曹雪松,徐享南,楊寶森
(華能?chē)?guó)際電力股份有限公司大連電廠,遼寧 大連 116113)
我國(guó)發(fā)電量構(gòu)成中,火電占70%以上,火力發(fā)電仍然是主力軍?;鹆Πl(fā)電廠在日常生產(chǎn)中,輸煤系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵,同時(shí)在輸煤系統(tǒng)各處產(chǎn)生煤粉堆積。為了消除自燃等安全隱患,保持輸煤系統(tǒng)良好的工作環(huán)境,火電廠一般采用不同種類(lèi)的除塵器定期對(duì)煤倉(cāng)間、轉(zhuǎn)運(yùn)站、碎煤機(jī)室等部位進(jìn)行清掃吹灰,對(duì)輸煤棧橋等部位進(jìn)行水沖洗,沖洗排水與煤場(chǎng)及翻車(chē)機(jī)區(qū)域雨水沖刷、煤場(chǎng)降塵水匯集形成含煤廢水,日常廢水量約為30 m3/h,雨季可達(dá)到50 m3/h。由于含煤廢水是水沖洗煤粉堆積地形成的,所以,其雜質(zhì)主要包括不溶于水的小鐵器、小石塊、煤粉顆粒及一些浮游物等組成的固態(tài)雜質(zhì),以及有機(jī)高分子、菌、藻類(lèi)以及 Mg(OH)2(特別是膠體形態(tài))等組成的其他狀態(tài)雜質(zhì)。
隨著我國(guó)水資源日趨緊缺和環(huán)境保護(hù)要求的提高,對(duì)電廠環(huán)境指標(biāo)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。這就要求必須通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新,尋求新方法、探索新技術(shù),提高含煤廢水的重復(fù)利用率,最終實(shí)現(xiàn)電廠末端廢水經(jīng)處理全部回收利用。因此,結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)手段,采取多種處理方法,實(shí)現(xiàn)水煤分離、水質(zhì)凈化、水源重復(fù)利用、節(jié)能減排,提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益是火電廠燃料系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的重要工作。
我國(guó)傳統(tǒng)的含煤廢水處理工藝[1-4]不僅技術(shù)落后,而且潛在風(fēng)險(xiǎn)極大,極大地加快了附屬設(shè)備的磨損速度,即使有機(jī)械化設(shè)備也僅僅局限于半自動(dòng)化,處理手段和處理效率遠(yuǎn)不能達(dá)到現(xiàn)階段的生產(chǎn)需求,這些都嚴(yán)重制約著火電廠燃料系統(tǒng)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段也對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了不同程度的研究[5-7],但都存在原料所需量過(guò)大,處理后水質(zhì)所含化學(xué)成分太多,達(dá)不到回收利用標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。
根據(jù)調(diào)查,在國(guó)內(nèi)大多數(shù)火電廠的最初設(shè)計(jì)中,輸煤系統(tǒng)的粉塵處理都是采用負(fù)壓吸塵器進(jìn)行除塵,但由于人員安排、除塵設(shè)備效率低等問(wèn)題,現(xiàn)階段大多數(shù)火電廠均采用水沖洗的辦法來(lái)對(duì)棧橋進(jìn)行除塵。對(duì)于含煤廢水處理的初設(shè)計(jì)是采用地溝、增壓泵等將棧橋各處的含煤廢水進(jìn)行匯總,經(jīng)初步沉淀后分兩步進(jìn)行利用或處理,一部分經(jīng)過(guò)第2步靜置后,用于煤場(chǎng)降塵用的煤場(chǎng)噴水,另一部分進(jìn)入化學(xué)制水班進(jìn)行再處理后回收或排放。其處理流程如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)含煤廢水處理流程
(1)含煤廢水中的粉塵顆粒物較輕,密度又與水相近,不易依靠重力沉淀。該工藝只能除去密度較大的雜質(zhì),對(duì)廢水中的浮游顆粒及色素很難進(jìn)行處理。該工藝處理后,含煤廢水色素未有明顯變化,絮狀物及其他懸浮物質(zhì)量濃度仍在2 000~2 400 mg/L。無(wú)論二次利用還是再處理后排放都不能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。
(2)經(jīng)過(guò)初沉池后進(jìn)入化學(xué)制水班的部分。由于近年來(lái)煤質(zhì)較差,棧橋沖洗頻繁,含煤廢水的生產(chǎn)量越來(lái)越大,同時(shí)含煤廢水的懸浮物濃度越來(lái)越高,增加了化學(xué)班的運(yùn)行成本和處理工藝,化學(xué)班已無(wú)力支撐如此多的廢水處理,現(xiàn)已關(guān)閉廢水通道,要求將含煤廢水直接排至煤場(chǎng)。
(3)進(jìn)入煤場(chǎng)邊水井中的部分。由于含煤廢水的懸浮物濃度越來(lái)越高且不易進(jìn)行物理沉淀,所以水質(zhì)極差,現(xiàn)廢水中的高濃度懸浮物已使增壓泵、噴射水槍有不同程度地結(jié)垢堵塞,同時(shí)一些小沙粒、小石子的存在致使增壓泵磨損嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了煤場(chǎng)噴水系統(tǒng)的正常運(yùn)行,帶來(lái)了貯煤場(chǎng)自燃的隱患。
新投入的含煤廢水處理系統(tǒng)由煤水沉淀池、煤水提升泵、電子絮凝器、離心澄清反應(yīng)器、中間水池、中間水泵、多介質(zhì)過(guò)濾器等組成。該系統(tǒng)由可編程邏輯控制器(PLC)控制,從廢水進(jìn)入系統(tǒng)到可回收利用清水的整個(gè)過(guò)程連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行(如圖2所示)。
圖2 含煤廢水處理系統(tǒng)流程
含煤廢水經(jīng)過(guò)第1步沉淀后進(jìn)入煤水初沉池,在煤水初沉池中靜置進(jìn)行第2步沉淀,沉淀后可清除大部分大顆粒雜質(zhì),之后再經(jīng)過(guò)2臺(tái)煤水提升泵(一用一備)加壓進(jìn)入電子絮凝器。
電子絮凝反應(yīng)原理:以特殊電極板通特低壓直流電后產(chǎn)生電場(chǎng),細(xì)小帶電顆粒、膠體、大分子的蛋白質(zhì)、病毒粒子、細(xì)胞等在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng),碰撞、壓縮雙電子層脫穩(wěn),導(dǎo)致雙電層壓縮脫穩(wěn)、絮凝,形成的絮體可以吸附細(xì)小的膠體等物質(zhì)形成大顆粒加速沉淀。
經(jīng)過(guò)電子絮凝器后進(jìn)入離心沉淀器進(jìn)行固液分離,離心沉淀器采用水力學(xué)中的離心原理,水流沿切線(xiàn)方向進(jìn)入反應(yīng)器,做螺旋運(yùn)動(dòng)。在聚苯乙烯泡沫(EPS)顆粒攔截和離心力的共同作用下,經(jīng)電子絮凝器及離心沉淀器處理后的無(wú)極性顆粒被附著在分離器壁上,分離出的顆粒在重力作用下最后聚積在下方的容器里,通過(guò)PLC控制電動(dòng)閥定時(shí)將淤泥排出。經(jīng)離心分離后的水從反應(yīng)器的上端溢流到中間水池。定時(shí)啟動(dòng)攪拌機(jī),清除吸附在EPS顆粒上的淤泥,使之沉淀。經(jīng)過(guò)電子絮凝器和離心沉淀器可清除細(xì)小帶電顆粒、膠體、大分子的蛋白質(zhì)等物質(zhì)。
中間池經(jīng)過(guò)中間水泵加壓后進(jìn)入過(guò)濾器組。為了進(jìn)一步保障出水水質(zhì),在“電子絮凝器+離心沉淀器”后面設(shè)置過(guò)濾器,通過(guò)濾料截留懸浮物,以達(dá)到凈水的目的。當(dāng)截留到飽和程度后,通過(guò)壓差或時(shí)間控制反洗來(lái)凈化濾料,保證其截留能力。經(jīng)過(guò)過(guò)濾器組后,可清除98%以上的懸浮物。經(jīng)過(guò)過(guò)濾器組的含煤廢水已經(jīng)達(dá)到重復(fù)利用標(biāo)準(zhǔn),直接進(jìn)入蓄水池(清水池),達(dá)到再利用標(biāo)準(zhǔn)的清水用清水泵送至煤場(chǎng)噴水或輸煤棧橋沖洗水系統(tǒng)往復(fù)利用。
整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)啟自動(dòng)運(yùn)行之后,排污閥先自動(dòng)打開(kāi)排污,延時(shí)2 min關(guān)閉,原水泵中間水泵高液位啟動(dòng),低液位停止;原水泵自動(dòng)啟動(dòng)10 s后電子絮凝器正向開(kāi)啟運(yùn)行,10 min后變反相運(yùn)行,電子絮凝器正負(fù)極互換運(yùn)行;電動(dòng)閥依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)排污;過(guò)濾器、電子絮凝器依據(jù)時(shí)間、壓差、濁度自動(dòng)反沖洗。反洗順序:先反洗#1過(guò)濾器90 s,延時(shí)2 s再反洗#2過(guò)濾器。依次反洗完5個(gè)過(guò)濾器,再?zèng)_洗電子絮凝器,電子絮凝器沖洗時(shí)會(huì)自動(dòng)停止原水泵運(yùn)行,反洗完成后,原水泵再依據(jù)原水池高液位啟動(dòng)運(yùn)行(以上所有運(yùn)行時(shí)間、參數(shù)均可調(diào))。整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控流程圖如圖3所示。
2.3.1 減少了助凝劑的消耗
經(jīng)過(guò)調(diào)查,在舊版的含煤廢水處理裝置中,要利用助凝劑與絮凝劑進(jìn)行絮凝,不同的煤質(zhì)要求有不同的絮凝劑與水的比例,人為配置工作繁雜,同時(shí)絮凝劑與煤水處理效果關(guān)聯(lián)甚密,要提高處理效率,所需藥品數(shù)量較大,但電子絮凝方法(電子絮凝器如圖4所示)采用單一操作即可沉淀去除大量污染物,此技術(shù)具有顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),初期投入及運(yùn)行成本都大大低于化學(xué)絮凝法。絕大多數(shù)化學(xué)絮凝法固有的缺陷是:這是一個(gè)添加附加化學(xué)藥劑來(lái)改變廢水中溶解態(tài)和懸浮狀污染物的物理狀況,從而促進(jìn)對(duì)這些物質(zhì)的分離和去除的過(guò)程,添加化學(xué)劑不僅增加費(fèi)用,同時(shí)也增加了處理后水中溶解狀物質(zhì)的含量,而且將產(chǎn)生極大量的淤泥狀沉淀物(電子絮凝法所生成的沉淀物僅為化學(xué)法的0.5%)。因此,用戶(hù)需要對(duì)這些沉淀物進(jìn)行進(jìn)一步處理,也增加了此方法的成本。
圖3 含煤廢水處理系統(tǒng)流程(截屏)
圖4 電子絮凝器
相對(duì)于化學(xué)絮凝法和普通沉淀法,電子絮凝器可以實(shí)現(xiàn)更多的功能,其產(chǎn)物相對(duì)較少。污水在經(jīng)過(guò)電子絮凝系統(tǒng)時(shí)會(huì)發(fā)生獨(dú)特的電子化學(xué)過(guò)程,包括:電荷凝聚作用——極板通電后會(huì)產(chǎn)生電荷,電荷吸引周?chē)男☆w粒,打破物質(zhì)原先的穩(wěn)定狀態(tài),并通過(guò)改變顆粒的極性使小顆粒互相黏合形成新的大顆粒從而易于沉淀;破乳化作用——電流將H2O分解為氫氧離子,這些氫氧離子與溶解狀態(tài)乳化油、油泥、染料等分子中的氫氧離子結(jié)合形成水分子,同時(shí)將油、油泥、染料等置換出來(lái)形成非溶解狀態(tài)物質(zhì),并沉淀;形成鹵素絡(luò)合物——極板在通電后同時(shí)會(huì)產(chǎn)生金屬離子,這些金屬離子與污水中的氯化碳?xì)浠衔镏械穆入x子結(jié)合形成易于沉淀的絡(luò)合物,去除的污染物包括殺蟲(chóng)劑、除草劑、化多氯化聯(lián)二苯(PCB)等;漂白——極板周?chē)a(chǎn)生的氧離子還具有漂白作用,游離氧離子與有機(jī)色素發(fā)生反應(yīng),從而起到漂白作用;電子泛流——水中存在的大量電子流消除了水合物的極性,使膠體物質(zhì)游離并沉淀,同時(shí)電荷量的提高會(huì)形成滲透壓而殺死細(xì)菌、胞囊病毒等。
2.3.2 過(guò)濾器組的利用極大提高了過(guò)濾效果
經(jīng)過(guò)調(diào)查,以前的含煤廢水處理系統(tǒng)只采用1個(gè)過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾,過(guò)濾效率低、效果差,而且未考慮1個(gè)過(guò)濾器發(fā)生故障時(shí)的情況。該電廠采用5個(gè)過(guò)濾器為1組的過(guò)濾器組(如圖5所示),不僅提高了過(guò)濾效率,改善了過(guò)濾效果,同時(shí)為過(guò)濾器的反洗提供了便利:當(dāng)過(guò)濾器反洗時(shí),用4個(gè)過(guò)濾器反洗另一個(gè),依次進(jìn)行。最主要的是,5個(gè)過(guò)濾器都可以單個(gè)運(yùn)行,大大提高了安全系數(shù),充分考慮了各種意外情況。
圖5 多介質(zhì)過(guò)濾器組
雖然這套新設(shè)備涵蓋了很多新科技,也與舊設(shè)備充分連接,但實(shí)際運(yùn)行中依然出現(xiàn)了一些問(wèn)題。
在運(yùn)行初期,經(jīng)過(guò)1天的調(diào)試,發(fā)現(xiàn)出水濁度太大,排入凈水池的水質(zhì)達(dá)不到要求,主要是清水池中含有大量顆粒粒徑在0~200 nm的膠體物質(zhì)沒(méi)有絮凝被過(guò)濾,造成水質(zhì)渾濁,懸浮物(SS)質(zhì)量濃度≥1 800 mg/L。經(jīng)過(guò)認(rèn)真排查,發(fā)現(xiàn)電子絮凝器絮凝不充分,導(dǎo)致處理后的水質(zhì)有膠狀物、絮狀物存在,達(dá)不到重復(fù)利用的水質(zhì)要求。查閱相關(guān)資料[8-9]發(fā)現(xiàn):電子絮凝過(guò)程中極板溶出、絮凝和氣浮作用的動(dòng)力來(lái)源于電流,通常電流密度大、電子絮凝效率就高。但有試驗(yàn)[10]指出:采用電子絮凝法處理廢水中的總磷(TP),原水TP為2.5~3.5 mg/L,電流密度分別為10,20 A/m2時(shí),出水TP分別為0.98,1.76 mg/L;而當(dāng)電流密度提高到40 A/m2時(shí),出水TP則大幅降低到0.06 mg/L,電流密度提高到100 A/m2時(shí),出水TP 不能檢出。然而,電流密度過(guò)大易引起電極過(guò)度極化,加速電極鈍化和增加槽壓,引起更多的副反應(yīng):陽(yáng)極產(chǎn)生過(guò)多的金屬陽(yáng)離子,影響絮凝劑的生成;陰極析氫過(guò)多,干擾和削弱絮凝作用。所以,該電廠采用以5 A為梯度調(diào)整電流檢測(cè)出水濁度的辦法,最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流調(diào)至65 A時(shí),處理效果最佳(見(jiàn)表1)。于是將電子絮凝器的電流設(shè)定在65 A,該問(wèn)題得到解決。
表1 電子絮凝器對(duì)含煤廢水處理結(jié)果的影響試驗(yàn)
在新設(shè)備建好后,電廠的含煤廢水處理效率明顯提高,但由于新設(shè)備直接連接在舊管道上,舊廢水管道從污水池直接導(dǎo)向清水池中,而閥門(mén)老化導(dǎo)致密閉情況不是特別好,會(huì)存在污水通過(guò)縫隙直接導(dǎo)入清水池中的情況,致使清水池中水質(zhì)惡化,達(dá)不到重復(fù)使用要求。該電廠經(jīng)過(guò)技術(shù)分析、資金比對(duì)后,決定對(duì)現(xiàn)有排污管道進(jìn)行改造,將原本從污水池流向清水池的管道進(jìn)行截?cái)啵冉鉀Q了污水進(jìn)入清水池的問(wèn)題,又為廠里節(jié)約了一段管道,可以進(jìn)行廢物再利用。改造后,清水池水質(zhì)情況良好,污水進(jìn)入清水池的問(wèn)題得到徹底解決,大大節(jié)省了人力和水資源。
經(jīng)過(guò)一系列設(shè)備改造,含煤廢水處理系統(tǒng)現(xiàn)已基本穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)輸煤系統(tǒng)粉塵治理和煤水系統(tǒng)節(jié)能減排起到了關(guān)鍵作用。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察和采樣分析,該套系統(tǒng)處理效果良好,處理后水質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 含煤廢水處理系統(tǒng)處理結(jié)果檢測(cè)
對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):
(1)電子絮凝器未調(diào)節(jié)之前,廢水處理效果不佳,雜質(zhì)主要為膠狀物、絮狀物,SS含量較高。經(jīng)過(guò)1周的緊急排查,發(fā)現(xiàn)為電子絮凝器的電流設(shè)置問(wèn)題,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)將電流調(diào)至合適檔位后,SS含量明顯下降。
(2)由于檢測(cè)時(shí)間不同,含煤廢水處理系統(tǒng)反洗時(shí)間不同,SS含量和濁度仍會(huì)出現(xiàn)小偏差,但整體上仍保持SS含量在30 mg以下,證明該套設(shè)備處理能力良好,水質(zhì)恢復(fù)充分,完全滿(mǎn)足輸煤棧橋現(xiàn)場(chǎng)沖地水和煤場(chǎng)降塵用水標(biāo)準(zhǔn)要求,每年可節(jié)約原水20萬(wàn)t,達(dá)到了節(jié)能減排和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。
(3)雖然該套設(shè)備處理效果良好,但SS含量仍在20~30 mg之間,未達(dá)到國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),該套設(shè)備仍有很多需要改進(jìn)的方面,在后續(xù)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,仍需不斷思考,積極改進(jìn)。
在實(shí)際運(yùn)行工作中發(fā)現(xiàn),整套系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行,但缺少報(bào)警程序,在剛開(kāi)始的調(diào)試工作中,因?yàn)橹虚g水泵的故障險(xiǎn)些造成清水泵損傷。作者建議在控制系統(tǒng)中增加報(bào)警程序(可設(shè)置聲音報(bào)警和彈窗提示),同時(shí)增加發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行功能。因?yàn)樵谳斆撼炭厥也荒芤恢标P(guān)注含煤廢水處理系統(tǒng),增加該功能后可大大降低值班員的工作強(qiáng)度,同時(shí)大幅提高安全系數(shù)。
因?yàn)樵撎缀簭U水裝置是在利用并改造舊設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,所以有一些舊設(shè)備未集成在控制系統(tǒng)中,例如目前含煤廢水是先匯集在廢水池中,由運(yùn)行人員判斷廢水池的水位,并手動(dòng)打開(kāi)煤水提升泵,經(jīng)初步沉淀的廢水送至初沉池。作者建議將此處的煤水提升泵自動(dòng)程序恢復(fù),并集成在控制系統(tǒng)中,既方便運(yùn)行人員操作,節(jié)省了人力物力,同時(shí)提高了工作效率。
對(duì)該套含煤廢水處理系統(tǒng)在不同工況下的處理情況調(diào)查后發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)內(nèi)的原水泵與中間水泵出力能力不同,中間池儲(chǔ)水能力較弱,中間泵出力卻較大,原水池儲(chǔ)水較多,原水泵出力卻較小。雖然現(xiàn)在不影響設(shè)備運(yùn)行,但為了提高廢水處理效率,作者建議調(diào)整2臺(tái)泵的出力,使原水泵出力大于中間水泵出力,同時(shí)將原水泵啟動(dòng)條件調(diào)整至中間池水位1.6 m,中間泵啟動(dòng)條件調(diào)至清水池水位3.5 m及中間池水位4.0 m,中間泵停止條件調(diào)至清水池水位3.5 m及中間池水位1.8 m。調(diào)整后當(dāng)清水池水位低于3.5 m時(shí),中間泵啟動(dòng),當(dāng)中間泵從4.0 m降至1.8 m時(shí),原水泵啟動(dòng)。因?yàn)樵贸隽Υ笥谥虚g水泵,所以在2臺(tái)泵同時(shí)工作時(shí),中間池水位處于上升狀態(tài),當(dāng)升至4.0 m時(shí),原水泵停止。這樣可以一直保證清水池處于補(bǔ)水狀態(tài),不至于發(fā)生噴水時(shí)停噴補(bǔ)水的情況。
(1)該套含煤廢水處理系統(tǒng)用于火力發(fā)電站含煤廢水處理效果良好,處理能力可達(dá)50 m3/h,水源回收利用效率高,設(shè)備運(yùn)行安全、穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)便,無(wú)藥品等消耗性原料,濾料使用壽命長(zhǎng),運(yùn)行成本低,利于電廠提質(zhì)增效、節(jié)能減排,減少了煤場(chǎng)噴水泵的維修費(fèi)用,同時(shí)減少了助凝劑的消耗,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益,與傳統(tǒng)或舊的處理工藝相比有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
(2)該套系統(tǒng)雖然提高了經(jīng)濟(jì)效益,但實(shí)際運(yùn)行工作中仍略有不足,在初步的調(diào)試過(guò)程中,該電廠已自行研究解決了一些簡(jiǎn)單問(wèn)題,提高了工作效率,改善了處理效果。
(3)該套設(shè)備在投入初期已實(shí)現(xiàn)了基本目標(biāo),但出于提高處理效果和加強(qiáng)安全性方面考慮,本文提出的優(yōu)化方案可提高實(shí)際運(yùn)行中的安全系數(shù),增強(qiáng)持續(xù)工作的能力,進(jìn)一步改善處理效果,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化無(wú)人值守的目標(biāo)。