吳火強(qiáng)，毛 進(jìn)，王 璟，王正江，王一坤，劉亞鵬

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褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)特點(diǎn)及其回用工藝

吳火強(qiáng)，毛 進(jìn)，王 璟，王正江，王一坤，劉亞鵬

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

依托某電廠褐煤煙氣水分冷凝回收中試裝置，重點(diǎn)研究了冷凝換熱器冷卻水溫度、冷卻水流量和煙氣流量對(duì)冷凝回收水質(zhì)的影響規(guī)律，總結(jié)了冷凝水水質(zhì)特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，提出了煙氣冷凝水回用脫硫系統(tǒng)及鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的技術(shù)路線，完成了煙氣冷凝水超濾-反滲透雙膜處理工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：冷凝換熱器冷卻水溫度越高、流量越小，煙氣流量越大，褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)越差；冷凝水總體呈較強(qiáng)酸性，pH值為2.63~3.51，電導(dǎo)率為261~1 132 μS/cm，鈣鎂硬度、有機(jī)物質(zhì)量濃度等均較低，但全鐵和氨氮質(zhì)量濃度稍高；采用超濾-反滲透工藝處理煙氣冷凝水，產(chǎn)水回收率可達(dá)85%以上，電導(dǎo)率低于15 μS/cm，且運(yùn)行穩(wěn)定。該研究結(jié)果可為褐煤煙氣冷凝水回用的處理工藝設(shè)計(jì)提供參考。

褐煤；煙氣冷凝水；超濾；反滲透；水質(zhì)；補(bǔ)給水；雙膜處理工藝；回收率

褐煤是我國(guó)內(nèi)蒙古、云南和黑龍江等地較為常見的煤種，具有煤化程度低、含水量高、熱值低、熱穩(wěn)定性較差等特點(diǎn)，尤其是其水質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)20%~50%[1-3]。目前，褐煤主要用于直接燃燒發(fā)電，燃用褐煤電站鍋爐的排煙溫度一般為140~150 ℃，煙氣中的水體積分?jǐn)?shù)高達(dá)15%或更高[4-5]。為此，研究者針對(duì)褐煤煙氣水分的回收開展了大量研究，其中以冷凝式回收工藝研究較多[6-7]。然而，相關(guān)研究多集中于對(duì)冷凝水捕集[8]、冷凝換熱過程與余熱回收[9-10]、煙氣污染物協(xié)同脫除[11-12]等的分析，而針對(duì)冷凝換熱收水裝置回收水的水質(zhì)特點(diǎn)和變化規(guī)律、凈化處理工藝及其回用策略方面的探討與研究較少。采用煙氣冷凝法回收的水分溶解了煙氣中的飛灰、酸性物質(zhì)以及微量重金屬等污染物，不可直接循環(huán)利用。如何經(jīng)濟(jì)有效地處理并回收利用煙氣冷凝水是本文的研究重點(diǎn)。

本研究依托某電廠褐煤煙氣水分冷凝回收中試裝置，分析了不同煙氣流量、冷卻水溫度和流量等參數(shù)對(duì)冷凝回收水質(zhì)的影響，總結(jié)了冷凝水水質(zhì)的特點(diǎn)及變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了煙氣冷凝水低質(zhì)回用和高質(zhì)回用2種工藝路線，重點(diǎn)分析和驗(yàn)證了煙氣冷凝水采用超濾-反滲透雙膜法處理的可行性。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 煙氣冷凝回收水中試裝置

褐煤煙氣水分冷凝回收試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)從脫硫吸收塔后煙道上抽取一定比例煙氣（設(shè)計(jì)最大煙氣量為50 000 m3/h，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同），送至換熱器冷凝回收水后再由引風(fēng)機(jī)送回脫硫煙道。冷凝換熱器材質(zhì)為搪瓷管，換熱管束水平布置，循環(huán)冷卻水取自脫硫工藝水箱，經(jīng)換熱器換熱后返回脫硫工藝水箱。試驗(yàn)裝置采用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。煙氣冷凝過程中產(chǎn)生的水分采用收集水箱（PTFE）收集分析測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)。

圖1 褐煤煙氣冷凝取水中試裝置示意

1.1.2 超濾-反滲透中試裝置

為了研究超濾-反滲透工藝對(duì)褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)的適應(yīng)性，本文以褐煤煙氣冷凝水作為試驗(yàn)進(jìn)水，調(diào)節(jié)pH值，靜置后進(jìn)行超濾-反滲透工藝試驗(yàn)。超濾-反滲透中試裝置如圖2所示。

圖2 超濾-反滲透中試裝置

超濾膜材質(zhì)為PVDF，采用外壓式死端過濾方式運(yùn)行。反滲透膜材質(zhì)為抗污染苦咸水聚酰胺反滲透膜（型號(hào)：HPA2-4040），最大操作壓力為4.4 MPa。試驗(yàn)采用恒通量濃水回流的模式，通過分析不同產(chǎn)水回收率條件下超濾-反滲透裝置的運(yùn)行壓力、脫鹽率、產(chǎn)水水質(zhì)等指標(biāo)來研究超濾-反滲透裝置的工藝性能及運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.2 分析儀器與方法

試驗(yàn)分析儀器包括：SG23型便攜式pH值/電導(dǎo)率多參數(shù)測(cè)試儀；Specord 210型紫外-可見分光光度計(jì)；Zeenit-700型原子吸收光譜儀；Multi N/C 3100型總有機(jī)碳/總氮分析儀等。

水質(zhì)指標(biāo)分析方法采用《火力發(fā)電廠水汽分析方法》（DL/T/502—2006）及《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第4版）中相關(guān)分析方法。

2 結(jié)果及討論

2.1 褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)變化規(guī)律與特點(diǎn)分析

2.1.1冷卻水入口溫度對(duì)冷凝水水質(zhì)的影響

試驗(yàn)保持煙氣流量20 000 m3/h，換熱器冷卻水流量40 t/h的條件下，以電導(dǎo)率、pH值、總硬度、Cl–、SO42–、氨氮、懸浮物和總汞作為典型監(jiān)測(cè)指標(biāo)，分析冷卻水入口溫度對(duì)褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同冷卻水入口水溫時(shí)煙氣冷凝水水質(zhì)指標(biāo)

由圖3可以看出：隨著冷卻水入口溫度由25 ℃升至45 ℃，冷凝水電導(dǎo)率由347.0 μS/cm顯著升高至571.2 μS/cm，水中Cl–、SO42–及懸浮物質(zhì)量濃度均呈較明顯的上升趨勢(shì)；總硬度（以CaCO3計(jì)，下同）、pH值和總汞質(zhì)量濃度則呈下降趨勢(shì)，而氨氮質(zhì)量濃度呈先上升后下降的趨勢(shì)。這是由于煙氣中水分與其他污染因子的冷凝析出規(guī)律并不完全一致，隨著冷卻水入口溫度升高，煙氣中水分與換熱器表面的換熱溫差減小，水分凝結(jié)析出速率明顯減緩[8,11]，但是煙氣中易溶于水的HCl、SO3、NH3等污染物仍然很容易進(jìn)入換熱器管壁表面的冷凝液膜中，故其相應(yīng)的離子質(zhì)量濃度可能反而上升；與此相反，煙氣中攜帶的一些其他雜質(zhì)，如Ca2+、Mg2+和總汞等在較高溫度下不易被冷凝液膜碰撞、捕集，其質(zhì)量濃度可能下降。

2.1.2 冷卻水流量對(duì)冷凝水水質(zhì)的影響

在煙氣流量20 000 m3/h，冷卻水溫度35 ℃條件下，試驗(yàn)得到換熱器冷卻水流量對(duì)褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，冷卻水流量從30 t/h增至70 t/h，冷凝水的電導(dǎo)率由613.5 μS/cm降至527.8 μS/cm，冷凝水中總硬度、Cl–、SO42–、氨氮、懸浮物和總汞質(zhì)量濃度均呈明顯的下降趨勢(shì)，pH值呈上升趨勢(shì)。其原因主要是提高冷卻水的流量能夠增強(qiáng)換熱管內(nèi)部冷卻水與管壁的對(duì)流換熱，從而冷凝水流量明顯增加；但是換熱管束外側(cè)所形成的液膜表面積卻變化不大，從而污染物質(zhì)進(jìn)入冷凝水中的傳質(zhì)速率仍相對(duì)固定，導(dǎo)致溶解或帶入水中的離子或固體顆粒物均得到不同程度的稀釋導(dǎo)致質(zhì)量濃度下降。

圖4 不同冷卻水流量時(shí)煙氣冷凝水水質(zhì)指標(biāo)

2.1.3 煙氣流量對(duì)冷凝水水質(zhì)的影響

保持換熱器冷卻水溫度35 ℃，流量40 t/h，不同煙氣流量時(shí)褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)如圖5所示。由圖5可以看出，隨著煙氣流量從15 000 m3/h逐步增至35 000 m3/h，冷凝水的水質(zhì)整體呈惡化趨勢(shì)，電導(dǎo)率由457.4 μS/cm升至604.8 μS/cm，總硬度、Cl-、SO42-、氨氮和懸浮物、總汞質(zhì)量濃度均明顯上升，pH值明顯下降。分析表明，煙氣流量過大，換熱器換熱系數(shù)和冷凝水收集率反而下降[13]，但是換熱器表面氣液間的傳質(zhì)會(huì)顯著增強(qiáng)，因而冷凝水中酸性物質(zhì)及其他污染物質(zhì)量濃度表現(xiàn)為明顯上升 趨勢(shì)。

圖5 不同煙氣流量時(shí)煙氣冷凝水水質(zhì)指標(biāo)

2.1.4煙氣冷凝水水質(zhì)特點(diǎn)

在上述工況試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從2016年3月至 5月，先后對(duì)2批次煙氣冷凝水水質(zhì)進(jìn)行分析，共計(jì)29個(gè)水樣，812個(gè)指標(biāo)，分析結(jié)果見表1。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，總結(jié)和分析出煙氣冷凝水主要水質(zhì)特點(diǎn)如下。

表1 褐煤煙氣冷凝水主要水質(zhì)指標(biāo)

Tab.1 The main water quality indexes of lignite flue gas condensate

1）總體呈較強(qiáng)酸性，pH值為2.63~3.51。這是因?yàn)閾Q熱器設(shè)計(jì)工作溫度較低，出口煙氣溫度已低于酸露點(diǎn)[14]。

2）電導(dǎo)率和含鹽量較低。電導(dǎo)率為261~ 1 132 μS/cm，含鹽量為91.9~338.3 mg/L。

3）總硬度較低，Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度一般不高于20 mg/L。

4）陰離子主要為SO42-和Cl-。SO42-和Cl-質(zhì)量濃度分別為56.8~263.4 mg/L和6.0~34.0 mg/L。

5）冷凝水懸浮物質(zhì)量濃度相對(duì)較高，波動(dòng)范圍為10.0~65.5 mg/L。與此對(duì)應(yīng)，水樣濁度變化范圍為0.72~32.50 NTU。

6）全鐵質(zhì)量濃度較高，尤其第2批水樣，含鐵質(zhì)量濃度為2.90~15.50 mg/L。

7）氨氮質(zhì)量濃度受脫硝裝置影響波動(dòng)較大，在2~17 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)。

8）有機(jī)物質(zhì)量濃度較低。第1批次水樣總有機(jī)碳（TOC）質(zhì)量濃度平均為2.11 mg/L，第2批次水樣TOC質(zhì)量濃度僅為0.51 mg/L。

9）煙氣中的微量Hg也較易富集在冷凝水中，監(jiān)測(cè)期間，Hg質(zhì)量濃度最高可達(dá)269.4 μg/L。

綜上所述，由于HCl和SO3強(qiáng)酸性物質(zhì)的溶入，煙氣冷凝水總體呈強(qiáng)酸性，腐蝕性很強(qiáng)；正是由于設(shè)備腐蝕的加劇，導(dǎo)致冷凝水第2批次水樣鐵質(zhì)量濃度明顯增加，從而增加了冷凝水處理回用的難度。

2.2 超濾-反滲透試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 超濾-反滲透裝置運(yùn)行情況

褐煤煙氣冷凝水中致垢性離子和有機(jī)物質(zhì)量濃度均很低，但是其總鐵質(zhì)量濃度較高，這對(duì)反滲透膜具有極大的危害（反滲透膜進(jìn)水水質(zhì)要求總鐵質(zhì)量濃度≤0.1 mg/L[15]）。因此，需調(diào)節(jié)褐煤煙氣冷凝水pH值至8.0~9.0，使得Fe3+形成Fe(OH)3沉淀，再經(jīng)靜置過濾后作為超濾-反滲透進(jìn)水。經(jīng)上述處理后，在通量20~40 L/(m2·h)范圍內(nèi)，超濾膜運(yùn)行壓差變化很小，超濾產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.2 NTU以下，反滲透膜污染指數(shù)SDI在0.98~1.24之間，總鐵質(zhì)量濃度小于0.1 mg/L，滿足超濾-反滲透裝置進(jìn)水水質(zhì)條件[16]。

超濾-反滲透裝置通量恒定為17.1 L/(m2·h)，在不同的運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)水回收率分別為75%、85%和90%，試驗(yàn)得到反滲透運(yùn)行壓力和跨膜壓差情況如圖6所示。

圖6 不同產(chǎn)水回收率時(shí)超濾-反滲透裝置運(yùn)行情況

由圖6可以看出：當(dāng)產(chǎn)水回收率為75%和85%時(shí)，跨膜壓差分別在5.95~7.00 kPa和7.79~8.36 kPa范圍內(nèi)小幅波動(dòng)；當(dāng)產(chǎn)水回收率提高到90%時(shí)，跨膜壓差增大至10.31~12.95 kPa?？梢?，超濾-反滲透裝置運(yùn)行跨膜壓差均遠(yuǎn)低于膜元件限值（單支膜元件壓差＜100 kPa），且運(yùn)行壓力均遠(yuǎn)小于反滲透膜最大允許操作壓力（4.4 MPa），產(chǎn)水回收率控制在85%較為適宜。

2.2.2 脫鹽率與產(chǎn)水水質(zhì)分析

在75%、85%和90%產(chǎn)水回收率條件下，超濾-反滲透裝置的脫鹽率分別為98.9%、98.4%和97.4%，均大于97%。分析測(cè)定產(chǎn)水，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)水電導(dǎo)率約為8~15 μS/cm，總硬度、Cl-、SO42-、氨氮和全鐵均未檢出，TOC質(zhì)量濃度＜0.1 mg/L?？梢姡置簾煔饫淠ㄟ^調(diào)節(jié)pH值并除鐵處理后，再采用超濾-反滲透深度處理工藝可明顯改善其產(chǎn)水水質(zhì)。

3 褐煤煙氣冷凝水回用方案

在褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)試驗(yàn)及分析的基礎(chǔ)上，提出褐煤煙氣冷凝水低質(zhì)回用和高質(zhì)回用2條技術(shù)路線。低質(zhì)回用時(shí)，可作為脫硫系統(tǒng)補(bǔ)水；高質(zhì)回用，則可經(jīng)深度處理，用作鍋爐補(bǔ)給水。根據(jù)相關(guān)研究，僅單臺(tái)600 MW機(jī)組褐煤煙氣冷凝實(shí)際可回收水量就高達(dá)92.25 t/h[17]。

3.1 低質(zhì)回用

3.1.1 可行性分析

脫硫系統(tǒng)對(duì)用水水質(zhì)要求相對(duì)較低，根據(jù)石灰石-石膏濕法脫硫設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]，脫硫系統(tǒng)不同工藝點(diǎn)水質(zhì)要求見表2。

表2 脫硫系統(tǒng)工藝水質(zhì)要求

Tab.2 Water quality requirements for desulfurization system

對(duì)比表1和表2，褐煤煙氣冷凝水除pH值不能滿足脫硫系統(tǒng)工藝水水質(zhì)要求外，其余離子質(zhì)量濃度均滿足要求。

3.1.2回用工藝路線

制定褐煤煙氣冷凝水回用至脫硫系統(tǒng)工藝流程如圖7所示，需將褐煤煙氣冷凝水pH值調(diào)節(jié)至7~8，再經(jīng)自清洗過濾器去除較大顆粒的懸浮物后，即可作為脫硫工藝水。該工藝褐煤煙氣冷凝水的回用處理成本極低，僅需消耗少量堿。超低排放改造后，一般2×600 MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)總耗水量約為140 t/h[18]，若按該方案全部使用煙氣冷凝水，則可實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)“零水耗”。

圖7 褐煤煙氣冷凝水回用至脫硫系統(tǒng)工藝流程

3.2 高質(zhì)回用

3.2.1可行性分析

經(jīng)調(diào)節(jié)pH值、靜置后的褐煤煙氣冷凝水，采用超濾-反滲透工藝處理后，其產(chǎn)水電導(dǎo)率＜15 μS/cm。該工藝運(yùn)行可靠且水質(zhì)穩(wěn)定，可作為鍋爐補(bǔ)給水脫鹽處理系統(tǒng)的水源。

3.2.2回用工藝路線

褐煤煙氣冷凝水全膜法回用至鍋爐補(bǔ)給水處理工藝流程如圖8所示。

圖8 煙氣冷凝水全膜法回用至鍋爐補(bǔ)給水工藝流程

由圖8可見：褐煤煙氣冷凝水經(jīng)調(diào)節(jié)pH值、過濾、除鐵處理后，再經(jīng)超濾-反滲透裝置處理并控制出水濁度＜0.5 NTU，SDI＜2.0；超濾產(chǎn)水進(jìn)入一級(jí)反滲透裝置，控制產(chǎn)水回收率為85%，所得產(chǎn)水電導(dǎo)率小于15 μS/cm；一級(jí)反滲透產(chǎn)水經(jīng)二級(jí)反滲透、連續(xù)電除鹽（EDI）裝置深度脫鹽后，可達(dá)到電站鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)指標(biāo)。

4 結(jié) 論

1）褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)受冷卻水溫度、流量及煙氣流量影響較大。冷卻水溫度越高、流量越小、煙氣流量越大，煙氣冷凝水水質(zhì)越差，具體表現(xiàn)在電導(dǎo)率和總硬度、Cl-、SO42-、氨氮和懸浮物等離子或雜質(zhì)質(zhì)量濃度均明顯上升。

2）褐煤煙氣冷凝水為較強(qiáng)酸性、較高含鹽量、低硬度廢水。其pH值為2.63~3.51，電導(dǎo)率為261~ 1 132 μS/cm，鈣、鎂硬度和有機(jī)物質(zhì)量濃度很低，但其全鐵、氨氮質(zhì)量濃度較高，并含有微量汞。

3）超濾-反滲透試驗(yàn)結(jié)果表明，采用預(yù)處理+雙膜法工藝處理褐煤煙氣冷凝水，產(chǎn)水回收率可達(dá)85%以上，產(chǎn)水電導(dǎo)率＜15 μS/cm，脫鹽率達(dá)97%以上，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

4）褐煤煙氣冷凝水可根據(jù)不同回用目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)處理。低質(zhì)回用作為脫硫系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)，冷凝水僅需調(diào)整pH值、過濾處理即可；高質(zhì)回用作為鍋爐補(bǔ)給水時(shí)，可采用全膜法處理工藝。

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Water quality characteristics and reuse treatment process of flue gas condensate in lignite-fired boilers

WU Huoqiang, MAO Jin, WANG Jing, WANG Zhengjiang, WANG Yikun, LIU Yapeng

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

By using a power plant’s pilot device of lignite flue gas water condensation recovery, the effects of cooling water temperature, cooling water flow rate and flue gas flow rate on the quality of condensation recovery water of condensing heat exchanger were studied. The characteristics of condensate water quality were summarized. On this basis, the technical routes of flue gas condensate reuse desulfurization system and boiler water supply system were put forward, and the experiment of ultrafiltration-reverse osmosis dual membrane process for flue gas condensate was finished. The results show that, with an increase in the temperature and decrease in the cooling water flow rate, the flue gas flow rate increased and the water quality of the lignite flue gas condensate became worse. The condensate water is generally strong acidic, its pH value is 2.63~3.51, the conductivity is 261~1 132 μS/cm, the calcium and magnesium hardness and organic matter concentration are low, but the total iron and ammonia nitrogen content is slightly higher. After the reverse osmosis process was applied to treat the flue gas condensate, the recovery rate of the produced water reached over 85% with conductivity less than 15 μS/cm. The system ran stably. The research results can provide reference for treatment and reuse of the lignite flue gas condensate.

lignite, condensate of flue gas, ultrafiltration, reverse osmosis, water quality, make-up water, double-membrane treatment process, recovery rate

X703

A

10.19666/j.rlfd.201809174

吳火強(qiáng), 毛進(jìn), 王璟, 等. 褐煤煙氣冷凝水水質(zhì)特點(diǎn)及其回用工藝[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(1): 90-96. WU Huoqiang, MAO Jin, WANG Jing, et al. Water quality characteristics and reuse treatment process of flue gas condensate in lignite-fired boilers[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(1): 90-96.

2018-9-29

吳火強(qiáng)(1992—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榛痣姀S廢水治理與末端廢水零排放，wuhuoqiang@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）