蔣 雷, 甄文龍

(天津國投津能發(fā)電有限公司 運行管理部, 天津 300480)

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝主要用于處理煤炭發(fā)電廠燃料燃燒中所產(chǎn)生的SO2。其具有優(yōu)越的性能,故在煙氣處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,成為燃煤發(fā)電廠煙氣脫硫的主導工藝。濕式煙氣脫硫裝置可凈化含有眾多雜質(zhì)的煙氣,各種金屬及非金屬污染物在脫硫吸收塔中發(fā)生反應(yīng),生成可溶性物質(zhì)和固體物質(zhì)而被去除,但還未充分處理的煙氣脫硫廢水被直接排放,會對環(huán)境造成極大破壞。因此,本文對某超超臨界機組超低排放設(shè)備進行了改造,并針對機組脫硫廢水的漿液品質(zhì)特點,根據(jù)運行經(jīng)驗和實驗分析,以鎂離子為排出廢水對象,建立了數(shù)學模型,在理論上計算出了不同條件下系統(tǒng)應(yīng)排出的廢水量,并通過實驗進行驗證。

1 脫硫系統(tǒng)廢水的水質(zhì)分析

某火力發(fā)電廠脫硫技術(shù)為石灰石-石膏濕法脫硫工藝,由于脫硫裝置內(nèi)的漿液在不斷循環(huán)過程中會存在大量的飛灰、氯離子(Cl-)、重金屬離子和酸性不溶解物等,降低了煙氣中二氧化硫的吸收效率,加重了設(shè)備的磨損、腐蝕,同時還會影響石膏的品質(zhì)。因此,必須采取排放廢水、補充新水置換的方法,以降低漿液中的有害物質(zhì)含量[1],保證吸收塔漿液的吸收效率。

脫硫廢水的水質(zhì)特點是水量和水質(zhì)不穩(wěn)定、pH值較低(一般為4～6)、含固量較高、雜質(zhì)種類繁多,因此無法采用常規(guī)的工業(yè)廢水處理系統(tǒng),必須針對其水質(zhì)特點單獨進行處理。

脫硫系統(tǒng)中主要雜質(zhì)的來源和危害如表1所示。

表1 濕法脫硫系統(tǒng)中的主要雜質(zhì)及其來源和危害

由表1可知,雜質(zhì)主要來源于煙氣、石灰石和工藝水3個方面。由于該火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)工藝水采用的是純水(類似于蒸餾水),水質(zhì)極好,因此這一方面在文中不做考慮。

2 實驗的必要性

按照前文所述,為了保證吸收塔漿液的“新陳代謝、吐故納新”以及石膏品質(zhì)的優(yōu)良,每天必須從脫硫系統(tǒng)中排出一定量的廢水,以維持系統(tǒng)中雜質(zhì)的含量在標準范圍內(nèi)。如果脫硫廢水的排放量不足,則會引起脫硫系統(tǒng)整體效率下降,石膏品質(zhì)降低,同時為了保證煙氣排放達標,則不得不以犧牲系統(tǒng)經(jīng)濟性為代價。從這方面來說,脫硫廢水的排出量越多越好,但考慮到脫硫系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性和廢水處理能力,又不可以無限制地排出廢水,就需要找到其中的平衡點,達到效益最大化。

需要說明的是,本文研究的是從脫硫系統(tǒng)中排出的廢水量,而不是廢水處理系統(tǒng)排出的廢水量。在實際情況中,后者大于前者,這是因為后者引入了廢水處理系統(tǒng)中的自用水量,包括藥劑配制水、地面沖洗水、疏放水、各轉(zhuǎn)機機封水、污泥管等管路及各轉(zhuǎn)機設(shè)備的沖洗用水等。

與以往不同的是,機組在超低排放改造前很容易就可以從脫硫效率上看出每天排出的廢水量是否合適,從而逐步摸索出合適的出水量。但在超低排放改造后,脫硫系統(tǒng)的設(shè)計處理能力大大增強,在煤質(zhì)較好的情況下系統(tǒng)的裕量非常大,脫硫效率基本能維持在較高的水平,基本不會出現(xiàn)在同等運行條件下,因廢水減少而導致漿液循環(huán)泵組合方式的變化。由于漿液和石膏的化驗分析存在一定的滯后性,很難實時地、直觀地看出廢水排出量對脫硫系統(tǒng)的影響,因此必須改變用脫硫效率來指導出廢水量的觀念,重新尋求合適的參考對象。

3 實驗過程

3.1 參考對象及其數(shù)學模型的選取

脫硫廢水的出水量主要由漿液和石膏的品質(zhì)來決定,最重要的是漿液的品質(zhì)。漿液中對脫硫系統(tǒng)的效能影響較大的雜質(zhì)是氯離子、鎂離子(Mg2+)、有機物、氟離子(F-)、重金屬離子和酸不溶物,但一一檢測出這些雜質(zhì)的含量相當耗時,因此檢測廢水時的參考對象一般只固定為一兩種雜質(zhì)。對于本文的濕法脫硫來說,在工程設(shè)計上主要選取氯離子作為參考對象來計算廢水量[2],然后通過其他雜質(zhì)含量來進行修正,主要依靠下面3個數(shù)學模型[3]:

q水ρ水Cl-+Q入煙ρ入煙Cl--Q出煙ρ出煙Cl-=

q廢ρ廢Cl-+Q石膏ρ石膏Cl-

(1)

Q入煙ρ入煙灰-Q出煙ρ出煙灰=

q廢ρ灰+Q石膏ρ灰

(2)

q水ρ水F-+Q入煙ρ入煙F--Q出煙ρ出煙F-=

q廢ρ廢F-+Q石膏ρ石膏F-

(3)

式中:q水——每小時的理論出水量,m3/h;

ρ水Cl-——水中Cl-的濃度;

Q入煙——入口煙氣流量,m3/h;

ρ入煙Cl-——入口煙氣中Cl-的濃度;

Q出煙——出口煙氣流量,m3/h;

ρ出煙Cl-——出口煙氣中Cl-的濃度;

q廢——每小時的理論廢水量,m3/h;

ρ廢Cl-——廢水中CI-的濃度;

Q石膏——每小時的石膏流量,m3/h;

ρ石膏Cl-——石膏中Cl-的濃度;

ρ入煙灰——入口煙氣中灰的濃度;

ρ出煙灰——出口煙氣中灰的濃度;

ρ灰——灰的濃度;

ρ水F-——水中F-的濃度;

ρ入煙F-——入口煙氣中F-的濃度;

ρ出煙F-——出口煙氣中F-的濃度;

ρ廢F-——廢水中F-的濃度;

ρ石膏F-——石膏中F-的濃度。

式(1)是從氯離子的角度來建立的。由于該火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)的工藝水采用的是純水,Cl-含量相當?shù)?而且HCl水溶性極強,在凈煙氣中的含量極少,故本文不考慮工藝水和出口煙氣中的Cl-,式(1)可轉(zhuǎn)化為

(4)

式中:CCl-——機組設(shè)計的漿液Cl-含量最高限值。

煙塵中的有害物質(zhì)主要有重金屬離子、不溶物、鋁離子等,其危害主要是導致漿液中毒、系統(tǒng)電耗和磨損增大、石膏品質(zhì)下降等。式(2)就是從煙塵的角度來建立的,式(2)在工程設(shè)計上主要是作為修正計算。同時,對于超低排放改造后的超超臨界機組,電除塵器的除塵效率已不斷提高,漿液中毒事件幾乎不會發(fā)生,所以煙塵不是廢水的主要組成部分。式(3)則是從氟離子的角度來建立的,氟離子的危害主要是使得漿液中毒。式(3)與式(2)類似,其作用也是修正式(1)。

本文利用式(4),按照燃煤收到基全硫0.6%,發(fā)熱量21 980 kJ/kg,以及機組負荷850 MW來計算,取CCl-,ρ入煙Cl-,ρ石膏Cl-等項的上限值分別為10 000,50,0.04(三級石膏標準),得到q廢約為13 t/h(單機),與機組超低排放改造后設(shè)計上給出的排出廢水量12 t/h(單機)基本相近。這一結(jié)果印證了在濕法脫硫的工程設(shè)計上可以利用式(4)來計算廢水量,但無論是從系統(tǒng)的運行情況還是從煤質(zhì)上來說,這一計算并不適用。在實際生產(chǎn)運行中,平均每小時排出廢水量要遠遠小于設(shè)計值,卻能很好地保證漿液和石膏品質(zhì),由此可見這個量不滿足本文對于系統(tǒng)經(jīng)濟性的要求。

依靠工程設(shè)計上常用的計算模型無法得到有實際指導意義的數(shù)據(jù),因此需要結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況重新選取參考對象,從而在理論計算上重新確定排出廢水量。系統(tǒng)運行過程中排出廢水量與漿液中Cl-和Mg2+含量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 脫硫廢水出水量與漿液中Cl-和Mg2+含量的關(guān)系

由圖1可以看出,單機廢水排放量由250 t/d縮減到160 t/d時,漿液中Cl-的含量始終維持在較低水平,而Mg2+的含量卻逐步升高直至超出標準。繼續(xù)縮減排出廢水量,Cl-的含量緩慢增加,而Mg2+的含量卻快速增長。由此可見,對于脫硫廢水為高鎂廢水的火力發(fā)電廠,根據(jù)機組的實際運行條件和漿液品質(zhì)特點,應(yīng)主要考慮Mg2+對漿液品質(zhì)的影響而不是Cl-,應(yīng)選取Mg2+作為排出廢水的主要參考對象,Cl-的數(shù)學模型可用于進行必要的修正。同時,由于目前沒有在線跟蹤測試煙氣中Cl-含量的設(shè)備,且實際運行時煙氣中Cl-的含量比設(shè)計值低很多[4],因此式(4)在跟蹤指導實際生產(chǎn)上的應(yīng)用價值和可能性不大。綜上考慮,在計算排出廢水量時應(yīng)以Mg2+作為參考對象。

按照系統(tǒng)中可溶性MgO的物料平衡,得到公式為

q水ρ水MgO+Q入煙ρ入煙MgO-Q出煙ρ出煙MgO+

m石ωMgO=q廢ρ廢MgO+Q石膏ρ石膏MgO

(5)

式中:ρ水MgO——水中MgO的濃度;

ρ入煙MgO——入口煙氣中MgO的濃度;

ρ出煙MgO——出口煙氣中MgO的濃度;

m石——石灰石每小時的耗量;

ωMgO——石灰石中MgO的含量,%;

ρ廢MgO——廢水中MgO的濃度;

ρ石膏MgO——石膏中MgO的濃度。

由于本系統(tǒng)中鎂的來源主要是石灰石,所以不考慮煙氣和工藝水中Mg2+的影響,則有

m石ωMgO=q廢ρ廢MgO+Q石膏ρ石膏MgO

(6)

根據(jù)機組的入爐煤硫份、燃煤量和脫硫效率,可以大致估算出石灰石的耗量[5]。同時,將式(6)中可溶性MgO的含量轉(zhuǎn)換為Mg2+的含量,則式(6)轉(zhuǎn)化為

q廢=SNω脫(K1ωMgO÷ωCaO-K2)÷CMg2+

(7)

式中:S——入爐煤硫份,%;

N——機組每小時燃煤量,t/h;

ω脫——機組每小時平均脫硫效率,%;

K1——常數(shù),為1 005 988;

ωCaO——石灰石中氧化鈣含量,%;

K2——常數(shù),值為7 267.4;

CMg2+——廢水中鎂離子的含量,mg/L。

本文按照燃煤收到基全硫0.6%,發(fā)熱量21 980 kJ/kg,機組負荷850 MW,脫硫效率99.3%,Mg2+含量7 000 mg/L來計算,取ωMgO=2%,ωCaO=50%時得到q廢約為8.87 t/h(213 t/d)。這與該火力發(fā)電廠7月和8月份的生產(chǎn)實際情況比較接近。

3.2 廢水量的理論計算和實踐驗證

分析式(7)不難看出,系統(tǒng)排出的廢水量主要受到機組負荷、燃煤品質(zhì)、脫硫效率以及石灰石品質(zhì)的影響。因此,脫硫廢水量不是固定的,本文只能大致找出其合適范圍并對其進行定性分析。當燃煤硫份低、石灰石品質(zhì)好時,系統(tǒng)需要排出的廢水量就較少。以Mg2+作為排出廢水量的主要參考對象,依據(jù)式(7)選取系統(tǒng)比較極端和比較常規(guī)的運行條件,得到了一些較有意義的指導數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 典型運行條件下廢水出水量理論計算值

由表2可以看出,不同運行條件下廢水量是不同的,其主要影響因素為硫份和石灰石中的鎂含量,其次為機組負荷。當硫份為0.4%,機組負荷為850 MW,ωMgO=1.8%,ωCaO=50%時,排出廢水量約為120 t/d,這是超超臨界機組比較常見的工況條件。若考慮廢水處理系統(tǒng)的自用水量,單機運行時應(yīng)從廢水處理系統(tǒng)中每天排出130～150 t廢水,雙機運行時每天排出250～270 t。

該火力發(fā)電廠實際運行中得到的部分數(shù)據(jù)如表3所示。對比表2和表3可以看出,上述估算量比較符合現(xiàn)場實際運行情況,很好地驗證了本文模型選取和理論計算的正確性,具有指導今后生產(chǎn)運行的意義和價值。

表3 2017年該電廠雙機運行時脫硫廢水處理系統(tǒng)的出水量與漿液和石膏品質(zhì)對照

4 結(jié) 語

針對某超超臨界火力發(fā)電機組脫硫漿液的品質(zhì)特點,提出將Mg2+作為排出廢水量的參考對象,通過建立數(shù)學模型,計算出不同條件下系統(tǒng)應(yīng)排出的廢水量,并結(jié)合實驗加以驗證。經(jīng)對比驗證得出:當硫份為0.4%,機組負荷為850 MW,ωMgO=1.8%,ωCaO=50%時,排出廢水量約為120 t/d。若考慮廢水處理系統(tǒng)的自用水量,單機運行時應(yīng)從廢水處理系統(tǒng)中每天排出130～150 t廢水,雙機運行時為250～270 t。這一水量估算在保證漿液和石膏品質(zhì)的前提下,實現(xiàn)了盡量少排出廢水、降低淡水和藥劑消耗的目的。