3 在水中具有高的溶解度,可产生较高的渗透压, 获得较高的产水率。将稀释后的汲取液加热到 60℃,碳酸氢铵分解为 氨气和二氧化碳气体,采用蒸馏等方法从水产品中分离出来,然后再将 其重新溶解于水中得到铵盐汲取液,使其循环利用。在使用 NH4HCO3 作汲取液时,常常发生 NH4HCO3 溶解不完全,NH4HCO3 发生分解, 造成稳定性问题;而且在回收再生时很难做到 NH3 从产品水中全部去 除,可能会导致产品水中氨含量超过 2 mg/L。有机汲取液通常有 2- 甲 基咪唑类化合物、聚丙烯酸钠(PAA-Na)等聚合物。聚合物电解质溶液作为正渗透的汲取液具有高水通量、最低反向通量及易再生等优势。

DTRO 碟管式反渗透是反渗透的一种形式,是一种独特的膜分离 设备。碟管式膜组件采用开放式流道,膜组件两导流盘直接距离为 4mm,盘片表面有一定方式排列的凸点。这种特殊的力学设计使处理液 在压力作用下流经滤膜表面遇凸点碰撞时形成湍流,增加透过速率和自清洗功能,从而有效的避免了膜堵塞和浓差极化现象,成功地延长了膜片的使用寿命;清洗时也容易将膜片上的积垢洗净,保证碟管式膜组适 用于处理高浑浊度和高含沙系数的废水,适应恶劣的进水条件;是一种 应用于液体脱盐及净化的新型膜分离组件,其耐高压、抗污染特点十分 明显 , 在高浊度、高 SDI 值、高盐分、高 COD 的情况下,也能有效稳 定运行 , 是专门针对高浓度料液的过滤分离而开发的。

纳滤膜具有反渗透膜的性质,也是以压力差为推动力,介于反渗透和超滤之间的截留水中纳米级颗粒物的一种膜分离技术,或称选择性反渗透膜或松散反渗透膜。对单价阴离子盐溶液的脱除率低于高价阴离 子盐溶液,如对氯化钠及氯化钙的脱除率为 20% ~ 80%,而硫酸镁及 硫酸钠的脱除率为 90% ~ 98%,NF 一般作为高回收率 RO 单元的预处 理 , 扫除了高盐废水 RO 膜污染因素和结垢因素,纳滤去除和高倍率浓 缩 COD 及其他有机污染物 , 易于形成结垢的二价阴离子和阳离子 无机盐的分级 ( 主要是硫酸盐和其他一价盐的分级截留 ) 实现了预脱盐 , 可 降低后续 RO 系统的 TDS 负荷。

上述各类膜在零排放系统中均不是独立运行,需要结合水质条件组 合或串联运行。

3.2热浓缩技术讨论

热法蒸发技术是用加热的方法使溶液中的一部分溶剂汽化,从而提高溶液的浓度,或使溶液浓缩饱和而析出溶质的过程。加热蒸发用于废水处理的目的就是加热废水,使水分大量汽化,将废水浓缩减量或使其 溶质结晶析出,蒸发后的冷凝水回用。蒸发减量技术主要有蒸发塘、烟道雾化蒸发、多效强制循环蒸发系统(MED)、蒸汽机械再压缩蒸发 (MVR)、低温常压蒸发技术(NED)等。

蒸发塘是利用自然蒸发的原理将高盐废水中的水分蒸发,使盐份浓 度达到饱和而结晶析出的一种技术。蒸发塘池底设置防渗系统,以防止 对地下水的影响。自然蒸发具有处置成本低、运营维护简单、使用寿命长、抗冲击负荷好、运营稳定等优点。但蒸发塘的缺点是需要较大的占 地面积且场地需要平整,风速、日照时间均需要有一定要求,在北方寒冷地区还需考虑防冻措施,地下水的防渗防污染也是必须考虑的条件, 鉴于这些缺点,蒸发塘的应用受到了限制。

烟气雾化蒸发技术是将末端出水通过雾化喷嘴喷入电厂的烟气中。烟气中的高温烟气将雾化后的出水颗粒蒸发,形成固体颗粒,在除尘器中吸附去除,达到脱硫废水零排放的目的。根据实际情况,末端出水烟气雾化蒸发技术可以通过多种方式实现,如除尘器入口前的烟气雾化和喷淋废水、空气预热器入口前的烟气雾化和喷淋废水,以及将烟气中的废水作为热源蒸发到蒸发器中。根据烟气流量、烟气温度等参数计算确定烟气蒸发量。根据喷雾装置的性能测试数据和烟道内流场的特点,对喷雾装置进行优化。

多效强制循环蒸发(MED)是在单效蒸发的基础上发展起来的蒸发技术,其特征是将一系列的水平管或垂直管与膜蒸发器串联起来,并被分为若干效组,用一定量的蒸汽通过多次的蒸发和冷凝从而得到多倍 于加热蒸汽量的淡化过程。多效蒸发中效数的排序是以生蒸汽进入的那 一效作为第一效,第一效出来的二次蒸汽作为加热蒸汽进入第二效…… 依此类推。多效蒸发技术是将蒸汽热能进行循环并多次重复用,以减少热能消耗,降低运行成本。在多效蒸发工艺中,为了保证加热蒸气在每 一效的传热推动力,各效的操作压力必须依次降低,由此使得各效的蒸 汽沸点和二次蒸汽压强依次降低。末端废水在多个串联的蒸发器中的加 热蒸气的作用下逐渐蒸发,利用前一效蒸发产生的二次蒸汽,作为后一 效蒸发器热源。由于后一效废水沸点温度和压力比前一效低,效与效之 间的热能再生利用可以重复多次。由于加热蒸汽温度随着效数逐渐降低, 多效蒸发器一般只做到四效,四效后蒸发效果就很差。

虽然多效蒸发把前效产生的二次蒸汽作为后效的加热蒸汽,但第一 效仍然需要不断补充大量新鲜蒸汽。多效蒸发过程需要消耗大量的蒸汽, 蒸发处理 1t 水大约需要消耗 0.5~1.5 t 蒸汽

蒸汽机械再压缩蒸发(MVR)系统在高盐废水的浓缩处理中有较多的应用。常用的降膜式蒸汽机械再压缩蒸发结晶系统,由蒸发器和结晶器两单元组成。废水首先送到机械蒸汽再压缩蒸发器(BC)中进行浓缩,经蒸发器浓缩之后,浓盐水再送到 MVR 强制循环结晶器系统进行进一步浓缩结晶,将水中高含量的盐分结晶成固体。其工作原理是物料经分配装置均匀分配于蒸发器各加热管内,物料在重力和真空诱导及气流作用下,成膜状自上而下流动,运动过程中与加热管外壁加热蒸汽 发生热交换而蒸发。降膜蒸发器是液膜传热 ,其传热系数高于其他形 式的蒸发器。

低温常压蒸发结晶技术(NED)是蒸发结晶一体化系统,是将废水加热到 40 ~ 80℃后,利用大流量循环风将水蒸发,然后在冷凝室将水汽凝结,废水在蒸发室不断浓缩直至结晶。经蒸发后的废水浓度不断升高,并达到饱和,达到饱和溶解度的盐从溶液中析出形成固体颗粒, 并通过固液分离器实现固体与溶液的最终分离。系统中采用热泵压缩机组在制备冷凝系统所需冷水的同时,将水中的热量转移用来加热原废水, 从而实现了系统内部能量的循环利用。低温常压蒸发结晶的设备不需要 将水加热至沸腾,在低温、常压的环境下运行。

3.3 膜系统与热法浓缩系统小结

如何选择浓缩系统成为零排放处理的关键,热法由于其静态投资较多而使其应用受到了限制,膜法作为废水的浓缩环节是目前水处理零排放的主要技术路线,经预处理、膜法深度浓缩处理后的浓缩废液含盐量 达 150000 mg/L 后进入后续蒸发结晶系统。但是,不可回避的问题是, 膜法(尤其是反渗透膜)由于其对进水的要求苛刻,不仅需去除结垢性 物质如钙、镁、硅等,还需去除有机物、悬浮物等,因而所需要的预处 理流程长,且加药量较大,会导致运行费用增加,且会增加污泥排放量; 另外,膜系统由于其特有的结构,正常使用寿命约为 5 年左右,处理高含盐废水的膜运行寿命可能会更短,使用 3 年左右可能会出现膜元件的无法恢复而更换,那么,在寿命期膜的更换费用也会相当可观。热法浓 缩根据现已有废水零排放的运行成果来看(神华榆林能源化工废水零排 放),浓缩可以达将近 30 倍,在进水含盐量约为 20000mg/L 左右的情况下, 浓缩废液含盐量可高 150000mg/L,目前运行效果较好;据有关资料介绍, 热法浓缩进水含盐量在高于 50000mg/L 时,可直接进蒸发系统,无须进 行预浓缩,蒸发浓缩倍率 10 倍以上效果较好,而结晶系统的浓缩倍率 不宜太大,宜为 2-3 倍。

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