Rezumat: Desulfurarea umedă a calcarului-gipsului este tehnologia principală pentru controlul emisiilor de dioxid de sulf în centralele termice. Apa uzată de desulfurare rezultată, caracterizată prin salinitate ridicată, duritate ridicată, conținut ridicat de metale grele și biodegradabilitate scăzută, reprezintă o provocare semnificativă pentru tratarea apelor uzate din centralele electrice. Această lucrare se concentrează pe sistemul de proces de bază al epurării apelor uzate de desulfurare a centralei electrice, detaliind principiile și procedurile de funcționare ale proceselor principale în fiecare etapă în funcție de fluxul de „pretratare → concentrare adâncă → tratare de solidificare/cristalizare”. Acesta analizează caracteristicile tehnice, avantajele, limitările și scenariile aplicabile ale diferitelor procese, integrând principiile de bază ale selecției proceselor pentru a oferi o referință profesională pentru selecția optimizată și funcționarea eficientă a proceselor de tratare a apelor uzate desulfurate centralelor, contribuind astfel la producția curată și transformarea ecologică a industriei termoenergetice.
Cuvinte cheie: Centrală termică; ape uzate de desulfurare; procesul de tratament; caracteristicile procesului; pretratament; concentrare profundă; tratament de cristalizare
I. Introducere
Cu standardele de emisii de mediu din ce în ce mai stricte și avansarea obiectivelor „dual carbon”, tratarea conformă a apelor uzate de desulfurare a centralei termice a devenit o verigă crucială în realizarea dezvoltării ecologice. În prezent, peste 90% dintre centralele termice din țara mea folosesc procesul de desulfurare umedă a calcarului-gipsului. Acest proces necesită spălarea turnului de desulfurare, dezaburire și a sistemului de deshidratare a gipsului cu apă curată, rezultând ape uzate de desulfurare bogate în metale grele, concentrații mari de săruri și solide în suspensie. Datorită calității sale complexe a apei și dificultății mari de tratare, eliminarea necorespunzătoare poate cauza poluarea solului și a apei, amenință, în același timp, funcționarea în siguranță a echipamentelor centralei electrice.
Tratarea apelor uzate de desulfurare a centralei electrice trebuie să respecte principiile „reducerii, inofensiunii și recuperării resurselor”, formând un sistem de proces complet de „pretratare → concentrare adâncă → tratare de solidificare/cristalizare”. Procesele diferite variază semnificativ în ceea ce privește caracteristicile tehnice, eficiența tratamentului și costurile de operare. Selecția rezonabilă a combinațiilor de procese este crucială pentru atingerea unui echilibru între tratarea conformă a apelor uzate și eficiența economică. Acest articol se concentrează pe rezumarea proceselor principale în fiecare etapă, analizând în profunzime caracteristicile procesului lor și oferind sprijin pentru selecția proceselor în industrie.
II. Caracteristicile apelor uzate de desulfurare a centralei electrice (baza de bază pentru selecția procesului)
Calitatea apelor uzate de desulfurare este afectată semnificativ de calitatea cărbunelui, puritatea calcarului și parametrii procesului de desulfurare, prezentând caracteristici generale de „patru maxime și două scăzute”, determinând direct direcția de selectare a procesului de tratare. Mai exact:
Salinitate ridicată: Solide totale dizolvate (TDS) 20.000~100.000 mg/L, atingând un maxim de 150.000 mg/L, compuse în principal din Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ și K⁺, prezentând o corozivitate extrem de puternică;
Duritate ridicată: concentrația de Ca²⁺ poate ajunge la peste 4000 mg/L. Conținutul de Mg²⁺ este de aproximativ 1600 mg/L, formând ușor depuneri insolubile care înfundă echipamentul; Conținut ridicat de metale grele: Conține mercur, cadmiu, plumb, arsenic etc., la concentrații de 0,1~10 mg/L, unele formând complexe stabile, ceea ce face îndepărtarea dificilă; Solide în suspensie ridicate (SS): Concentrație 1000~10000 mg/L, compusă în principal din particule de gips și pulbere de calcar, țevi care se abraziază ușor; Valoare scăzută a pH-ului: 4,5~6,0, slab acid, exacerbarea coroziunii echipamentului; Biodegradabilitate scăzută: BOD/COD < 0,1, greu de degradat prin metode biologice, necesitând procese fizico-chimice.
În plus, apa uzată conține, de asemenea, fluoruri, silicați și materie organică recalcitrantă, crescând și mai mult complexitatea selecției procesului, necesitând procese de tratare cu specificitate puternică și rezistență la fluctuații.
III. Procese de tratare de bază și caracteristici ale apelor uzate de desulfurare a centralei electrice
Tratarea apelor uzate de desulfurare a centralei electrice este un proiect sistematic. Fiecare etapă a procesului este interconectată și funcționează sinergic. Selectarea proceselor pentru diferite etape trebuie să se bazeze pe caracteristicile de calitate a apei, obiectivele de tratare și condițiile reale ale centralei electrice. Următoarea este o analiză detaliată a proceselor principale și a caracteristicilor de bază ale fiecărei etape.
3.1 Procese și caracteristici de pretratare Pretratarea este baza epurării apelor uzate prin desulfurare. Obiectivele sale principale sunt de a elimina solidele în suspensie, majoritatea metalelor grele, ionii de calciu și magneziu, fluorurile și silicații, reducerea turbidității și duritatea apei uzate, prevenirea depunerilor și colmatarea în procesele ulterioare și furnizarea de influenți calificați pentru un tratament avansat. Procesele principale includ coagularea și sedimentarea, înmuierea chimică și clarificarea prin filtrare. În proiectele reale, procesele combinate sunt adesea folosite.
3.1.1 Procesul de coagulare și sedimentare
Principiul procesului: În apa reziduală se adaugă coagulanți (clorură de polialuminiu, sulfat poliferric etc.) și coagulanți auxiliari (poliacrilamidă). Prin adsorbție și floculare, solidele fine în suspensie și coloizii formează flocuri mari, care sunt apoi separate prin sedimentare. Simultan, valoarea pH-ului este ajustată la 8,5-9,5 (prin adăugare de hidroxid de calciu), determinând precipitarea ionilor de metale grele sub formă de hidroxizi, iar unii ioni de fluorură sunt îndepărtați (formând precipitat de fluorură de calciu).
Caracteristicile procesului:
Avantaje: proces simplu, operare convenabilă, investiții și costuri de operare reduse; Rata de îndepărtare a solidelor în suspensie de peste 80%, rata de îndepărtare a metalelor grele de 60%-80%, poate reduce rapid turbiditatea apei uzate, potrivite pentru nevoile de pretratare ale diferitelor centrale electrice.
Limitări: Efect de îndepărtare limitat asupra sărurilor solubile și complecșilor de metale grele; necesită utilizarea împreună cu procesele chimice de înmuiere și filtrare; în condiții de COD ridicat, este necesară o tehnologie avansată de oxidare, altfel efectele ulterioare ale tratamentului vor fi afectate.
Scenarii aplicabile: pretratarea apelor uzate de desulfurare de la toate centralele electrice, potrivite în special pentru centralele electrice mici și mijlocii{0}}cu conținut ridicat de solide în suspensie și metale grele și bugete limitate.
3.1.2 Procesul de înmuiere chimică
Principiul procesului: Miezul este de a elimina ionii de calciu și magneziu pentru a reduce duritatea apei uzate. Metoda principală este precipitarea chimică, care este împărțită în calcar-soda cenuşă de înmuiere și hidroxid de sodiu-sodă cenuşă de înmuiere, în funcție de reactivii utilizați. Metoda de calciu-sodă este cea mai utilizată. În condiții de duritate ridicată și silice ridicată, se utilizează un proces de înmuiere în trei etape, adăugând secvenţial Ca(OH)₂, Na₂SO₄ și Na₂CO₃ pentru a îndepărta Mg²⁺, o parte de Ca²⁺ și restul de Ca²⁺ treptat, generând Mg(OH)₄, CaSO₃, CaCO₃, precipitat.
Caracteristicile procesului:
Avantaje: foarte țintit, reducând eficient duritatea apei uzate (Ca²⁺ mai mic sau egal cu 500mg/L, Mg²⁺ mai mic sau egal cu 1000mg/L), prevenind detartrarea în procesele ulterioare de evaporare și separare a membranei; metoda de calciu-sodă are un cost scăzut, reactivi ușor disponibili și este potrivită pentru apele reziduale cu dur-înaltă,-desulfurare cu silice ridicată.
Limitări: Dozarea reactivului necesită un control precis, altfel este probabilă poluare secundară; producția de nămol este mare, necesitând instalații de sprijinire de eliminare a nămolului; metoda hidroxidului de sodiu-carbonatul de sodiu este costisitoare și potrivită numai pentru scenarii cu cerințe de duritate a efluentului extrem de ridicate.
Scenarii aplicabile: pretratarea apelor reziduale cu duritate ridicată-, silice ridicată- și desulfurare cu-fluoruri ridicate, potrivite în special pentru procesele ulterioare, cum ar fi separarea prin membrană și evaporarea MVR, cu cerințe stricte privind duritatea influențului.
3.1.3 Procesul de filtrare și clarificare
Principiul procesului: Acest proces îndepărtează în continuare flocurile fine, solidele în suspensie și coloizii din coagulare, sedimentare și înmuiere chimică, asigurând că turbiditatea efluentului pretratat îndeplinește standardele (în general mai mică sau egală cu 100 mg/L, concentrația membranei necesită mai puțin sau egală cu 5 mg/L). Tehnologiile principale includ filtrarea cu nisip, ultrafiltrarea (UF) și filtrarea cu membrană tubulară.
Caracteristicile procesului:
Avantaje: Precizie mare de filtrare; ultrafiltrarea poate reduce turbiditatea efluentului sub 1 NTU; membranele tubulare au capacități puternice anti-încrustare și sunt ușor de curățat și întreținut; protejează eficient modulele membranare din aval și echipamentele de evaporare, îmbunătățind stabilitatea sistemului; filtrarea cu nisip este ieftină; ultrafiltrarea și membranele tubulare sunt potrivite pentru scenarii cu fluctuații mari ale calității apei.
Limitări: Filtrarea cu nisip are o eficiență limitată în îndepărtarea coloizilor fini; ultrafiltrarea și membranele tubulare au costuri de investiții mai mari, iar modulele membranare trebuie înlocuite cu regularitate (durată de viață 1-3 ani); membranele tubulare funcționează la presiuni mai mari și au un consum de energie ceva mai mare.
Scenarii aplicabile: filtrarea cu nisip este potrivită pentru sfârșitul pretratării convenționale; ultrafiltrarea și membranele tubulare sunt potrivite pentru centralele electrice în care sunt utilizate procese ulterioare de concentrare a membranei sau unde concentrația de solide în suspensie fluctuează semnificativ.
3.2 Procesul și caracteristicile de concentrare adâncă Chiar și după pretratare, apa uzată conține încă concentrații mari de săruri (TDS mai mare sau egală cu 10000 mg/L), necesitând o concentrare profundă pentru a-și reduce volumul (80%~90%). Saramura concentrată este apoi utilizată pentru solidificare/cristalizare ulterioară, în timp ce apa dulce poate fi reciclată. Procesul de bază este împărțit în două categorii principale: concentrația de separare prin membrană și concentrația de evaporare.
3.2.1 Procesul de concentrare prin separare a membranei
Principiul procesului: Pe baza permeabilității selective a membranelor, sărurile și apa sunt separate sub presiune. Tehnologiile principale includ osmoza inversă (RO), nanofiltrarea (NF) și osmoza inversă cu tuburi cu disc (DTRO). Nanofiltrarea poate realiza separarea preliminară a impurităților, punând bazele recuperării resurselor.
Caracteristicile procesului:
Avantaje: Eficiență ridicată de concentrare; Rata de recuperare a apei dulce RO 70% ~ 80%, rata de desalinizare peste 99%, permeatul poate fi reutilizat direct; DTRO are capacități puternice anti-încrustare, potrivite pentru ape uzate cu-salinitate ridicată, solide-suspendate-, raportul de concentrație poate ajunge la 10~20 de ori; Nanofiltrarea poate reține ionii divalenți, reducând sarcina proceselor ulterioare și facilitând utilizarea resurselor de săruri diverse.
Limitări: Cerințe stricte pentru calitatea apei influente; duritatea și solidele în suspensie trebuie controlate strict pentru a evita murdărirea membranei; membranele RO obișnuite nu sunt rezistente la clor ridicat, necesitând utilizarea membranelor specializate rezistente la clor{0}}; costuri mari de înlocuire a membranei (reprezentând peste 40% din costurile totale de exploatare), rezultând un prag de investiție ridicat.
Scenarii aplicabile: RO este potrivit pentru centralele electrice cu o cerere mare de concentrare și reutilizare a apelor uzate de desulfurare cu salinitate scăzută- până la-medie; DTRO este potrivit pentru apele uzate cu fluctuații mari de calitate a apei și salinitate ridicată și solide în suspensie ridicate; Nanofiltrarea este potrivită pentru proiecte axate pe utilizarea resurselor de săruri diverse.
3.2.2 Procesul de concentrare prin evaporare
Principiul procesului: Acest proces concentrează sărurile prin evaporarea apei din apele uzate prin încălzire. Este potrivit pentru ape uzate cu-salinitate ridicată (TDS mai mare sau egal cu 30000 mg/L). Tehnologiile principale includ recomprimarea mecanică a vaporilor (MVR), evaporarea prin extracție a gazului purtător și evaporarea gazelor de ardere.
Caracteristicile procesului:
Avantaje: MVR are un consum redus de energie (aproximativ 30~50 kWh/t apă), un raport de concentrație de 10~20 de ori și este potrivit pentru tratament-la scară largă; Evaporarea prin extracția gazului purtător poate utiliza căldura reziduală de la centralele electrice, are cerințe scăzute de pretratare și costuri de operare scăzute; Evaporarea gazelor de ardere are un consum de energie extrem de redus și investiții reduse, poate atinge zero descărcare de apă uzată și este potrivită pentru centralele electrice mici și mijlocii-.
Limitări: MVR are costuri mari de investiție, necesită o stabilitate ridicată a calității apei de alimentare și este predispus la detartrare și înfundare; tehnologia de evaporare a extracției gazului purtător are un prag ridicat și este în prezent mai puțin utilizată; Evaporarea gazelor de ardere necesită controlul efectului de atomizare pentru a evita coroziunea și înfundarea gazelor de ardere și necesită monitorizarea emisiilor de metale grele.
Scenarii aplicabile: MVR este potrivit pentru centralele termice-la scară mare și proiectele cu cerințe ridicate de zero-emisii; evaporarea prin extracție a gazului purtător este potrivită pentru centralele mari cu căldură reziduală disponibilă și spațiu limitat; Evaporarea gazelor arse este potrivită pentru centralele electrice mici și mijlocii-și proiecte cu zero-emisii cu bugete limitate.
3.3 Procese și caracteristici de solidificare/cristalizare Saramura concentrată profund (TDS mai mare sau egală cu 50000 mg/L) trebuie să fie inofensivă prin solidificare sau cristalizare. Unele procese pot realiza recuperarea resurselor de sare, care este un pas cheie în atingerea deversării zero a apelor uzate de desulfurare. Procesele principale includ cristalizarea prin evaporare, solidificarea prin evaporare a gazelor de ardere și solidificarea cimentului.
3.3.1 Procesul de cristalizare prin evaporare
Principiul procesului: Saramură concentrată este introdusă într-un cristalizator pentru evaporarea ulterioară a apei, determinând sărurile să ajungă la saturație și să cristalizeze. În combinație cu tehnologiile de nanofiltrare și nitrificare criogenică, este posibil să se realizeze purificarea gradată a impurităților, separând clorura de sodiu, sulfatul de sodiu și alte săruri.
Caracteristicile procesului:
Avantaje: Permite recuperarea resurselor de sare; sarea recuperată, odată ce îndeplinește standardele de puritate, poate fi refolosită ca materii prime industriale; tratament amănunțit; saramura concentrată după cristalizare este inofensivă, fără poluare secundară; potrivit pentru tratarea cu saramură concentrată cu{0}}sare; poate fi integrat cu MVR pentru o funcționare cu energie redusă-.
Limitări: costuri mari de investiții și operare; purificarea dificilă a sărurilor amestecate; sărurile amestecate produse prin procese obișnuite trebuie eliminate ca deșeuri periculoase; cerințe ridicate pentru stabilitatea calității apei de alimentare; efectul de cristalizare este foarte afectat de fluctuațiile calității apei.
Scenarii aplicabile: centrale mari; proiecte cu cerere mare pentru valorificarea resurselor de sare mixtă; potrivite în special pentru scenarii cu volume mari de ape uzate de desulfurare și valoare mare de recuperare a sării, cum ar fi centralele electrice chimice pe cărbune.
3.3.2 Procesul de evaporare și solidificare a gazelor arse
Principiul procesului: Saramura concentrată este atomizată și pulverizată în coșul de evacuare al cazanului. Căldura reziduală a gazelor de ardere (120~180 grade) provoacă evaporarea rapidă a umidității. Sarea se cristalizează și este captată cu cenușă zburătoare, formând un amestec de cenușă zburătoare. Dacă îndeplinește standardele, poate fi folosit ca materiale de construcție; în caz contrar, sunt depozitate ca deșeuri periculoase.
Caracteristicile procesului:
Avantaje: Consum extrem de redus de energie, nu necesită încălzire suplimentară, cost de investiție redus (cu 40% mai mic decât MVR); operare simplă, amprentă mică și atingerea rapidă a zero emisii; potrivit pentru tratarea diferitelor saramură concentrată.
Limitări: Cerințe ridicate pentru echipamentele de atomizare; predispus la depuneri de gaze de ardere și la coroziune; conținutul de metale grele din cenușa zburătoare poate depăși standardele, necesitând o monitorizare strictă; nu poate realiza utilizarea resurselor de sare, iar tratarea sărurilor diverse depinde de utilizarea cenușii zburătoare.
Scenarii aplicabile: centrale termice mici și mijlocii-, proiecte cu spațiu limitat, nevoi urgente de zero-emisii și bugete limitate.
3.3.3 Procesul de solidificare a cimentului
Principiul procesului: Se amestecă saramură concentrată, săruri diverse, ciment și un agent de solidificare. Prin reacția de hidratare a cimentului, metalele grele sunt fixate în matricea de ciment, reducând riscul de leșiere. După ce corpul solidificat îndeplinește standardele, acesta este eliminat prin groapa de gunoi.
Caracteristicile procesului:
Avantaje: proces simplu, operare convenabilă, cost redus; efect de tratament bun pentru saramură concentrată cu conținut ridicat de metale grele, reducând efectiv riscul de leșiere a metalelor grele; potrivite pentru scenarii de eliminare de urgență.
Limitări: recuperarea resurselor nu este posibilă; materialul solidificat este mare și ocupă resurse de teren; costurile de eliminare sunt mari și există riscul de scurgere-pe termen lung, ceea ce duce la o scădere treptată a aplicării acestuia.
Scenarii aplicabile: Tratarea saramurului concentrat cu un conținut extrem de mare de metale grele care este dificil de reciclat sau nevoi de eliminare de urgență.
IV. Principiile de bază și rezumatul procesului de selecție
Selectarea unui proces pentru tratarea apelor uzate prin desulfurare a centralei electrice ar trebui să ia în considerare caracteristicile de calitate a apei, obiectivele de tratare (deversare conformă/deversare zero), dimensiunea centralei, bugetul și condițiile amplasamentului. Principiile de bază ar trebui să fie „foarte țintite, eficiente din punct de vedere economic și operaționale stabil”: pentru centralele electrice mici și mijlocii-cu fonduri limitate și fără necesități de recuperare a resurselor, poate fi utilizat un proces de „sedimentare prin coagulare + filtrare cu nisip + evaporare a gazelor de ardere”; pentru centralele electrice mari cu cerințe ridicate de zero-descărcare, se poate utiliza un proces de „înmuiere în trei-etape + ultrafiltrare + evaporare MVR + cristalizare prin evaporare”; pentru plantele axate pe recuperarea resurselor de săruri diverse, procesele de nanofiltrare și nitrificare criogenică ar trebui combinate.
Pe scurt, tratarea apelor uzate prin desulfurare a centralei electrice a format un sistem tehnologic matur, fiecare proces principal având propriile avantaje și dezavantaje: procesele de pretratare se concentrează pe „înlăturarea impurităților și reducerea durității” pentru a asigura o epurare ulterioară stabilă; procesele de concentrare profundă se concentrează pe „reducerea volumului” pentru a echilibra consumul de energie și costul; iar procesele de solidificare/cristalizare se concentrează pe „inoxicitate + utilizarea resurselor” pentru a rezolva problema eliminării diverselor săruri. În viitor, dezvoltarea tehnologică se va trece la un consum redus de energie, utilizarea resurselor și inteligență, optimizând în continuare combinațiile de procese, reducând costurile de operare, îmbunătățind rata de utilizare a resurselor diverselor săruri și ajutând industria energiei termice să realizeze o dezvoltare ecologică și de{2}}înaltă calitate.
