王宏亮,管一明,劉濤,王小明,薛建明

(國電科學(xué)技術(shù)研究院,江蘇南京 210031)

海水煙氣脫硫系統(tǒng)排水水質(zhì)試驗研究

Experimental study on the quality of effluentwater in seawater FGD system

王宏亮,管一明,劉濤,王小明,薛建明

(國電科學(xué)技術(shù)研究院,江蘇南京 210031)

介紹了海水煙氣脫硫技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用情況,探討了海水煙氣脫硫系統(tǒng)的基本原理及工藝流程,并以海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為參照通過試驗方法研究了脫硫排水對海水本底濃度的影響。

海水;煙氣脫硫;工藝特點;排水水質(zhì)

海水煙氣脫硫工藝是利用天然海水脫除煙氣中SO2的一種脫硫方法,適用于燃煤硫分小于1.5%,并以海水作為冷卻水直流供水的沿海電廠。海水脫硫工藝的特點是:采用直流洗滌方式,系統(tǒng)簡單,運行可靠;脫硫效率高,可達90%以上;無需添加脫硫劑,也無廢棄物處置或利用問題;投資、運行費用相對較低;用于處理脫硫排水的曝氣池占地面積較大;脫硫后循環(huán)冷卻水有一定的溫升(≤1℃),并且pH值和溶解氧有少量降低[1]。海水脫硫工藝成熟可靠,投資和運行費用均低于濕式石灰石法,但由于它利用海水并又將所用海水送返海洋。因此,人們很關(guān)注其對海洋環(huán)境的影響,這也成為了影響該工藝在火電廠應(yīng)用前景的關(guān)鍵問題。

1 海水脫硫技術(shù)應(yīng)用

海水脫硫工藝原理最早是由美國加州伯克萊大學(xué)L.A.Bromley教授于19世紀(jì)60年代提出,迄今為止,該技術(shù)已有40多年的發(fā)展歷史。在前人研究基礎(chǔ)上,挪威ABB-Flakt公司與Norsk-Hydro公司合作,經(jīng)試驗臺裝置成功運行后,確立了Flakt-Hydro工藝[2],并在挪威應(yīng)用。海水脫硫工藝在火電廠的應(yīng)用源于1981年的美國關(guān)島試驗,隨后在印度TATA電力公司所屬Trombay電廠500MW機組上進行了工業(yè)性示范試驗,于1988年投入商業(yè)運行,此后逐步在火電廠中得到推廣應(yīng)用。1995年,西班牙Unelco電力公司先后在2家燃油電廠的4× 80MW機組上建成4套海水脫硫裝置;印度尼西亞Paicon電力公司4×335MW新建機組采用了海水脫硫工藝,已于1998年投入運行。在海水脫硫工藝中主要以挪威ALSTOM技術(shù)為主,已有大量工程業(yè)績并積累了較多運行經(jīng)驗。目前,世界上已經(jīng)投產(chǎn)項目中ALSTOM技術(shù)的占有率達到80%以上,其他技術(shù)還有德國比紹夫和日本富士化水等。

我國大陸海岸線長達1.84萬km,且火電機組的1/3位于海濱城市,為海水脫硫工藝的應(yīng)用提供了廣闊的市場。自從國內(nèi)第一個海水脫硫項目于1999年3月在深圳西部發(fā)電總廠4號機組投產(chǎn)之后,這一脫硫工藝逐漸被各大海濱電廠所采納。所處理的裝機容量也由最初的300MW等級發(fā)展到福建漳州后石電廠600MW等級[3],并于2009年6月在華能海門電廠百萬千瓦機組上順利實現(xiàn)應(yīng)用。隨著投運以及在建項目不斷增多,自2007年起我國涌現(xiàn)出一批自主開發(fā)并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海水脫硫項目,并逐漸實現(xiàn)了關(guān)鍵核心設(shè)備的國產(chǎn)化。表1為截止2009年底國內(nèi)投運和在建海水脫硫項目(不完全統(tǒng)計),總裝置容量達17 360MW。

表1 已投運及在建海水脫硫項目統(tǒng)計

2 基本原理

海水pH值一般為7.8～8.3,其對酸性氣體具有很大的中和吸收能力。在吸收塔內(nèi)海水吸收氣相SO2生成H2SO3,H2SO3不穩(wěn)定將分解成2H+和,而則被水中的溶解氧氧化成。但是水中7～8mg/l的溶解氧含量只能將酸性海水中少量的氧化成。具體反應(yīng)方程式如下:

海水吸收SO2后H+濃度明顯增加,酸性增強, pH值一般在3左右。要想使得脫硫后酸性海水達到排放標(biāo)準(zhǔn),就需要添加新鮮的堿性海水以提高其pH值。添加新鮮海水后,酸性海水中的H+與新鮮海水中的發(fā)生以下反應(yīng):

在進行上述中和反應(yīng)的同時,還需在海水中鼓入大量空氣進行曝氣,其作用主要是將氧化成為,并且利用其機械力將中和反應(yīng)中產(chǎn)生的大量CO2趕出水面,同時提高酸性海水的溶解氧,進而達到排放標(biāo)準(zhǔn)。

在等量的海水、自來水和蒸餾水中分別添加硫酸試劑,考察了不同水體對酸性液的緩沖能力,試驗結(jié)果見圖1[4]。從圖1可知,隨著硫酸添加量的增多,蒸餾水pH值迅速下降到3.5,而自來水和海水的加酸量分別達到90ml、140ml后混合液pH值才下降到3.5,這說明海水對酸的緩沖能力明顯優(yōu)于蒸餾水和自來水。

圖1 海水、自來水和蒸餾水對硫酸的緩沖曲線

3 工藝流程

海水脫硫工藝系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、海水恢復(fù)系統(tǒng)、供排海水系統(tǒng)、電氣與控制系統(tǒng)五部分組成[5]。

3.1 煙氣系統(tǒng)

為了確保機組的正常連續(xù)運行,與濕法脫硫系統(tǒng)一樣在煙氣系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了旁路煙道。海水脫硫系統(tǒng)正常運行時,旁路擋板門關(guān)閉,全部脫硫后煙氣經(jīng)煙囪排出。系統(tǒng)停止運行或事故時,旁路煙道開啟,海水脫硫系統(tǒng)進、出口煙道擋板門關(guān)閉,煙氣直接進入煙囪排放。

3.2 SO2吸收系統(tǒng)

吸收塔采用一爐一塔的立式方形填料塔,混凝土結(jié)構(gòu)。煙氣自吸收塔下部引進,向上流經(jīng)吸收區(qū),在填料表面與噴入吸收塔的海水充分反應(yīng),凈化后的煙氣經(jīng)塔頂部除霧器除去水滴后排出塔體。而嵩嶼電廠則是采用了鋼結(jié)構(gòu)噴淋空塔,由于空塔沒有設(shè)置填料層影響了氣液兩相的反應(yīng)程度,故提高吸收塔高度以延長反應(yīng)時間[6]。

3.3 海水恢復(fù)系統(tǒng)

曝氣池58m×37m(L×W),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。來自吸收塔的酸性海水與凝汽器排出的偏堿性海水在曝氣池內(nèi)充分混合,同時通過曝氣系統(tǒng)向池中鼓入適量壓縮空氣,使海水中的亞硫酸鹽轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定無害的硫酸鹽。同時釋放出CO2,使海水的pH值升高到6.5以上,達到排放標(biāo)準(zhǔn)后排入海中。

3.4 供排海水系統(tǒng)

深圳西部電廠采用直流式單元制供水系統(tǒng),海水脫硫系統(tǒng)水源直接取自4號機組凝汽器排出口的虹吸井,部分海水進入吸水池,經(jīng)升壓泵送入吸收塔內(nèi)洗滌煙氣,吸收塔排出的海水自流進入曝氣池,在此與虹吸井直接排入曝氣池的海水匯流并充分混合,處理后的合格海水經(jīng)4號機組排水溝入海。

3.5 電氣與控制系統(tǒng)

海水脫硫系統(tǒng)用電電壓分為6 kV和380V,大于或等于200 kW的電動機采用6 kV供電,200 kW以下的電機采用380 V供電。海水脫硫系統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、遠程控制等功能。

4 排水水質(zhì)試驗

1998年和2009年我們分別對深圳西部電廠和秦皇島電廠海水脫硫系統(tǒng)進行了中間試驗,檢測了其排水水質(zhì)。兩個電廠的排水主要檢測指標(biāo)見表2,重金屬離子的含量見表3。

表2 海水脫硫系統(tǒng)排水水質(zhì)分析

表3 重金屬含量與海水本底值比較 mg/L

從表2可以看出兩個電廠的脫硫系統(tǒng)排水主要檢測指標(biāo)絕大多數(shù)符合我國二類海水標(biāo)準(zhǔn)。表3中深圳西部電廠脫硫排水重金屬的增加比例不大,未引起海水水質(zhì)等級的變化。秦皇島電廠脫硫排水中Hg、Cd、Ni等重金屬含量較本底值增加較多,與海水本底水質(zhì)相比,脫硫系統(tǒng)的排水水質(zhì)可滿足的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級有所降低;而其余重金屬含量增加較少,均與本底值維持在同一類海水水質(zhì)等級。

在海水脫硫工藝中,排水pH、COD等非重金屬指標(biāo)主要是通過在海水恢復(fù)系統(tǒng)進行曝氣等形式使其達到排放指標(biāo);而排水中重金屬指標(biāo)主要受燃煤重金屬含量和煙塵含量的影響,控制關(guān)鍵是配備高效的除塵器,將煙氣中大部分的重金屬除去,使其在排水中的含量降到最低。

5 結(jié)語

隨著海水脫硫工藝在國內(nèi)沿海燃煤電廠應(yīng)用的增多,針對我國四大臨海海域的水質(zhì)特點均有成功應(yīng)用的實例,使得此工藝設(shè)計不斷完善。同時,國內(nèi)也逐漸完成了一系列核心設(shè)備的國產(chǎn)化,并形成自主知識產(chǎn)權(quán)。為盡量減少脫硫排水對海域水質(zhì)的影響,除了將燃煤硫分控制在設(shè)計范圍內(nèi),有效保證系統(tǒng)的設(shè)計脫硫效率外,除塵器的高效運行和海水恢復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。通過保證除塵器的高效率運行能從源頭上控制海水懸浮物和重金屬含量;合理調(diào)整曝氣池內(nèi)新鮮海水的添加位置和添加比例,并根據(jù)季節(jié)的變化調(diào)整曝氣風(fēng)機的負荷,以確保海水恢復(fù)系統(tǒng)的良好性能,使得COD、DO、pH等達到排放指標(biāo)。目前,從我國海水脫硫裝置的運行情況來看,絕大多數(shù)電廠排水指標(biāo)能達到相應(yīng)要求,其排水對周圍海域的影響較小。

[1]姚彤.深圳西部電廠海水煙氣脫硫工程及示范作用[J].電力環(huán)境保護,2000,16(1):1-3.

[2]鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[3]張志紅,唐茂平.漳州后石電廠6×600MW超臨界機組海水脫硫工藝介紹[J].中國電力,2002,35(7):69-71.

[4]宋曉東.淺談煙氣海水脫硫工藝排水對海洋環(huán)境的影響[J].山東電力高等專科學(xué)校學(xué)報,2000,3(3):44-48.

[5]陳進生.嵩嶼電廠煙氣海水脫硫工藝及特點分析[J].電力環(huán)境保護,2007,23(2):31-34.

X701.3

B

1674-8069(2010)03-005-03

2010-03-12;

2010-05-08

王宏亮(1983-),男,黑龍江鶴崗人,工程師,主要從事火電廠煙氣脫硫、脫硝及新能源研究開發(fā)工作。E-mail:hl_ wang0128@163.com

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2007AA061801)

Abstract:The application of seawater flue gas desulfurization technology in our country and abroad were introduced briefly.The basic principles and features of process flow of seawater flue gas desulfurization were described.An Exper im ental studywas carried out to analyze the effectof effluentwateron ground water quality basing on seawater quality standard.

Key words:seawater;flue gas desulfurization;process feature;effluentwater quality