Samenvatting: Kalksteen-natte ontzwaveling van gips is de belangrijkste technologie voor het beheersen van de zwaveldioxide-uitstoot in thermische energiecentrales. Het resulterende ontzwavelingsafvalwater, gekenmerkt door een hoog zoutgehalte, hoge hardheid, hoog gehalte aan zware metalen en lage biologische afbreekbaarheid, vormt een aanzienlijke uitdaging voor de afvalwaterzuivering van elektriciteitscentrales. Dit artikel richt zich op het kernprocessysteem van de ontzwaveling van afvalwaterzuivering door energiecentrales, waarbij de principes en werkingsprocedures van de reguliere processen in elke fase gedetailleerd worden beschreven volgens de stroom van "voorbehandeling → diepe concentratie → stollings-/kristallisatiebehandeling." Het analyseert de technische kenmerken, voordelen, beperkingen en toepasbare scenario's van verschillende processen, waarbij de kernprincipes van processelectie worden geïntegreerd om professionele referentie te bieden voor de geoptimaliseerde selectie en efficiënte werking van afvalwaterzuiveringsprocessen voor ontzwaveling van elektriciteitscentrales, en draagt zo bij aan de schone productie en groene transformatie van de thermische energie-industrie.
Trefwoorden: thermische energiecentrale; ontzwaveling afvalwater; behandelingsproces; proceskenmerken; voorbehandeling; diepe concentratie; kristallisatie behandeling
I. Inleiding
Met steeds strengere milieu-emissienormen en de vooruitgang van "dual carbon"-doelstellingen, is de conforme behandeling van ontzwavelingsafvalwater van thermische energiecentrales een cruciale schakel geworden in het bereiken van groene ontwikkeling. Momenteel maakt meer dan 90% van de thermische energiecentrales in mijn land gebruik van het natte ontzwavelingsproces van kalksteen-gips. Dit proces vereist het spoelen van de ontzwavelingstoren, de ontnevelaar en het gipsontwateringssysteem met schoon water, wat resulteert in ontzwavelingsafvalwater dat rijk is aan zware metalen, hoge concentraties zouten en zwevende stoffen. Vanwege de complexe waterkwaliteit en de hoge moeilijkheidsgraad van de behandeling kan onjuiste afvoer bodem- en watervervuiling veroorzaken, terwijl ook de veilige werking van de apparatuur van energiecentrales in gevaar komt.
De behandeling van ontzwavelingsafvalwater van elektriciteitscentrales moet voldoen aan de principes van "reductie, onschadelijkheid en terugwinning van hulpbronnen", waardoor een compleet processysteem ontstaat van "voorbehandeling → diepe concentratie → stollings- / kristallisatiebehandeling." Verschillende processen variëren aanzienlijk wat betreft technische kenmerken, behandelingsefficiëntie en bedrijfskosten. Een redelijke selectie van procescombinaties is cruciaal voor het bereiken van een evenwicht tussen conforme afvalwaterbehandeling en economische efficiëntie. Dit artikel richt zich op het samenvatten van de reguliere processen in elke fase, het diepgaand analyseren van hun proceskenmerken en het bieden van ondersteuning voor processelectie in de industrie.
II. Kenmerken van ontzwavelingsafvalwater van elektriciteitscentrales (kernbasis voor processelectie)
De kwaliteit van het ontzwavelingsafvalwater wordt aanzienlijk beïnvloed door de steenkoolkwaliteit, de zuiverheid van kalksteen en de parameters van het ontzwavelingsproces, die algemene kenmerken vertonen van "vier hoogtepunten en twee dieptepunten", die rechtstreeks de richting van de selectie van het behandelingsproces bepalen. Specifiek:
Hoog zoutgehalte: Totaal opgeloste vaste stoffen (TDS) 20.000~100.000 mg/l, met een maximum van 150.000 mg/l, voornamelijk samengesteld uit Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ en K⁺, met extreem sterke corrosiviteit;
Hoge hardheid: de Ca²⁺-concentratie kan meer dan 4000 mg/l bereiken. Het Mg²⁺-gehalte is ongeveer 1600 mg/l, waardoor gemakkelijk onoplosbare aanslag ontstaat die apparatuur verstopt; Hoog gehalte aan zware metalen: Bevat kwik, cadmium, lood, arseen, enz., in concentraties van 0,1~10 mg/L, waarvan sommige stabiele complexen vormen, waardoor verwijdering moeilijk wordt; Hoog zwevende vaste stoffen (SS): concentratie 1000 ~ 10.000 mg/l, voornamelijk samengesteld uit gipsdeeltjes en kalksteenpoeder, waardoor buizen gemakkelijk schuren; Lage pH-waarde: 4,5 ~ 6,0, zwak zuur, verergert corrosie van apparatuur; Lage biologische afbreekbaarheid: BZV/CZV < 0,1, moeilijk afbreekbaar met biologische methoden, waarvoor fysisch-chemische processen nodig zijn.
Bovendien bevat het afvalwater ook fluoriden, silicaten en recalcitrant organisch materiaal, waardoor de complexiteit van de processelectie verder toeneemt, waardoor behandelingsprocessen met een sterke specificiteit en veerkracht tegen schommelingen nodig zijn.
III. Kernbehandelingsprocessen en kenmerken van ontzwaveling van afvalwater van elektriciteitscentrales
Ontzwaveling van afvalwater van elektriciteitscentrales is een systematisch project. Elke procesfase is met elkaar verbonden en werkt synergetisch. De selectie van processen voor verschillende fasen moet gebaseerd zijn op de kenmerken van de waterkwaliteit, de behandelingsdoelstellingen en de feitelijke omstandigheden van de energiecentrale. Het volgende is een gedetailleerde analyse van de reguliere processen en kernkenmerken van elke fase.
3.1 Voorbehandelingsprocessen en kenmerken Voorbehandeling is de basis van de ontzwavelingsbehandeling van afvalwater. De kerndoelstellingen zijn het verwijderen van zwevende vaste stoffen, de meeste zware metalen, calcium- en magnesiumionen, fluoriden en silicaten, het verminderen van de troebelheid en hardheid van afvalwater, het voorkomen van kalkafzetting en verstopping in daaropvolgende processen, en het leveren van gekwalificeerd influent voor geavanceerde behandeling. Reguliere processen omvatten coagulatie en sedimentatie, chemische ontharding en filtratieklaring. In daadwerkelijke projecten worden vaak gecombineerde processen gebruikt.
3.1.1 Coagulatie- en sedimentatieproces
Procesprincipe: Aan het afvalwater worden coagulatiemiddelen (polyaluminiumchloride, polyferrisulfaat, enz.) en coagulatiehulpmiddelen (polyacrylamide) toegevoegd. Door adsorptie en uitvlokking vormen fijne zwevende stoffen en colloïden grote vlokken, die vervolgens door sedimentatie worden gescheiden. Tegelijkertijd wordt de pH-waarde aangepast naar 8,5-9,5 (door calciumhydroxide toe te voegen), waardoor zware metaalionen als hydroxiden neerslaan en sommige fluoride-ionen worden verwijderd (waarbij calciumfluoride-precipitaat ontstaat).
Proceskenmerken:
Voordelen: eenvoudig proces, gemakkelijke bediening, lage investerings- en bedrijfskosten; Verwijderingssnelheid van zwevende vaste stoffen van meer dan 80%, verwijderingssnelheid van zware metalen van 60% -80%, kan de troebelheid van afvalwater snel verminderen, geschikt voor de voorbehandelingsbehoeften van verschillende energiecentrales.
Beperkingen: Beperkt verwijderingseffect op oplosbare zouten en zware metaalcomplexen; vereist gebruik in combinatie met chemische onthardings- en filtratieprocessen; onder hoge CZV-omstandigheden is geavanceerde oxidatietechnologie vereist, anders zullen de daaropvolgende behandelingseffecten worden beïnvloed.
Toepasbare scenario's: Voorbehandeling van ontzwavelingsafvalwater van alle energiecentrales, vooral geschikt voor kleine en middelgrote- energiecentrales met een hoog gehalte aan zwevende vaste stoffen en zware metalen en met beperkte budgetten.
3.1.2 Chemisch onthardingsproces
Procesprincipe: De kern is het verwijderen van calcium- en magnesiumionen om de hardheid van het afvalwater te verminderen. De gangbare methode is chemische precipitatie, die wordt onderverdeeld in ontharding van kalk-natriumcarbonaat en natriumhydroxide-natriumcarbonaatontharding, op basis van de gebruikte reagentia. De kalk-natronloogmethode wordt het meest gebruikt. Onder omstandigheden met een hoge hardheid en een hoog silicagehalte wordt een verzachtingsproces in drie- fasen gebruikt, waarbij achtereenvolgens Ca(OH)₂, Na₂SO₄ en Na₂CO₃ worden toegevoegd om Mg²⁺, een deel van Ca²⁺ en het resterende Ca²⁺ stapsgewijs te verwijderen, waardoor Mg(OH)₂, CaSO₄ en CaCO₃ neerslaan.
Proceskenmerken:
Voordelen: Zeer gericht, effectief verminderen van de hardheid van het afvalwater (Ca²⁺ Minder dan of gelijk aan 500 mg/L, Mg²⁺ Minder dan of gelijk aan 1000 mg/L), waardoor kalkaanslag bij daaropvolgende verdampings- en membraanscheidingsprocessen wordt voorkomen; De kalk-natriumcarbonaatmethode heeft goedkope, gemakkelijk verkrijgbare reagentia en is geschikt voor afvalwater met hoge-hardheid en hoge-silica-ontzwaveling.
Beperkingen: De reagensdosering vereist nauwkeurige controle, anders is secundaire vervuiling waarschijnlijk; de slibproductie is groot, waardoor ondersteunende slibverwerkingsfaciliteiten nodig zijn; de natriumhydroxide-natriumcarbonaatmethode is kostbaar en alleen geschikt voor scenario's met extreem hoge eisen aan de hardheid van het afvalwater.
Toepasbare scenario's: Voorbehandeling van afvalwater met hoge-hardheid, hoog-silica en hoog-fluoride-ontzwaveling, vooral geschikt voor daaropvolgende processen zoals membraanscheiding en MVR-verdamping met strikte eisen aan de hardheid van het influent.
3.1.3 Filtratie- en zuiveringsproces
Procesprincipe: Dit proces verwijdert verder fijne vlokken, zwevende vaste stoffen en colloïden uit coagulatie, sedimentatie en chemische ontharding, waardoor wordt verzekerd dat de troebelheid van het voorbehandelde effluent aan de normen voldoet (doorgaans minder dan of gelijk aan 100 mg/l, membraanconcentratie vereist minder dan of gelijk aan 5 mg/l). Reguliere technologieën omvatten zandfiltratie, ultrafiltratie (UF) en buisvormige membraanfiltratie.
Proceskenmerken:
Voordelen: Hoge filtratienauwkeurigheid; ultrafiltratie kan de troebelheid van het effluent verminderen tot minder dan 1 NTU; buisvormige membranen hebben sterke anti- aangroeiwerende eigenschappen en zijn gemakkelijk schoon te maken en te onderhouden; beschermt effectief stroomafwaartse membraanmodules en verdampingsapparatuur, waardoor de systeemstabiliteit wordt verbeterd; zandfiltratie is goedkoop; ultrafiltratie en buismembranen zijn geschikt voor scenario's met grote schommelingen in de waterkwaliteit.
Beperkingen: Zandfiltratie heeft een beperkte effectiviteit bij het verwijderen van fijne colloïden; ultrafiltratie en buismembranen hebben hogere investeringskosten en membraanmodules moeten regelmatig vervangen worden (levensduur 1-3 jaar); buismembranen werken bij hogere drukken en hebben een iets hoger energieverbruik.
Toepasbare scenario's: Zandfiltratie is geschikt voor het einde van conventionele voorbehandeling; ultrafiltratie en buismembranen zijn geschikt voor energiecentrales waar daaropvolgende membraanconcentratieprocessen worden gebruikt of waar de concentratie zwevende vaste stoffen aanzienlijk fluctueert.
3.2 Diepe concentratieproces en kenmerken Zelfs na voorbehandeling bevat het afvalwater nog steeds hoge concentraties zouten (TDS groter dan of gelijk aan 10.000 mg/l), waardoor diepe concentratie nodig is om het volume te verminderen (80%~90%). De geconcentreerde pekel wordt vervolgens gebruikt voor daaropvolgende stolling/kristallisatie, terwijl het zoete water kan worden gerecycled. Het kernproces is onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: membraanscheidingsconcentratie en verdampingsconcentratie.
3.2.1 Concentratieproces van membraanscheiding
Procesprincipe: Op basis van de selectieve permeabiliteit van membranen worden zouten en water onder druk gescheiden. Reguliere technologieën omvatten omgekeerde osmose (RO), nanofiltratie (NF) en omgekeerde osmose met schijfbuizen (DTRO). Nanofiltratie kan een voorlopige scheiding van onzuiverheden bewerkstelligen, waardoor de basis wordt gelegd voor het terugwinnen van hulpbronnen.
Proceskenmerken:
Voordelen: Hoge concentratie-efficiëntie; RO zoetwaterterugwinningspercentage 70% ~ 80%, ontziltingspercentage meer dan 99%, permeaat kan direct worden hergebruikt; DTRO heeft sterke anti-fouling-eigenschappen, geschikt voor hoog-zoutgehalte, hoog-zwevende-vaste stoffen afvalwater, concentratieverhouding kan 10~20 keer bedragen; Nanofiltratie kan tweewaardige ionen vasthouden, waardoor de belasting van daaropvolgende processen wordt verminderd en het gebruik van diverse zouten wordt vergemakkelijkt.
Beperkingen: Strenge eisen aan de kwaliteit van het influentwater; hardheid en zwevende deeltjes moeten strikt worden gecontroleerd om membraanvervuiling te voorkomen; gewone RO-membranen zijn niet bestand tegen een hoog chloorgehalte, waardoor het gebruik van gespecialiseerde chloor-resistente membranen vereist is; hoge membraanvervangingskosten (goed voor ruim 40% van de totale bedrijfskosten), resulterend in een hoge investeringsdrempel.
Toepasbare scenario's: RO is geschikt voor energiecentrales met een grote vraag naar concentratie en hergebruik van ontzwavelingsafvalwater met een laag- tot- matig zoutgehalte; DTRO is geschikt voor afvalwater met grote schommelingen in de waterkwaliteit, een hoog zoutgehalte en hoge zwevende deeltjes; Nanofiltratie is geschikt voor projecten die zich richten op het gebruik van diverse zouten.
3.2.2 Verdampingsconcentratieproces
Procesprincipe: Bij dit proces worden zouten geconcentreerd door water uit afvalwater te verdampen door middel van verwarming. Het is geschikt voor afvalwater met een hoog-zoutgehalte (TDS groter dan of gelijk aan 30.000 mg/l). Reguliere technologieën omvatten mechanische damprecompressie (MVR), verdamping van draaggasextractie en rookgasverdamping.
Proceskenmerken:
Voordelen: MVR heeft een laag energieverbruik (ongeveer 30~50 kWh/t water), een concentratieverhouding van 10~20 keer, en is geschikt voor behandeling op grote- schaal; verdamping van draaggasextractie kan restwarmte van energiecentrales gebruiken, heeft lage voorbehandelingsvereisten en lage bedrijfskosten; rookgasverdamping heeft een extreem laag energieverbruik en lage investeringen, kan geen afvalwaterlozing bereiken en is geschikt voor kleine en middelgrote- energiecentrales.
Beperkingen: MVR heeft hoge investeringskosten, vereist een hoge stabiliteit van de voedingswaterkwaliteit en is gevoelig voor kalkaanslag en verstopping; De verdampingstechnologie voor de extractie van draaggas heeft een hoge drempel en wordt momenteel minder algemeen gebruikt; De verdamping van rookgassen vereist beheersing van het vernevelingseffect om corrosie en verstopping van het rookkanaal te voorkomen, en vereist monitoring van de uitstoot van zware metalen.
Toepasbare scenario's: MVR is geschikt voor grootschalige thermische energiecentrales en projecten op grote-schaal met hoge emissie-eisen-; verdamping van draaggasextractie is geschikt voor grote energiecentrales met beschikbare restwarmte en beperkte ruimte; rookgasverdamping is geschikt voor kleine en middelgrote-elektriciteitscentrales en nul-emissieprojecten met beperkte budgetten.
3.3 Processen en kenmerken van stollings-/kristallisatie Diepgeconcentreerde pekel (TDS groter dan of gelijk aan 50.000 mg/l) moet onschadelijk worden gemaakt door middel van stolling of kristallisatie. Sommige processen kunnen het terugwinnen van zoutbronnen bewerkstelligen, wat een belangrijke stap is in het bereiken van nullozing van ontzwavelingsafvalwater. Reguliere processen omvatten verdampingskristallisatie, stolling van rookgasverdamping en stolling van cement.
3.3.1 Verdampingskristallisatieproces
Procesprincipe: Geconcentreerde pekel wordt in een kristallisator gebracht voor verdere verdamping van water, waardoor de zouten verzadiging bereiken en uitkristalliseren. Gecombineerd met nanofiltratie- en cryogene nitrificatietechnologieën is het mogelijk om een geleidelijke zuivering van onzuiverheden te bereiken, waarbij natriumchloride, natriumsulfaat en andere zouten worden gescheiden.
Proceskenmerken:
Voordelen: Maakt herstel van zoutbronnen mogelijk; teruggewonnen zout kan, zodra het aan de zuiverheidsnormen voldoet, worden hergebruikt als industriële grondstof; grondige behandeling; geconcentreerde pekel na kristallisatie is onschadelijk, zonder secundaire vervuiling; geschikt voor hoog-zoutgeconcentreerde pekelbehandeling; kan worden geïntegreerd met MVR voor een energiezuinige werking-.
Beperkingen: Hoge investerings- en exploitatiekosten; moeilijke zuivering van gemengde zouten; gemengde zouten die via gewone processen worden geproduceerd, moeten als gevaarlijk afval worden verwijderd; hoge eisen aan de stabiliteit van de voedingswaterkwaliteit; Het kristallisatie-effect wordt sterk beïnvloed door schommelingen in de waterkwaliteit.
Toepasbare scenario's: grote energiecentrales; projecten met een grote vraag naar herstel van gemengde zoutbronnen; vooral geschikt voor scenario's met grote ontzwavelingsafvalwatervolumes en een hoge zoutterugwinningswaarde, zoals kolenchemische elektriciteitscentrales.
3.3.2 Rookgasverdamping en stollingsproces
Procesprincipe: Geconcentreerde pekel wordt verneveld en in het staartkanaal van de ketel gespoten. De restwarmte van het rookgas (120~180 graden) zorgt voor een snelle verdamping van vocht. Het zout kristalliseert en wordt opgevangen met vliegas, waardoor een vliegasmengsel ontstaat. Als het aan de normen voldoet, kan het als bouwmateriaal worden gebruikt; anders wordt het als gevaarlijk afval gestort.
Proceskenmerken:
Voordelen: Extreem laag energieverbruik, geen extra verwarming nodig, lage investeringskosten (40% lager dan MVR); eenvoudige bediening, kleine voetafdruk en snelle verwezenlijking van nul-emissies; geschikt voor de behandeling van diverse geconcentreerde pekel.
Beperkingen: Hoge eisen aan vernevelingsapparatuur; gevoelig voor rookgasafzetting en corrosie; Het gehalte aan zware metalen in vliegas kan de normen overschrijden, wat strikte monitoring vereist; kan het gebruik van zoutbronnen niet bereiken, en de behandeling van diverse zouten is afhankelijk van het gebruik van vliegas.
Toepasbare scenario's: kleine en middelgrote- thermische energiecentrales, projecten met beperkte ruimte, dringende behoeften aan nul- emissies en beperkte budgetten.
3.3.3 Cementstollingsproces
Procesprincipe: Geconcentreerde pekel, diverse zouten, cement en een stollingsmiddel worden gemengd. Door de cementhydratatiereactie worden zware metalen in de cementmatrix gefixeerd, waardoor het risico op uitloging wordt verminderd. Nadat het gestolde lichaam aan de normen voldoet, wordt het via een stortplaats afgevoerd.
Proceskenmerken:
Voordelen: Eenvoudig proces, gemakkelijke bediening, lage kosten; goed behandelingseffect voor geconcentreerde pekel met een hoog gehalte aan zware metalen, waardoor het risico op uitloging van zware metalen effectief wordt verminderd; geschikt voor noodverwijderingsscenario's.
Beperkingen: Herstel van hulpbronnen is niet mogelijk; het gestolde materiaal is groot en neemt landvoorraden in beslag; de verwijderingskosten zijn hoog en er bestaat een risico op uitloging op lange- termijn, wat leidt tot een geleidelijke afname van de toepassing ervan.
Toepasbare scenario's: Behandeling van geconcentreerde pekel met een extreem hoog gehalte aan zware metalen die moeilijk te recyclen is, of noodafvoer.
IV. Kernprincipes en samenvatting van processelectie
Bij de selectie van een proces voor de ontzwaveling van afvalwater van elektriciteitscentrales moet rekening worden gehouden met de kenmerken van de waterkwaliteit, de behandelingsdoelstellingen (conforme lozing/geen lozing), de schaal van de energiecentrale, het budget en de omstandigheden ter plaatse. De kernprincipes moeten 'zeer doelgericht, economisch efficiënt en stabiel operationeel' zijn: voor kleine en middelgrote- energiecentrales met beperkte middelen en zonder terugwinning van hulpbronnen kan een proces van 'coagulatiesedimentatie + zandfiltratie + rookgasverdamping' worden gebruikt; voor grote energiecentrales met hoge nul--lozingsvereisten kan een "drie--trapsontharding + ultrafiltratie + MVR-verdamping + verdampingskristallisatie"-proces worden gebruikt; voor installaties die zich richten op het terugwinnen van diverse zouten, moeten nanofiltratie- en cryogene nitrificatieprocessen worden gecombineerd.
Samenvattend heeft de ontzwaveling van afvalwaterzuivering door elektriciteitscentrales een volwassen technologisch systeem gevormd, waarbij elk mainstream proces zijn eigen voor- en nadelen heeft: voorbehandelingsprocessen zijn gericht op "verwijdering van onzuiverheden en vermindering van de hardheid" om een stabiele daaropvolgende behandeling te garanderen; processen van diepe concentratie zijn gericht op "volumereductie" om het energieverbruik en de kosten in evenwicht te brengen; en stollings-/kristallisatieprocessen richten zich op "onschadelijkheid + gebruik van hulpbronnen" om het probleem van diverse zoutverwijdering op te lossen. In de toekomst zal de technologische ontwikkeling zich ontwikkelen in de richting van een laag energieverbruik, een lager gebruik van hulpbronnen en intelligentie, waardoor procescombinaties verder worden geoptimaliseerd, de bedrijfskosten worden verlaagd, de benuttingsgraad van diverse zouten wordt verbeterd en de thermische energie-industrie wordt geholpen een groene en hoogwaardige ontwikkeling- te bereiken.