海水烟气脱硫系统排水水质试验研究

王宏亮,管一明,刘涛,王小明,薛建明

(国电科学技术研究院,江苏南京 210031)

海水烟气脱硫系统排水水质试验研究

Experimental study on the quality of effluentwater in seawater FGD system

王宏亮,管一明,刘涛,王小明,薛建明

(国电科学技术研究院,江苏南京 210031)

介绍了海水烟气脱硫技术在国内外的应用情况,探讨了海水烟气脱硫系统的基本原理及工艺流程,并以海水水质标准为参照通过试验方法研究了脱硫排水对海水本底浓度的影响。

海水;烟气脱硫;工艺特点;排水水质

海水烟气脱硫工艺是利用天然海水脱除烟气中SO2的一种脱硫方法,适用于燃煤硫分小于1.5%,并以海水作为冷却水直流供水的沿海电厂。海水脱硫工艺的特点是:采用直流洗涤方式,系统简单,运行可靠;脱硫效率高,可达90%以上;无需添加脱硫剂,也无废弃物处置或利用问题;投资、运行费用相对较低;用于处理脱硫排水的曝气池占地面积较大;脱硫后循环冷却水有一定的温升(≤1℃),并且pH值和溶解氧有少量降低[1]。海水脱硫工艺成熟可靠,投资和运行费用均低于湿式石灰石法,但由于它利用海水并又将所用海水送返海洋。因此,人们很关注其对海洋环境的影响,这也成为了影响该工艺在火电厂应用前景的关键问题。

1 海水脱硫技术应用

海水脱硫工艺原理最早是由美国加州伯克莱大学L.A.Bromley教授于19世纪60年代提出,迄今为止,该技术已有40多年的发展历史。在前人研究基础上,挪威ABB-Flakt公司与Norsk-Hydro公司合作,经试验台装置成功运行后,确立了Flakt-Hydro工艺[2],并在挪威应用。海水脱硫工艺在火电厂的应用源于1981年的美国关岛试验,随后在印度TATA电力公司所属Trombay电厂500MW机组上进行了工业性示范试验,于1988年投入商业运行,此后逐步在火电厂中得到推广应用。1995年,西班牙Unelco电力公司先后在2家燃油电厂的4× 80MW机组上建成4套海水脱硫装置;印度尼西亚Paicon电力公司4×335MW新建机组采用了海水脱硫工艺,已于1998年投入运行。在海水脱硫工艺中主要以挪威ALSTOM技术为主,已有大量工程业绩并积累了较多运行经验。目前,世界上已经投产项目中ALSTOM技术的占有率达到80%以上,其他技术还有德国比绍夫和日本富士化水等。

我国大陆海岸线长达1.84万km,且火电机组的1/3位于海滨城市,为海水脱硫工艺的应用提供了广阔的市场。自从国内第一个海水脱硫项目于1999年3月在深圳西部发电总厂4号机组投产之后,这一脱硫工艺逐渐被各大海滨电厂所采纳。所处理的装机容量也由最初的300MW等级发展到福建漳州后石电厂600MW等级[3],并于2009年6月在华能海门电厂百万千瓦机组上顺利实现应用。随着投运以及在建项目不断增多,自2007年起我国涌现出一批自主开发并具有自主知识产权的海水脱硫项目,并逐渐实现了关键核心设备的国产化。表1为截止2009年底国内投运和在建海水脱硫项目(不完全统计),总装置容量达17 360MW。

表1 已投运及在建海水脱硫项目统计

2 基本原理

海水pH值一般为7.8～8.3,其对酸性气体具有很大的中和吸收能力。在吸收塔内海水吸收气相SO2生成H2SO3,H2SO3不稳定将分解成2H+和,而则被水中的溶解氧氧化成。但是水中7～8mg/l的溶解氧含量只能将酸性海水中少量的氧化成。具体反应方程式如下:

海水吸收SO2后H+浓度明显增加,酸性增强, pH值一般在3左右。要想使得脱硫后酸性海水达到排放标准,就需要添加新鲜的碱性海水以提高其pH值。添加新鲜海水后,酸性海水中的H+与新鲜海水中的发生以下反应:

在进行上述中和反应的同时,还需在海水中鼓入大量空气进行曝气,其作用主要是将氧化成为,并且利用其机械力将中和反应中产生的大量CO2赶出水面,同时提高酸性海水的溶解氧,进而达到排放标准。

在等量的海水、自来水和蒸馏水中分别添加硫酸试剂,考察了不同水体对酸性液的缓冲能力,试验结果见图1[4]。从图1可知,随着硫酸添加量的增多,蒸馏水pH值迅速下降到3.5,而自来水和海水的加酸量分别达到90ml、140ml后混合液pH值才下降到3.5,这说明海水对酸的缓冲能力明显优于蒸馏水和自来水。

图1 海水、自来水和蒸馏水对硫酸的缓冲曲线

3 工艺流程

海水脱硫工艺系统主要由烟气系统、SO2吸收系统、海水恢复系统、供排海水系统、电气与控制系统五部分组成[5]。

3.1 烟气系统

为了确保机组的正常连续运行,与湿法脱硫系统一样在烟气系统内设置了旁路烟道。海水脱硫系统正常运行时,旁路挡板门关闭,全部脱硫后烟气经烟囱排出。系统停止运行或事故时,旁路烟道开启,海水脱硫系统进、出口烟道挡板门关闭,烟气直接进入烟囱排放。

3.2 SO2吸收系统

吸收塔采用一炉一塔的立式方形填料塔,混凝土结构。烟气自吸收塔下部引进,向上流经吸收区,在填料表面与喷入吸收塔的海水充分反应,净化后的烟气经塔顶部除雾器除去水滴后排出塔体。而嵩屿电厂则是采用了钢结构喷淋空塔,由于空塔没有设置填料层影响了气液两相的反应程度,故提高吸收塔高度以延长反应时间[6]。

3.3 海水恢复系统

曝气池58m×37m(L×W),钢筋混凝土结构。来自吸收塔的酸性海水与凝汽器排出的偏碱性海水在曝气池内充分混合,同时通过曝气系统向池中鼓入适量压缩空气,使海水中的亚硫酸盐转化为稳定无害的硫酸盐。同时释放出CO2,使海水的pH值升高到6.5以上,达到排放标准后排入海中。

3.4 供排海水系统

深圳西部电厂采用直流式单元制供水系统,海水脱硫系统水源直接取自4号机组凝汽器排出口的虹吸井,部分海水进入吸水池,经升压泵送入吸收塔内洗涤烟气,吸收塔排出的海水自流进入曝气池,在此与虹吸井直接排入曝气池的海水汇流并充分混合,处理后的合格海水经4号机组排水沟入海。

3.5 电气与控制系统

海水脱硫系统用电电压分为6 kV和380V,大于或等于200 kW的电动机采用6 kV供电,200 kW以下的电机采用380 V供电。海水脱硫系统的仪表控制系统具备数据采集、远程控制等功能。

4 排水水质试验

1998年和2009年我们分别对深圳西部电厂和秦皇岛电厂海水脱硫系统进行了中间试验,检测了其排水水质。两个电厂的排水主要检测指标见表2,重金属离子的含量见表3。

表2 海水脱硫系统排水水质分析

表3 重金属含量与海水本底值比较 mg/L

从表2可以看出两个电厂的脱硫系统排水主要检测指标绝大多数符合我国二类海水标准。表3中深圳西部电厂脱硫排水重金属的增加比例不大,未引起海水水质等级的变化。秦皇岛电厂脱硫排水中Hg、Cd、Ni等重金属含量较本底值增加较多,与海水本底水质相比,脱硫系统的排水水质可满足的海水水质标准等级有所降低;而其余重金属含量增加较少,均与本底值维持在同一类海水水质等级。

在海水脱硫工艺中,排水pH、COD等非重金属指标主要是通过在海水恢复系统进行曝气等形式使其达到排放指标;而排水中重金属指标主要受燃煤重金属含量和烟尘含量的影响,控制关键是配备高效的除尘器,将烟气中大部分的重金属除去,使其在排水中的含量降到最低。

5 结语

随着海水脱硫工艺在国内沿海燃煤电厂应用的增多,针对我国四大临海海域的水质特点均有成功应用的实例,使得此工艺设计不断完善。同时,国内也逐渐完成了一系列核心设备的国产化,并形成自主知识产权。为尽量减少脱硫排水对海域水质的影响,除了将燃煤硫分控制在设计范围内,有效保证系统的设计脱硫效率外,除尘器的高效运行和海水恢复系统的设计至关重要。通过保证除尘器的高效率运行能从源头上控制海水悬浮物和重金属含量;合理调整曝气池内新鲜海水的添加位置和添加比例,并根据季节的变化调整曝气风机的负荷,以确保海水恢复系统的良好性能,使得COD、DO、pH等达到排放指标。目前,从我国海水脱硫装置的运行情况来看,绝大多数电厂排水指标能达到相应要求,其排水对周围海域的影响较小。

[1]姚彤.深圳西部电厂海水烟气脱硫工程及示范作用[J].电力环境保护,2000,16(1):1-3.

[2]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2002.

[3]张志红,唐茂平.漳州后石电厂6×600MW超临界机组海水脱硫工艺介绍[J].中国电力,2002,35(7):69-71.

[4]宋晓东.浅谈烟气海水脱硫工艺排水对海洋环境的影响[J].山东电力高等专科学校学报,2000,3(3):44-48.

[5]陈进生.嵩屿电厂烟气海水脱硫工艺及特点分析[J].电力环境保护,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,黑龙江鹤岗人,工程师,主要从事火电厂烟气脱硫、脱硝及新能源研究开发工作。E-mail:hl_ wang0128@163.com

国家高技术研究发展计划(863计划)(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