火力发电厂煤泥沉淀池的设计及研究

2015-03-20胡华强胡天慈

电力勘测设计 2015年1期

胡华强，张捷，胡天慈

(1.江苏省电力设计院，江苏南京 211102；2.中机国能电力工程有限公司，上海 200061)

1 概述

燃煤电厂含煤废水主要来自输煤系统冲洗排水和煤场初期雨水等，不同程度的含有煤颗粒悬浮物，不满足废水排放标准；其中输煤系统冲洗水量较小，而煤场初期雨水量较大。近年来，电厂设计和运行管理部门环保意识增强，含煤废水处理日益得到重视；一般均采用煤泥初沉池初沉+加药煤水处理系统的工艺流程处理含煤废水，处理合格的中水可以回用于煤水冲洗系统。据了解，各电厂设置的煤泥初沉池，容积各不相同，容积最大的有几千立方，最小的仅几十立方，差距巨大；原因是没有一种规范、合适的设计方法。因此，研究开发一种既能满足去除大部分煤颗粒悬浮物工艺要求、又能节约用地的、规范合适的煤泥初沉池设计方法是十分必要的。

2 现状

对火力发电厂进行调研观测，发现电厂煤泥初沉池存在不同程度的问题，主要表现在运行管理和设计方面都有不完善之处，煤泥初沉池出水不能满足后续加药煤水处理系统的进水水质指标。因此，如何合理确定煤泥初沉池设计标准，需要认真探讨。

电厂煤场一般占地数公顷，堆有大量原煤。降雨时，煤场表面逐渐形成径流。由于水流的冲刷作用，细小的煤粉颗粒随水流排出煤场。因此煤场排出的初期雨水，含有相当数量的煤粉颗粒，色黑，悬浮物浓度达104 mg/L以上。输煤系统冲洗水煤颗粒悬浮物浓度相对较小，但也高达数千mg/L以上。因此，合理的设置煤泥初沉池，收集煤场初期雨水以及输煤系统冲洗水，不仅保护环境，而且能回收其中夹带的煤粉。

3 火力发电厂煤泥沉淀池的设计

3.1 煤泥沉淀池有效容积的确定

煤场初期雨水煤泥初沉池的有效容积应根据煤场降雨量确定。煤场初期雨水量与雨水设计重现期、煤场初期雨水的降雨历时以及煤场径流系数有关。《火力发电厂水工设计技术规范》(以下简称《水工规范》)表13.1.5中规定，贮煤场径流系数取值为0.15～0.30；《水工规范》14.3条文说明规定，煤场初期雨水集雨时间可按0.5 h～1.0 h考虑，设计重现期的取值宜与全厂协调一致(一般取为2～5 a)；《火力发电厂废水治理设计技术规程》10.2.3条文说明规定，煤水沉淀池容积按照接纳不小于0.5 h历时过程中所能收集的水量确定。一般认为，降雨持续0.5 h后煤场雨水排水比较清洁；降雨时间0.5 h后的降雨不再进入煤泥初沉池，可以直接排入雨水下水道。

3.2 含煤废水悬浮物颗粒分析

据测，进入煤泥初沉池的含煤废水悬浮物浓度可达12000 mg/l左右，最大粒径为30 mm～50 mm；悬浮物粒径小的甚至呈胶体状态。煤水中颗粒分布以及颗粒沉速对应情况，详见表1、表2。

表1 煤水粒径分布

表2 煤泥不同粒径沉降速度

无论在动态沉淀的平流状态还是静止沉淀的静水状态下，细小煤颗粒的沉降均属于层流状态或近层流流态；根据表2数据，基于阿基米德原理，颗粒所受阻力与其在水中的重力相等时，将等速下沉；层流流态下煤颗粒的沉速计算可用斯托克斯(Stokes)公式：

式中：u为沉速，(m/s)；i为水的动力黏度，(Pa·s)；ρS为颗粒密度，(kg/m3)；ρ为水密度，(kg/m3)；d为颗粒粒径，(m)；g为重力加速度，(m/s2)。

将表2数据代入斯托克斯公式计算可得：煤泥颗粒的平均颗粒密度ρS为：1396.3 kg/m3。

3.3 煤泥沉淀池临界沉速u的确定

煤泥初沉池后的加药煤水处理系统的工艺流程，要求进水悬浮物浓度不高于5000 mg/l。即针对悬浮物浓度高达12000 mg/l的含煤废水，在煤泥初沉池中的去除率需达到近60%。即在粒径≤0.04 mm的颗粒中仍有一半悬浮物需要在煤泥初沉池中去除。煤泥水悬浮物粒径在0.01 mm以下时，悬浮物浓度一般处于1000 mg/L以下；利用插值法，取去除率达到60%悬浮物粒径为0.025 mm，此时对应的沉速u为：

即为符合煤泥初沉池颗粒去除要求的临界沉速u0；数值上等于煤泥初沉池的“表面负荷”Q/A，此项参数代表了沉淀池的沉淀能力，以此参数为标准即可展开煤泥初沉池的设计计算。

3.4 “动静结合”模式的煤泥沉淀池据

试验及实测，动态沉淀池的出水悬浮物可达1000 mg/l以上(此时的临界沉速u0约为1.89×10-5m/s)，静止沉淀池的上清水悬浮物可在700 mg/l～800 mg/l以下；均符合加药煤水处理系统的进水悬浮物浓度要求。《水工规范》[1]第14.3.1条亦要求：发电厂宜设煤场雨水沉淀池，并宜与输煤系统建筑冲洗排水沉淀池合并设置；因此，本文的煤泥初沉池设计采用动态平流沉淀池与静止自然沉淀池相结合的模型，以适应包含煤场初期雨水、输煤系统冲洗排水在内的各种含煤废水来水处理要求。

当含煤废水来源仅为输煤系统冲洗排水时，由于来水总量相对较小，煤泥初沉池可按动态平流沉淀池模式设计，即：当含煤废水流经煤泥初沉池到达沉淀区域末端时，悬浮物浓度可达到后续加药处理系统的进水要求。

当含煤废水来源主要为煤场初期雨水时，由于来水总量相对较大，煤泥初沉池按静态自然沉淀池模式设计，即：将0.5 h内的煤场初期雨水储存于煤泥初沉池有效容积中，有效容积中考虑存储煤场初期雨水量的同时，还要考虑输煤系统的一次冲洗水量。静态自然沉淀池设计模式需要更长的沉淀时间，但沉淀池容积的利用率高，去除率较动态平流沉淀池设计模式要高，但需要较长的沉淀时间。

动态平流沉淀池设计模式与静止自然沉淀池设计模式相结合的煤泥初沉池设计方法相较于传统的静止自然沉淀池，有着煤泥沉淀池利用率高、无需专设用于存蓄输煤系统冲洗排水的容积，无需分格设置，减小占地面积的优势。

4 设计实例

以北方某2×300 MW燃煤电厂工程为例，煤场占地面积约为2.75 km2，采用悬臂斗轮机双列煤场，煤堆呈长条形布置，长约180 m，每条宽35 m，煤场堆高为14 m，储煤约1×105t，可满足2×300 MW机组约10天的耗煤量。取煤场径流系数取值为0.20；煤场雨水设计重现期的取值宜与全厂协调一致为3年；半小时内的煤场初期雨水量为约300 m3；栈桥、转运站水冲洗用水量：日用水量为120 m3/d；小时用水量为60 m3/h，每日2次，一次一小时。

当含煤废水来源仅为输煤系统冲洗排水时，Qmax=96 m3/h(考虑变化系数为1.2～2.0，取1.6)；该工况下，煤泥初沉池可按动态平流沉淀池模式设计，其临界沉速u0=1.184×10-4m/s；则该平流沉淀池的“表面负荷”Q/A=0.426 m3/(m2·h)。由此可知，该平流沉淀池沉淀区域的占地面积A需≥Qmax/(Q/A)＝225.4 m2。

当含煤废水来源主要为煤场初期雨水时，煤泥初沉池按静态自然沉淀池模式设计，即其沉淀区域有效容积需≥0.5 h内的煤场初期雨水量+运煤系统的一次冲洗水量＝300＋96＝396 m3。

沉淀池的常规要求：长深比≥8～10；长度≤60 m；长宽比≥4；有效水深=3 m～3.5 m；且水工规范第14.3.2条要求煤泥初沉池宜符合下列要求：

超高为0.3 m～0.5 m；

有效水深宜采用2 m～3 m；

煤泥最大沉积厚度按0.5 m～1.0 m；

由此，确定沉淀池基本参数如下：沉淀区域长L=30 m；沉淀区域宽B=8 m(分两格)；有效水深H=2 m；平面面积A=240 m2；有效容积V有效=480 m3；均满足动态和静态设计模式的最小平面面积、有效容积要求。一般情况下，雨天选择静态运行模式；非雨天选择动态模式运行。

沉淀区域前端，设置启闭机闸门两座，将沉淀区域与进水区域分开，可供选择动态模式或静态模式运行；进水区域设置与煤场煤泥沟相连，设置溢流堰一座，具体见图1。

沉淀区域末端，与不同高程设置启闭机闸门3座(常开，仅在下雨时关闭)，将沉淀区域与出水区域分开，具体见图2。

当含煤废水来源仅为输煤系统冲洗排水时，选择动态模式运行，进水管道从进水区域闸门后接入沉淀区域，含煤废水流经沉淀区域后由末端启闭机闸门(全开)流出，进入初沉后煤水池；输煤系统冲洗排水在流经沉淀区域的过程中进行动态平流沉淀，到达沉淀区域末端时，已符合出水的悬浮物浓度要求，从闸门孔中溢流至初沉后煤水池。

图1 煤泥沉淀池沉淀区域前端平面图

图2 煤泥沉淀池沉淀区域末端断面图

当含煤废水来源主要为煤场初期雨水时，选择静态运行模式；沉淀区域末端3座启闭机闸门全关。煤泥初沉池转化为静态的自然沉淀，开始存储来自煤场的初期雨水；设计暴雨强度下的0.5 h煤场初期雨水(300 m3，有效容积中剩余的96 m3为预留的存储期间一次输煤系统冲洗排水量)收集完毕后，关闭进水区域启闭机闸门(此处设置液位联锁)，0.5 h以后清洁的煤场雨水通过溢流堰进入厂区雨水管道系统排放。见图3，阴影部分即为静态的自然沉淀池所存储的煤场初期0.5 h雨水量。

煤颗粒临界沉速u0=1.184×10-4m/s，则每沉降1世面m需耗时T0＝H0/u0≈8446 s＝2.35 h；煤泥初沉池存储区域有效水深H＝2 m，则可知静态自然沉淀池的停留时间T＝H/u0≈16892 s＝4.70 h。即此部分存储的煤场初期雨水，将在静止自由沉淀4.70 h后符合煤泥初沉池出水的悬浮物浓度要求；届时可打开沉淀区域末端各启闭机闸门，将此部分水量放至初沉后煤水池。也可利用沉降高度与所需沉降时间的对应关系，从上到下，依次打开沉淀区域末端各启闭机闸门。