燃煤電廠氯平衡測(cè)試及減氯技術(shù)研究

趙國欽

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223)

近年來廢水零排放作為燃煤電廠中控制污染物排放的重要措施，特別是電廠經(jīng)過水平衡改造后[1]，含氯量較低的水資源已經(jīng)被充分利用，最終各種水中的氯離子基本全部進(jìn)入脫硫系統(tǒng)吸收塔內(nèi)漿液，而吸收塔內(nèi)漿液中含有的氯離子濃度過高時(shí)會(huì)降低吸收塔的脫硫效率，就需要向外排放含氯濃度很高的脫硫廢水[2]。電廠為實(shí)現(xiàn)廢水零排放，需要對(duì)脫硫廢水進(jìn)行處理并回用，就需要將脫硫廢水中的氯離子去除。但目前脫硫廢水中氯離子脫除技術(shù)的成本高昂，降低進(jìn)入系統(tǒng)含氯物料中的含氯濃度可以減少脫硫廢水的總量，有效降低脫硫廢水的整體處理成本。

減少終端廢水中的總氯量，需要從進(jìn)入系統(tǒng)的含氯物料源頭減少其含氯質(zhì)量。開展機(jī)組的氯平衡測(cè)試工作，定量測(cè)試各種進(jìn)入系統(tǒng)的含氯物料在整個(gè)機(jī)組總氯量的比例，可以確定進(jìn)行減氯的含氯物料。基于電廠當(dāng)前水處理工藝和全廠水平衡開展全廠氯平衡分析，確定氯離子的主要來源、比例等，就成為電廠總氯減量和脫硫廢水減量的關(guān)鍵。

1 概況

以某沿海燃煤電廠兩臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組為例，兩臺(tái)機(jī)組均采用石灰石濕法脫硫技術(shù)。以兩臺(tái)機(jī)組統(tǒng)稱為一個(gè)獨(dú)立的單元系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))。系統(tǒng)水平衡基礎(chǔ)良好，經(jīng)過水平衡改造后，全廠可用水資源合理分級(jí)利用，產(chǎn)生唯一的不可用高氯廢水-脫硫廢水，見圖1。

圖1 系統(tǒng)水資源分級(jí)流程圖

1.1 原水處理系統(tǒng)

系統(tǒng)公用一套制水系統(tǒng)，系統(tǒng)中有陽床、混床等處理裝置。系統(tǒng)每臺(tái)機(jī)組設(shè)一套精處理再生系統(tǒng)，陽床、混床陽樹脂再生采用31%濃度鹽酸。

系統(tǒng)共用一套海水淡化系統(tǒng)，海水淡化產(chǎn)水為廠區(qū)工業(yè)水提供部分用水。

1.2 工藝水系統(tǒng)

脫硫系統(tǒng)工藝水來源為廠區(qū)工業(yè)水+工業(yè)廢水回用水。廠區(qū)工業(yè)水由淡水水庫來水和海水淡化產(chǎn)水供水。工業(yè)廢水水源由制水系統(tǒng)再生廢水、系統(tǒng)精處理再生廢水、系統(tǒng)精處理反洗水、系統(tǒng)輔助設(shè)備冷卻/沖洗水等組成。

1.3 脫硫廢水系統(tǒng)

系統(tǒng)共有一套脫硫廢水處理系統(tǒng)，統(tǒng)一處理、排放脫硫廢水。

2 試驗(yàn)原理

生產(chǎn)工藝流程中的氯通過氣體、液體、固體等形態(tài)的物料進(jìn)入和流出系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)的含氯物料主要有燃煤、空氣、脫硫系統(tǒng)用工藝水、石灰石，流出系統(tǒng)的含氯物料為灰、渣、凈煙氣、石膏、脫硫廢水，見圖2。

圖2 含氯物料平衡圖

在連續(xù)7天時(shí)間內(nèi)，通過測(cè)試進(jìn)入系統(tǒng)物料(燃煤、空氣、工藝水、石灰石)中的氯離子質(zhì)量含量、質(zhì)量，計(jì)算出進(jìn)入系統(tǒng)各種物料的氯離子質(zhì)量mini及總質(zhì)量min；同期，測(cè)量流出系統(tǒng)的物料(凈煙氣、石膏、脫硫廢水)中的氯離子質(zhì)量含量，同樣分別與其物料質(zhì)量相乘，計(jì)算出流出系統(tǒng)的各種物料的氯離子質(zhì)量mouti與總質(zhì)量mout。理論狀態(tài)下，min=mout。即：

min=mrm+mkq+mgys+mshs

(1)

mout=mh+mz+mjyq+msg+mfs

(2)

mrm—燃煤中氯離子質(zhì)量，kg

mkq—空氣中氯離子質(zhì)量，kg

mgys—工藝水中氯離子質(zhì)量，kg

mshs—石灰石中氯離子質(zhì)量，kg

mh—灰中氯離子質(zhì)量，kg

mz—渣中氯離子質(zhì)量，kg

mjyq—凈煙氣中氯離子質(zhì)量，kg

msg—石膏中氯離子質(zhì)量，kg

mfs—脫硫廢水中氯離子質(zhì)量，kg

每種物料中氯離子質(zhì)量為物料總量與物料中氯含量的乘積，即：

mi=Mi×ρmi

(3)

mi——測(cè)試時(shí)間內(nèi)以上不同物料中的氯質(zhì)量，kg

Mi——測(cè)試時(shí)間內(nèi)以上不同含氯物料總量，m3(流體)或kg(固體)

ρmi——測(cè)試時(shí)間內(nèi)以上各種物料中氯含量，kg/m3(流體)或kg/kg(固體)

在此基礎(chǔ)上，可以核算每種物料中氯離子含量在全廠氯離子總量中的比例。在實(shí)際的試驗(yàn)過程中，由于流出端的流出點(diǎn)多于以上mout所統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)，容易造成氯離子統(tǒng)計(jì)的缺失；而流入端的取點(diǎn)比較少，為空氣、燃煤、工藝水、石灰石4類，為取樣方便，采用流入端4中物料中的氯離子質(zhì)量作為進(jìn)入系統(tǒng)總氯量min，再分別計(jì)算4種物料中氯量在系統(tǒng)中總氯量的占比；并可計(jì)算出流出物料中氯量在進(jìn)入鍋爐總氯量的占比。

(4)

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

為了測(cè)試更加準(zhǔn)確，測(cè)試周期內(nèi)選定的機(jī)組、脫硫系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，系統(tǒng)、物料、氣候滿足以下試驗(yàn)條件：(1)燃煤煤質(zhì)穩(wěn)定(包括煤種、配煤方案的持續(xù)性)；(2)測(cè)試期間空氣濕度相對(duì)穩(wěn)定，不發(fā)生劇烈的天氣變化；(3)每批次工藝水取一次水樣；(4)采用一個(gè)礦種的石灰石；(5)取樣周期內(nèi)不使用脫硫廢水進(jìn)行噴淋或?qū)⒚摿驈U水回用于渣水系統(tǒng)及其他回用現(xiàn)象，即脫硫廢水不再重新進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。

3.2 試驗(yàn)取樣

試驗(yàn)期間，維持機(jī)組、脫硫系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并滿足以上試驗(yàn)條件。各種物料的含氯濃度穩(wěn)定性可以有一定的保證：(1)燃煤、灰、渣、空氣、原煙氣5種物料由于大氣環(huán)境、煤種穩(wěn)定，其物料的含氯濃度也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定；(2)石灰石由于礦種單一，其含氯濃度也比較穩(wěn)定；(3)吸收塔內(nèi)工作狀態(tài)不進(jìn)行較大的變動(dòng)，凈煙氣出口濃度相對(duì)穩(wěn)定；(4)控制吸收塔內(nèi)漿液中氯離子取樣點(diǎn)固定，保持漿液氯離子濃度相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)排放的石膏、脫硫廢水中含氯濃度相對(duì)有一定的穩(wěn)定性。但由于吸收塔容積過大、漿液中氯離子分布的不均勻性，容易造成同批脫硫廢水中氯離子濃度分布不均勻，該取樣作為定量參考。

為確保測(cè)試工作的可操作性，各種物料的取樣采用以下簡化后的取樣方式：(1)燃煤、灰、渣、石灰石、石膏采用多點(diǎn)取樣后混合，測(cè)試其中的含氯濃度，取各點(diǎn)固體樣的含氯平均值；(2)工藝水每日多點(diǎn)取樣，取每日各點(diǎn)水樣的平均值，根據(jù)每日工藝水、脫硫廢水用量，計(jì)算7日內(nèi)工藝水中含氯濃度的加權(quán)平均值；(3)原煙氣、吸收塔后凈煙氣采用多點(diǎn)取樣的平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的試驗(yàn)取樣條件，參照GB/T 3558-2014《煤中氯的測(cè)定方法》和GB/T 15453-2008《工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐用水中氯離子的測(cè)定》，對(duì)燃煤、空氣、灰、渣、原煙氣、工藝水、石灰石、凈煙氣、脫硫廢水、石膏等分別按照3.2的試驗(yàn)取樣原則取樣、測(cè)定，測(cè)量取樣物料的總質(zhì)量/流量，得出以下的數(shù)據(jù)[3-4]，見表1(表中單位：氣體、液體kg/m3、m3，固體%、kg)。

表1 進(jìn)/出鍋爐及脫硫系統(tǒng)的物料取樣測(cè)試

注：由于空氣、原煙氣、凈煙氣的總流量偏差小，測(cè)試時(shí)取用空氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的總體積流量作為統(tǒng)一計(jì)算基礎(chǔ)。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上的取樣及氯成分質(zhì)量計(jì)算結(jié)果，分解計(jì)算可以得出以下數(shù)據(jù)，見表2。

表2 根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算出系統(tǒng)各物料中氯量比例

3.4.2 計(jì)算說明

(1)項(xiàng)目1與項(xiàng)目2之間的偏差為3.81%。主要偏差為采用計(jì)算途徑不同引起。項(xiàng)目1采用燃煤、空氣、干煙氣3種物料中的氯離子總量直接計(jì)算；項(xiàng)目2采用燃煤、空氣、灰、渣4種物料中的氯離子總量間接計(jì)算。兩種結(jié)果由于取樣氯離子濃度分布等出現(xiàn)不均勻性，會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。本文認(rèn)為氣體中氯離子含量分布更為均勻，選擇項(xiàng)目1的數(shù)據(jù)作為結(jié)果。

(2)項(xiàng)目3采用燃煤、空氣、灰、渣3種物料中的氯總量直接計(jì)算。

(3)項(xiàng)目7與項(xiàng)目8之間的偏差為21.33%，項(xiàng)目7采用脫硫廢水氯離子質(zhì)量、進(jìn)入系統(tǒng)氯離子總質(zhì)量的方法直接計(jì)算，項(xiàng)目8采用進(jìn)入系統(tǒng)氯離子總質(zhì)量及灰、渣、凈煙氣等3種物料總質(zhì)量間接計(jì)算。由于灰、渣、凈煙氣在整個(gè)采用過程中的氯離子濃度一直很穩(wěn)定，脫硫廢水中氯離子濃度分布狀況穩(wěn)定性差，同樣本文取項(xiàng)目8的數(shù)據(jù)作為結(jié)果。

3.4.3 計(jì)算結(jié)論

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，得出以下的分析結(jié)論：

(1)各種進(jìn)入系統(tǒng)物料的含氯量在整個(gè)系統(tǒng)總氯量中的占比順序分別為：燃煤、工藝水、石灰石、空氣，其中燃煤與工藝水兩者對(duì)系統(tǒng)總氯量的貢獻(xiàn)達(dá)到99.845%，而兩者中燃煤占57.65%、工藝水占42.195%；石灰石和空氣在整個(gè)系統(tǒng)總氯量貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。

(2)從鍋爐中排出的原煙氣中氯量占進(jìn)入鍋爐總氯量的99.61%，說明進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)中的氯基本未從灰、渣中排放；從鍋爐中流出的氯是以氣體狀態(tài)存在于煙氣中，無法被電除塵捕捉，而是經(jīng)過電除塵后進(jìn)入脫硫系統(tǒng)吸收塔內(nèi)。

(3)原煙氣在經(jīng)過脫硫系統(tǒng)吸收塔時(shí)，其中99.15%的氯量被吸收塔漿液吸收，僅有0.85%隨凈煙氣經(jīng)過煙囪排出，即進(jìn)入鍋爐總氯量98.77%是被脫硫系統(tǒng)吸收；而通過脫硫廢水排放的氯量占系統(tǒng)總氯量的99.27%，說明系統(tǒng)主要的流出含氯物料為脫硫廢水，石膏中的總氯量也可以忽略。

(4)減少工藝水中的含氯量可以很有效的降低進(jìn)入整個(gè)系統(tǒng)的總氯量，更可以直接降低脫硫廢水中的總氯量。

4 系統(tǒng)總氯量減量

4.1 減氯條件

通過以上的氯平衡測(cè)試工作，進(jìn)入系統(tǒng)的氯量主體物料為燃煤和工藝水，石灰石和空氣的氯量不足0.16%，可以忽略。燃煤總量過大，物料中的氯量無法在進(jìn)入系統(tǒng)前脫出或減少。

工藝水的主要組成為廠區(qū)工業(yè)水+工業(yè)廢水，工藝水的含氯濃度為1003.39 mg/L。其中的廠區(qū)淡水原水的含氯濃度僅為12.43 mg/L，海水淡化產(chǎn)水含氯濃度為310.03 mg/L，工業(yè)廢水中的含氯濃度在900～3 000 mg/L(水質(zhì)不穩(wěn)定)。

廠區(qū)工業(yè)水的來源為廠區(qū)淡水原水+海水淡化產(chǎn)水組成。其中的廠區(qū)淡水原水中的物料含氯濃度很低，沒有必要在進(jìn)入系統(tǒng)前減少，海水淡化產(chǎn)水可以通過提高海水淡化的性能降低水中含氯濃度。

工業(yè)廢水的來源為精處理系統(tǒng)再生水及反洗水、制水系統(tǒng)再生水、機(jī)組輔機(jī)設(shè)備功能用水排放等。其中的物料氯量來源為：(1)精處理系統(tǒng)反洗水使用機(jī)組除鹽水反洗，其中的含氯濃度極低，可以忽略；(2)機(jī)組輔機(jī)設(shè)備功能性用水取自廠區(qū)工業(yè)水系統(tǒng)，其中含氯濃度僅為12.43 mg/L，也可以忽略；(3)精處理系統(tǒng)混床、制水系統(tǒng)混床、制水系統(tǒng)陽床再生時(shí)由于使用鹽酸，其排放水含氯濃度較高；(4)工業(yè)廢水中和時(shí)使用鹽酸，增加了工業(yè)廢水的含氯濃度。

4.2 減氯的技術(shù)方向

工業(yè)廢水全部進(jìn)入工藝用水，因而減氯的主要途徑為減少工業(yè)廢水中的含氯濃度，而減少工業(yè)廢水中的氯量的主要途徑在于減少鹽酸的用量?？梢圆捎靡韵碌姆绞剑?/p>

(1)所有混床、陽床的再生全部使用稀硫酸替代鹽酸，工業(yè)廢水的中和使用稀硫酸替代鹽酸，可以杜絕多余加入的氯量[5-6]。

(2)提高淡水原水的水處理能力，使制水量滿足工藝用水需求，減少使用海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水。必須使用海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水時(shí)，提高海水淡化制水性能，使海水淡化產(chǎn)水含氯濃度小于200 mg/L。

4.3 核算實(shí)施減氯后物料的氯量分布

經(jīng)過以上的減氯方式，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

(1)無鹽酸、海水淡化產(chǎn)水進(jìn)入系統(tǒng)，全部采用淡水原水。進(jìn)入系統(tǒng)中的總氯量減少41.67%，燃煤總氯量占系統(tǒng)總氯量比例會(huì)由57.65%升高至98.83%，系統(tǒng)的減氯效果會(huì)達(dá)到最優(yōu)化。

(2)無鹽酸進(jìn)入系統(tǒng)，工藝水全部使用含氯濃度不超過200 mg/L海水淡化產(chǎn)水提供。進(jìn)入系統(tǒng)的總氯量減少33.78%，燃煤總氯量占系統(tǒng)總氯量比例會(huì)由57.65%升高至87.06%。

經(jīng)過充分的減氯措施后，正常的系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)介于以上(1)和(2)之間的某種狀態(tài)，即進(jìn)入系統(tǒng)的總氯量會(huì)降低33.78%～41.67%；相應(yīng)的在排放同等濃度脫硫廢水時(shí)，脫硫廢水的排放量會(huì)減少33.78%～41.67%，可以非常有效的降低系統(tǒng)的廢水總量和末端的脫硫廢水處理成本。

5 結(jié)語

(1)燃煤電廠在進(jìn)行廢水零排放工作前，先開展氯平衡測(cè)試工作，確定進(jìn)入系統(tǒng)各種物料中對(duì)總氯量貢獻(xiàn)主要物料；根據(jù)測(cè)試結(jié)果，開展減氯工作，確定可以減少對(duì)系統(tǒng)總氯量貢獻(xiàn)大的物料，減少前端進(jìn)入系統(tǒng)中的總氯量。

(2)進(jìn)入鍋爐的氯量極少量經(jīng)過電除塵、除渣系統(tǒng)時(shí)從灰、渣中排放，而絕大部分直接進(jìn)入脫硫系統(tǒng)中被吸收塔漿液吸收。

(3)對(duì)于燃煤電廠，進(jìn)入系統(tǒng)的總氯量主要由燃煤、工藝水提供，空氣、石灰石提供的氯量可以忽略。而燃煤電廠進(jìn)行減氯工作的主要方向?yàn)闇p少工藝水中含氯濃度，可以有效降低系統(tǒng)的總氯量，減少脫硫廢水的排放量。