Analiza procesów i charakterystyki procesów oczyszczania ścieków z odsiarczania elektrowni

Streszczenie: Odsiarczanie na mokro-gipsu wapiennego to główna technologia kontrolowania emisji dwutlenku siarki w elektrowniach cieplnych. Powstałe ścieki odsiarczające, charakteryzujące się dużym zasoleniem, dużą twardością, dużą zawartością metali ciężkich i niską biodegradowalnością, stanowią istotne wyzwanie dla oczyszczania ścieków elektrowniowych. W artykule skupiono się na podstawowym systemie oczyszczania ścieków z odsiarczania w elektrowni, wyszczególniając zasady i procedury działania głównych procesów na każdym etapie zgodnie z przepływem „obróbka wstępna → głębokie zatężanie → obróbka zestalająca/krystalizująca”. Analizuje charakterystykę techniczną, zalety, ograniczenia i mające zastosowanie scenariusze różnych procesów, integrując podstawowe zasady wyboru procesu, aby zapewnić profesjonalne odniesienie dla zoptymalizowanego wyboru i wydajnego działania procesów oczyszczania ścieków poprzez odsiarczanie w elektrowni, przyczyniając się w ten sposób do czystej produkcji i zielonej transformacji energetyki cieplnej.

Słowa kluczowe: Elektrociepłownia; ścieki z odsiarczania; proces leczenia; charakterystyka procesu; obróbka wstępna; głęboka koncentracja; obróbka krystalizacyjna

W obliczu coraz bardziej rygorystycznych norm emisji do środowiska i realizacji celów „podwójnego węgla”, zgodne z przepisami oczyszczanie ścieków z odsiarczania elektrowni cieplnych stało się kluczowym ogniwem w osiągnięciu ekologicznego rozwoju. Obecnie ponad 90% elektrowni cieplnych w moim kraju wykorzystuje proces mokrego odsiarczania wapienia-gipsu. Proces ten wymaga przepłukania wieży odsiarczającej, odmgławiacza i układu odwadniania gipsu czystą wodą, w wyniku czego powstają ścieki odsiarczające bogate w metale ciężkie, wysokie stężenia soli i zawiesiny. Ze względu na złożoną jakość wody i duże trudności w jej oczyszczaniu, niewłaściwa utylizacja może spowodować zanieczyszczenie gleby i wody, zagrażając jednocześnie bezpiecznej pracy urządzeń elektrowni.

Oczyszczanie ścieków z odsiarczania elektrowni musi być zgodne z zasadami „redukcji, nieszkodliwości i odzyskiwania zasobów”, tworząc kompletny system procesowy „obróbki wstępnej → głębokiego zatężania → obróbki zestalania/krystalizacji”. Różne procesy znacznie różnią się właściwościami technicznymi, wydajnością oczyszczania i kosztami operacyjnymi. Rozsądny wybór kombinacji procesów ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia równowagi pomiędzy zgodnym z przepisami oczyszczaniem ścieków a efektywnością ekonomiczną. W artykule skupiono się na podsumowaniu głównych procesów na każdym etapie, dogłębnej analizie ich charakterystyki procesów i zapewnieniu wsparcia przy wyborze procesów w branży.

Na jakość ścieków odsiarczających istotny wpływ mają jakość węgla, czystość wapienia oraz parametry procesu odsiarczania, wykazując ogólną charakterystykę „czterech najwyższych i dwóch najniższych”, bezpośrednio determinujących kierunek wyboru procesu oczyszczania. Swoiście:

Wysokie zasolenie: Całkowita zawartość rozpuszczonych substancji stałych (TDS) 20 000 ~ 100 000 mg/L, osiągająca maksymalnie 150 000 mg/L, składająca się głównie z Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ i K⁺, wykazująca wyjątkowo silną korozję;

Wysoka twardość: stężenie Ca²⁺ może osiągnąć ponad 4000 mg/l. Zawartość Mg²⁺ wynosi około 1600 mg/L i łatwo tworzy nierozpuszczalny kamień, który zatyka urządzenia; Wysoka zawartość metali ciężkich: Zawiera rtęć, kadm, ołów, arsen itp. w stężeniach 0,1–10 mg/l, niektóre tworzą trwałe kompleksy utrudniające usuwanie; Wysoko zawieszone ciała stałe (SS): Stężenie 1000 ~ 10000 mg/L, składające się głównie z cząstek gipsu i proszku wapiennego, łatwo ścierających się rur; Niska wartość pH: 4,5 ~ 6,0, słabo kwaśna, zaostrzająca korozję sprzętu; Niska biodegradowalność: BZT/ChZT < 0,1, trudny do rozkładu metodami biologicznymi, wymagający procesów fizykochemicznych.

Ponadto ścieki zawierają również fluorki, krzemiany i oporną materię organiczną, co jeszcze bardziej zwiększa złożoność wyboru procesu i wymaga procesów oczyszczania o dużej specyficzności i odporności na wahania.

Oczyszczanie ścieków metodą odsiarczania elektrowni jest przedsięwzięciem systematycznym. Każdy etap procesu jest ze sobą powiązany i działa synergicznie. Wybór procesów dla różnych etapów musi opierać się na cechach jakości wody, celach oczyszczania i rzeczywistych warunkach elektrowni. Poniżej znajduje się szczegółowa analiza głównych procesów i podstawowych cech każdego etapu.

3.1 Procesy i właściwości obróbki wstępnej Oczyszczanie wstępne stanowi podstawę oczyszczania ścieków poprzez odsiarczanie. Jego głównymi celami jest usuwanie zawiesin, większości metali ciężkich, jonów wapnia i magnezu, fluorków i krzemianów, zmniejszenie zmętnienia i twardości ścieków, zapobieganie osadzaniu się kamienia i zatykaniu w kolejnych procesach oraz dostarczanie kwalifikowanego dopływu do zaawansowanego oczyszczania. Główne procesy obejmują koagulację i sedymentację, zmiękczanie chemiczne i klarowanie poprzez filtrację. W rzeczywistych projektach często stosuje się procesy łączone.

3.1.1 Proces koagulacji i sedymentacji

Zasada procesu: Do ścieków dodaje się koagulanty (chlorek poliglinu, siarczan żelaza itp.) i środki wspomagające koagulant (poliakryloamid). W wyniku adsorpcji i flokulacji drobne zawieszone ciała stałe i koloidy tworzą duże kłaczki, które następnie oddziela się w drodze sedymentacji. Jednocześnie doprowadza się wartość pH do 8,5-9,5 (poprzez dodanie wodorotlenku wapnia), co powoduje wytrącenie się jonów metali ciężkich w postaci wodorotlenków i usunięcie części jonów fluorkowych (tworząc osad fluorku wapnia).

Charakterystyka procesu:

Zalety: Prosty proces, wygodna obsługa, niskie koszty inwestycyjne i operacyjne; szybkość usuwania zawieszonych cząstek stałych wynosząca ponad 80%, szybkość usuwania metali ciężkich wynosząca 60% -80%, może szybko zmniejszyć zmętnienie ścieków, odpowiednia do potrzeb wstępnej obróbki różnych elektrowni.

Ograniczenia: Ograniczony efekt usuwania rozpuszczalnych soli i kompleksów metali ciężkich; wymaga stosowania w połączeniu z chemicznymi procesami zmiękczania i filtracji; w warunkach wysokiego ChZT wymagana jest zaawansowana technologia utleniania, w przeciwnym razie będzie to miało wpływ na późniejsze efekty leczenia.

Obowiązujące scenariusze: wstępna obróbka ścieków odsiarczających ze wszystkich elektrowni, szczególnie odpowiednia dla małych i średnich- elektrowni o dużej zawartości zawiesin i metali ciężkich oraz ograniczonych budżetach.

3.1.2 Proces zmiękczania chemicznego
Zasada procesu: Rdzeń ma na celu usunięcie jonów wapnia i magnezu w celu zmniejszenia twardości ścieków. Główną metodą jest wytrącanie chemiczne, które dzieli się na zmiękczanie wapnem-sodą kalcynowaną i zmiękczanie wodorotlenkiem sodu-sodą kalcynowaną, w zależności od zastosowanych odczynników. Najpowszechniej stosowana jest metoda wapniowa-soda kalcynowana. W warunkach wysokiej twardości i dużej zawartości krzemionki stosuje się trzy-etapowy proces zmiękczania, polegający na sekwencyjnym dodawaniu Ca(OH)₂, Na₂SO₄ i Na₂CO₃ w celu stopniowego usunięcia Mg²⁺, części Ca²⁺ i pozostałego Ca²⁺, w wyniku czego powstają wytrącenia Mg(OH)₂, CaSO₄ i CaCO₃.

Charakterystyka procesu:

Zalety: Wysoce ukierunkowane, skutecznie zmniejszające twardość ścieków (Ca²⁺ mniejsze lub równe 500 mg/L, Mg²⁺ mniejsze lub równe 1000 mg/L), zapobiegające osadzaniu się kamienia w kolejnych procesach odparowania i separacji membranowej; metoda wapniowa-soda kalcynowana ma tanie, łatwo dostępne odczynniki i jest odpowiednia dla ścieków z odsiarczania o wysokiej-twardości-o wysokiej zawartości krzemionki.

Ograniczenia: Dozowanie odczynnika wymaga precyzyjnej kontroli, w przeciwnym razie prawdopodobne jest wtórne zanieczyszczenie; produkcja osadów jest duża i wymaga wspierania instalacji do usuwania osadów; metoda wodorotlenku sodu-sody kalcynowanej jest kosztowna i nadaje się tylko w scenariuszach o wyjątkowo wysokich wymaganiach w zakresie twardości ścieków.

Obowiązujące scenariusze: Wstępna obróbka ścieków z odsiarczania o wysokiej-twardości, wysokiej-krzemionce i-fluorku, szczególnie odpowiednia do późniejszych procesów, takich jak separacja membranowa i odparowanie MVR, przy rygorystycznych wymaganiach dotyczących twardości wpływającego materiału.

3.1.3 Proces filtracji i klarowania

Zasada procesu: Proces ten dodatkowo usuwa drobne kłaczki, zawieszone ciała stałe i koloidy z koagulacji, sedymentacji i zmiękczania chemicznego, zapewniając, że zmętnienie wstępnie oczyszczonych ścieków spełnia standardy (zazwyczaj mniejsze lub równe 100 mg/l, stężenie membranowe wymaga mniejsze lub równe 5 mg/l). Główne technologie obejmują filtrację piaskową, ultrafiltrację (UF) i filtrację membranową rurową.

Charakterystyka procesu:

Zalety: Wysoka dokładność filtracji; ultrafiltracja może zmniejszyć zmętnienie ścieków do wartości poniżej 1 NTU; membrany rurowe mają silne-właściwości przeciwporostowe oraz są łatwe do czyszczenia i konserwacji; skutecznie chroni dalsze moduły membranowe i urządzenia odparowujące, poprawiając stabilność systemu; filtracja piaskowa jest niedroga; membrany ultrafiltracyjne i rurowe nadają się do scenariuszy o dużych wahaniach jakości wody.

Ograniczenia: Filtracja piaskowa ma ograniczoną skuteczność w usuwaniu drobnych koloidów; membrany ultrafiltracyjne i rurowe charakteryzują się wyższymi kosztami inwestycyjnymi, a moduły membranowe wymagają regularnej wymiany (żywotność 1-3 lata); membrany rurowe działają przy wyższych ciśnieniach i charakteryzują się nieco większym zużyciem energii.

Obowiązujące scenariusze: Filtracja piaskowa jest odpowiednia na zakończenie konwencjonalnej obróbki wstępnej; Membrany ultrafiltracyjne i rurowe nadają się do elektrowni, w których stosuje się kolejne procesy zagęszczania membranowego lub gdzie stężenie zawiesin ulega znacznym wahaniom.

3.2 Proces i charakterystyka głębokiego zatężania Nawet po wstępnym oczyszczeniu ścieki nadal zawierają wysokie stężenia soli (TDS większe lub równe 10000 mg/l), wymagające głębokiej koncentracji w celu zmniejszenia ich objętości (80% ~ 90%). Stężona solanka jest następnie wykorzystywana do późniejszego zestalania/krystalizacji, a słodka woda może zostać poddana recyklingowi. Proces podstawowy dzieli się na dwie główne kategorie: stężenie separacji membranowej i stężenie parowania.

3.2.1 Proces zagęszczania z separacją membranową
Zasada procesu: W oparciu o selektywną przepuszczalność membran, sole i woda są oddzielane pod ciśnieniem. Główne technologie obejmują odwróconą osmozę (RO), nanofiltrację (NF) i odwróconą osmozę z rurą dyskową (DTRO). Nanofiltracja umożliwia wstępne oddzielenie zanieczyszczeń, kładąc podwaliny pod odzysk zasobów.

Charakterystyka procesu:

Zalety: Wysoka skuteczność zagęszczania; Stopień odzysku słodkiej wody RO 70% ~ 80%, stopień odsalania ponad 99%, permeat można bezpośrednio ponownie wykorzystać; DTRO ma silne-właściwości przeciwporostowe, odpowiednie do ścieków o wysokim-zasoleniu i wysokiej-zawiesin-substancji stałych, współczynnik stężenia może osiągnąć 10–20 razy; Nanofiltracja może zatrzymać jony dwuwartościowe, zmniejszając obciążenie kolejnych procesów i ułatwiając wykorzystanie zasobów różnych soli.

Ograniczenia: Surowe wymagania dotyczące jakości wody dopływającej; twardość i zawartość zawieszonych substancji stałych muszą być ściśle kontrolowane, aby uniknąć zanieczyszczania membrany; zwykłe membrany RO nie są odporne na wysoki poziom chloru, co wymaga stosowania specjalistycznych membran-odpornych na chlor; wysokie koszty wymiany membran (stanowiące ponad 40% całkowitych kosztów eksploatacyjnych), skutkujące wysokim progiem inwestycyjnym.

Obowiązujące scenariusze: RO jest odpowiednia dla elektrowni o dużym zapotrzebowaniu na koncentrację i ponowne wykorzystanie ścieków z odsiarczania o niskim-do-średnim zasoleniu; DTRO nadaje się do ścieków o dużych wahaniach jakości wody, dużym zasoleniu i dużej zawartości zawiesin; Nanofiltracja jest odpowiednia dla projektów skupiających się na wykorzystaniu zasobów różnych soli.

3.2.2 Proces zatężania przez parowanie

Zasada procesu: Proces ten polega na koncentracji soli poprzez odparowanie wody ze ścieków w drodze ogrzewania. Nadaje się do ścieków o wysokim-zasoleniu (TDS większy lub równy 30000 mg/l). Główne technologie obejmują mechaniczną rekompresję pary (MVR), odparowanie ekstrakcji gazu nośnego i odparowanie gazów spalinowych.

Charakterystyka procesu:

Zalety: MVR charakteryzuje się niskim zużyciem energii (około 30–50 kWh/t wody), współczynnikiem stężenia 10–20-krotnym i nadaje się do uzdatniania-na dużą skalę; przez odparowanie ekstrakcji gazu nośnego można wykorzystać ciepło odpadowe z elektrowni, ma niskie wymagania dotyczące wstępnej obróbki i niskie koszty operacyjne; odparowywanie gazów spalinowych charakteryzuje się wyjątkowo niskim zużyciem energii i niskimi kosztami inwestycyjnymi, pozwala osiągnąć zerowy poziom emisji ścieków i jest odpowiedni dla małych i średnich-elektrowni.

Ograniczenia: MVR wiąże się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi, wymaga dużej stabilności jakości wody zasilającej, jest podatny na osadzanie się kamienia i zatykanie; technologia odparowania metodą ekstrakcji gazu nośnego ma wysoki próg i jest obecnie rzadziej stosowana; Odparowanie gazów spalinowych wymaga kontroli efektu atomizacji, aby uniknąć korozji i zatykania gazów spalinowych, a także wymaga monitorowania emisji metali ciężkich.

Obowiązujące scenariusze: MVR jest odpowiedni dla-dużych elektrowni cieplnych i projektów o wysokich wymaganiach dotyczących zerowej-emisji; odparowanie ekstrakcyjne gazu nośnego jest odpowiednie dla dużych elektrowni z dostępnym ciepłem odpadowym i ograniczoną przestrzenią; odparowywanie gazów spalinowych jest odpowiednie dla małych i średnich-elektrowni oraz projektów o zerowej-emisyjności przy ograniczonych budżetach.

3.3 Procesy i właściwości krzepnięcia/krystalizacji Głęboko stężona solanka (TDS większa lub równa 50000 mg/l) musi zostać unieszkodliwiona poprzez zestalenie lub krystalizację. W niektórych procesach można odzyskać zasoby soli, co jest kluczowym krokiem w osiągnięciu zerowego odprowadzania ścieków odsiarczających. Główne procesy obejmują krystalizację przez odparowanie, krzepnięcie przez odparowanie gazów spalinowych i krzepnięcie cementu.

3.3.1 Proces krystalizacji przez odparowanie
Zasada procesu: Stężona solanka jest wprowadzana do krystalizatora w celu dalszego odparowania wody, co powoduje osiągnięcie nasycenia soli i krystalizację. W połączeniu z technologiami nanofiltracji i nitryfikacji kriogenicznej możliwe jest stopniowe oczyszczanie zanieczyszczeń, oddzielanie chlorku sodu, siarczanu sodu i innych soli.

Charakterystyka procesu:

Zalety: Umożliwia odzyskiwanie zasobów soli; sól odzyskana, po spełnieniu norm czystości, może być ponownie wykorzystana jako surowiec przemysłowy; dokładne leczenie; stężona solanka po krystalizacji jest nieszkodliwa i nie zawiera wtórnych zanieczyszczeń; nadaje się do uzdatniania solanki-o wysokim stężeniu soli; można zintegrować z MVR w celu-pracy przy niskim zużyciu energii.

Ograniczenia: Wysokie koszty inwestycyjne i operacyjne; trudne oczyszczanie soli mieszanych; sole mieszane powstałe w zwykłych procesach należy utylizować jako odpady niebezpieczne; wysokie wymagania dotyczące stabilności jakości wody zasilającej; Na efekt krystalizacji duży wpływ mają wahania jakości wody.

Obowiązujące scenariusze: Duże elektrownie; projekty o dużym zapotrzebowaniu na odzysk mieszanych zasobów soli; szczególnie nadaje się do scenariuszy z dużą ilością ścieków odsiarczających i wysoką wartością odzysku soli, takich jak elektrownie chemiczne węglowe.

3.3.2 Proces odparowania i krzepnięcia gazów spalinowych

Zasada procesu: Stężona solanka jest rozpylana i wtryskiwana do tylnego przewodu kominowego kotła. Ciepło odpadowe gazów spalinowych (120 ~ 180 stopni) powoduje szybkie odparowanie wilgoci. Sól krystalizuje i jest wychwytywana z popiołami lotnymi, tworząc mieszaninę popiołów lotnych. Jeśli spełnia normy, może być stosowany jako materiał budowlany; w przeciwnym razie jest składowany jako odpad niebezpieczny.

Charakterystyka procesu:

Zalety: Niezwykle niskie zużycie energii, brak konieczności dodatkowego ogrzewania, niski koszt inwestycji (40% niższy niż MVR); prosta obsługa, niewielkie rozmiary i szybkie osiągnięcie zerowej emisji; nadaje się do obróbki różnych stężonych solanek.

Ograniczenia: Wysokie wymagania dotyczące sprzętu do atomizacji; podatny na osadzanie się gazów spalinowych i korozję; zawartość metali ciężkich w popiele lotnym może przekraczać normy, co wymaga ścisłego monitorowania; nie może osiągnąć wykorzystania zasobów soli, a oczyszczanie różnych soli zależy od wykorzystania popiołów lotnych.

Obowiązujące scenariusze: małe i średnie-elektrownie cieplne, projekty o ograniczonej przestrzeni, pilne potrzeby związane z zerową-emisją i ograniczone budżety.

3.3.3 Proces krzepnięcia cementu

Zasada procesu: Miesza się stężoną solankę, różne sole, cement i środek zestalający. W wyniku reakcji hydratacji cementu metale ciężkie wiążą się z matrycą cementu, zmniejszając ryzyko wymywania. Gdy zestalona bryła spełnia normy, jest usuwana na składowisko.

Charakterystyka procesu:
Zalety: Prosty proces, wygodna obsługa, niski koszt; dobry efekt uzdatniania stężonej solanki o dużej zawartości metali ciężkich, skutecznie ograniczający ryzyko wymywania metali ciężkich; nadaje się do scenariuszy usuwania awaryjnego.

Ograniczenia: Odzyskiwanie zasobów nie jest możliwe; zestalony materiał jest duży i zajmuje zasoby lądowe; koszty utylizacji są wysokie i istnieje ryzyko-długoterminowego wymywania, co prowadzi do stopniowego ograniczania jego stosowania.

Obowiązujące scenariusze: Oczyszczanie stężonej solanki o wyjątkowo dużej zawartości metali ciężkich, która jest trudna do recyklingu, lub wymaga awaryjnej utylizacji.

Wybór procesu oczyszczania ścieków przez odsiarczanie w elektrowni powinien uwzględniać charakterystykę jakości wody, cele oczyszczania (zgodny zrzut/zero zrzutu), skalę elektrowni, budżet i warunki lokalizacji. Podstawowe zasady powinny być „wysoce ukierunkowane, wydajne ekonomicznie i stabilnie operacyjne”: w przypadku małych i średnich- elektrowni o ograniczonych funduszach i braku potrzeb w zakresie odzyskiwania zasobów można zastosować proces „osadzania koagulacyjnego + filtracja piasku + odparowywanie gazów spalinowych”. w przypadku dużych elektrowni o wysokich wymaganiach dotyczących zerowego-absolutorium można zastosować proces „trzy-stopni zmiękczania + ultrafiltracja + odparowanie MVR + krystalizacja przez odparowanie”; w przypadku zakładów skupiających się na odzyskiwaniu surowców z różnych soli należy połączyć procesy nanofiltracji i kriogenicznej nitryfikacji.

Podsumowując, oczyszczanie ścieków poprzez odsiarczanie w elektrowni stworzyło dojrzały system technologiczny, w którym każdy główny proces ma swoje zalety i wady: procesy wstępnej obróbki skupiają się na „usuwaniu zanieczyszczeń i redukcji twardości”, aby zapewnić stabilne późniejsze oczyszczanie; procesy głębokiej koncentracji skupiają się na „zmniejszeniu objętości” w celu zrównoważenia zużycia energii i kosztów; a procesy krzepnięcia/krystalizacji skupiają się na „nieszkodliwości + wykorzystaniu zasobów”, aby rozwiązać problem usuwania różnych soli. W przyszłości rozwój technologiczny będzie zmierzał w kierunku niskiego zużycia energii, wykorzystania zasobów i inteligencji, co umożliwi dalszą optymalizację kombinacji procesów, zmniejszenie kosztów operacyjnych, poprawę stopnia wykorzystania zasobów różnych soli oraz pomoc branży energetyki cieplnej w osiągnięciu ekologicznego-rozwoju wysokiej jakości.