Analyse der Abwasserbehandlungsprozesse und -eigenschaften zur Entschwefelung von Kraftwerken

Zusammenfassung: Die Nassentschwefelung von Kalkstein-Gips ist die gängige Technologie zur Kontrolle der Schwefeldioxidemissionen in Wärmekraftwerken. Das entstehende Entschwefelungsabwasser zeichnet sich durch einen hohen Salzgehalt, eine hohe Härte, einen hohen Schwermetallgehalt und eine geringe biologische Abbaubarkeit aus und stellt eine erhebliche Herausforderung für die Abwasserbehandlung von Kraftwerken dar. Dieses Papier konzentriert sich auf das Kernprozesssystem der Kraftwerksentschwefelungsabwasserbehandlung und beschreibt detailliert die Prinzipien und Betriebsabläufe der Hauptprozesse in jeder Stufe entsprechend dem Ablauf „Vorbehandlung → tiefe Konzentration → Erstarrungs-/Kristallisationsbehandlung“. Es analysiert die technischen Eigenschaften, Vorteile, Einschränkungen und anwendbaren Szenarien verschiedener Prozesse und integriert die Kernprinzipien der Prozessauswahl, um professionelle Referenzen für die optimierte Auswahl und den effizienten Betrieb von Abwasserbehandlungsprozessen zur Entschwefelung von Kraftwerken bereitzustellen und so zur sauberen Produktion und grünen Transformation der Wärmekraftindustrie beizutragen.

Schlüsselwörter: Wärmekraftwerk; Entschwefelungsabwasser; Behandlungsprozess; Prozesseigenschaften; Vorbehandlung; tiefe Konzentration; Kristallisationsbehandlung

Angesichts der immer strengeren Umweltemissionsstandards und der Weiterentwicklung der „Dual-Carbon“-Ziele ist die konforme Behandlung von Entschwefelungsabwasser aus Wärmekraftwerken zu einem entscheidenden Faktor bei der Verwirklichung einer umweltfreundlichen Entwicklung geworden. Derzeit nutzen über 90 % der Wärmekraftwerke in meinem Land das Nassentschwefelungsverfahren für Kalkstein-Gips. Dieser Prozess erfordert das Spülen des Entschwefelungsturms, des Demisters und des Gipsentwässerungssystems mit sauberem Wasser, was zu einem Entschwefelungsabwasser führt, das reich an Schwermetallen, hohen Salzkonzentrationen und suspendierten Feststoffen ist. Aufgrund der komplexen Wasserqualität und der hohen Aufbereitungsschwierigkeiten kann eine unsachgemäße Entsorgung zu Boden- und Wasserverschmutzung führen und gleichzeitig den sicheren Betrieb der Kraftwerksausrüstung gefährden.

Die Behandlung von Kraftwerksentschwefelungsabwasser muss den Grundsätzen „Reduktion, Unbedenklichkeit und Ressourcenrückgewinnung“ entsprechen und ein vollständiges Prozesssystem aus „Vorbehandlung → Tiefenkonzentration → Erstarrungs-/Kristallisationsbehandlung“ bilden. Verschiedene Prozesse unterscheiden sich erheblich in ihren technischen Eigenschaften, der Behandlungseffizienz und den Betriebskosten. Um ein Gleichgewicht zwischen konformer Abwasserbehandlung und Wirtschaftlichkeit zu erreichen, ist die sinnvolle Auswahl von Verfahrenskombinationen entscheidend. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf der Zusammenfassung der gängigen Prozesse in jeder Phase, der gründlichen Analyse ihrer Prozessmerkmale und der Bereitstellung von Unterstützung für die Prozessauswahl in der Branche.

Die Qualität des Entschwefelungsabwassers wird erheblich von der Kohlequalität, der Reinheit des Kalksteins und den Parametern des Entschwefelungsprozesses beeinflusst und weist insgesamt „vier Hochs und zwei Tiefs“ auf, die direkt die Richtung der Auswahl des Aufbereitungsprozesses bestimmen. Speziell:

Hoher Salzgehalt: Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen (TDS) 20.000–100.000 mg/L, erreicht ein Maximum von 150.000 mg/L, besteht hauptsächlich aus Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ und K⁺ und weist eine extrem starke Korrosivität auf;

Hohe Härte: Die Ca²⁺-Konzentration kann über 4000 mg/L erreichen. Der Mg²⁺-Gehalt beträgt etwa 1600 mg/L, wodurch sich leicht unlösliche Ablagerungen bilden, die die Ausrüstung verstopfen; Hoher Schwermetallgehalt: Enthält Quecksilber, Cadmium, Blei, Arsen usw. in Konzentrationen von 0,1–10 mg/L, von denen einige stabile Komplexe bilden, was die Entfernung erschwert; Hohe Schwebstoffe (SS): Konzentration 1000–10000 mg/L, hauptsächlich bestehend aus Gipspartikeln und Kalksteinpulver, die Rohre leicht abreiben; Niedriger pH-Wert: 4,5–6,0, schwach sauer, was die Korrosion der Ausrüstung verschlimmert; Geringe biologische Abbaubarkeit: BSB/CSB < 0,1, schwer biologisch abbaubar, erfordert physikalisch-chemische Prozesse.

Darüber hinaus enthält das Abwasser auch Fluoride, Silikate und widerspenstige organische Stoffe, was die Komplexität der Prozessauswahl weiter erhöht und Aufbereitungsprozesse mit hoher Spezifität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwankungen erfordert.

Die Abwasserbehandlung bei der Entschwefelung von Kraftwerken ist ein systematisches Projekt. Jede Prozessstufe ist miteinander verbunden und wirkt synergetisch. Die Auswahl der Prozesse für die verschiedenen Phasen muss auf den Eigenschaften der Wasserqualität, den Behandlungszielen und den tatsächlichen Bedingungen des Kraftwerks basieren. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse der Hauptprozesse und Kernmerkmale jeder Phase.

3.1 Vorbehandlungsprozesse und -eigenschaften Die Vorbehandlung ist die Grundlage der Entschwefelungsabwasserbehandlung. Seine Hauptziele bestehen darin, suspendierte Feststoffe, die meisten Schwermetalle, Kalzium- und Magnesiumionen, Fluoride und Silikate zu entfernen, die Trübung und Härte des Abwassers zu reduzieren, Ablagerungen und Verstopfungen in nachfolgenden Prozessen zu verhindern und qualifizierte Zuflüsse für eine weiterführende Behandlung bereitzustellen. Zu den Hauptprozessen gehören Koagulation und Sedimentation, chemische Enthärtung und Filtrationsklärung. In tatsächlichen Projekten werden häufig kombinierte Prozesse verwendet.

3.1.1 Koagulations- und Sedimentationsprozess

Verfahrensprinzip: Dem Abwasser werden Koagulationsmittel (Polyaluminiumchlorid, Polyeisensulfat etc.) und Koagulationshilfsmittel (Polyacrylamid) zugesetzt. Durch Adsorption und Flockung bilden feine Schwebstoffe und Kolloide große Flocken, die dann durch Sedimentation abgetrennt werden. Gleichzeitig wird der pH-Wert auf 8,5–9,5 eingestellt (durch Zugabe von Calciumhydroxid), wodurch Schwermetallionen als Hydroxide ausfallen und einige Fluoridionen entfernt werden (Bildung von Calciumfluoridniederschlag).

Prozessmerkmale:

Vorteile: Einfacher Prozess, komfortable Bedienung, geringe Investitions- und Betriebskosten; Eine Entfernungsrate von Schwebstoffen von über 80 % und eine Entfernungsrate von Schwermetallen von 60 % bis 80 % können die Trübung des Abwassers schnell reduzieren und sind für die Vorbehandlungsanforderungen verschiedener Kraftwerke geeignet.

Einschränkungen: Begrenzte Entfernungswirkung auf lösliche Salze und Schwermetallkomplexe; erfordert die Verwendung in Verbindung mit chemischen Enthärtungs- und Filtrationsprozessen; Unter Bedingungen mit hohem CSB ist eine fortschrittliche Oxidationstechnologie erforderlich, da sonst die Auswirkungen der nachfolgenden Behandlung beeinträchtigt werden.

Anwendbare Szenarien: Vorbehandlung von Entschwefelungsabwasser aus allen Kraftwerken, besonders geeignet für kleine und mittelgroße Kraftwerke mit hohem Schwebstoff- und Schwermetallgehalt und begrenzten Budgets.

3.1.2 Chemischer Enthärtungsprozess
Prozessprinzip: Der Kern besteht darin, Kalzium- und Magnesiumionen zu entfernen, um die Abwasserhärte zu reduzieren. Die gängige Methode ist die chemische Fällung, die je nach verwendeten Reagenzien in die Kalk--Soda-Enthärtung und die Natriumhydroxid--Soda-Enthärtung unterteilt wird. Die Kalk--Soda-Methode ist die am weitesten verbreitete Methode. Unter Bedingungen hoher Härte und hohem Siliciumdioxidgehalt wird ein dreistufiger Erweichungsprozess verwendet, bei dem nacheinander Ca(OH)₂, Na₂SO₄ und Na₂CO₃ hinzugefügt werden, um Mg²⁺, etwas Ca²⁺ und das verbleibende Ca²⁺ schrittweise zu entfernen, wodurch Mg(OH)₂-, CaSO₄- und CaCO₃-Niederschläge entstehen.

Prozessmerkmale:

Vorteile: Sehr gezielte, wirksame Reduzierung der Abwasserhärte (Ca²⁺ kleiner oder gleich 500 mg/L, Mg²⁺ kleiner oder gleich 1000 mg/L), Vermeidung von Ablagerungen in nachfolgenden Verdampfungs- und Membrantrennprozessen; Die Kalk--Soda-Methode verfügt über kostengünstige, leicht verfügbare Reagenzien und eignet sich für Abwässer mit hoher-Härte und hohem-Kieselsäuregehalt.

Einschränkungen: Die Reagenziendosierung erfordert eine genaue Kontrolle, andernfalls ist eine Sekundärverschmutzung wahrscheinlich; Die Schlammproduktion ist groß und erfordert unterstützende Schlammentsorgungsanlagen. Die Natriumhydroxid--Soda-Methode ist kostspielig und nur für Szenarien mit extrem hohen Anforderungen an die Abwasserhärte geeignet.

Anwendbare Szenarien: Vorbehandlung von Entschwefelungsabwässern mit hoher{0}}Härte, hohem-Siliciumdioxidgehalt und hohem-Fluoridgehalt, besonders geeignet für Folgeprozesse wie Membrantrennung und MVR-Verdampfung mit strengen Anforderungen an die Härte des Zulaufs.

3.1.3 Filtrations- und Klärprozess

Prozessprinzip: Dieser Prozess entfernt außerdem feine Flocken, suspendierte Feststoffe und Kolloide aus der Koagulation, Sedimentation und chemischen Enthärtung und stellt sicher, dass die Trübung des vorbehandelten Abwassers den Standards entspricht (im Allgemeinen weniger als oder gleich 100 mg/L, die Membrankonzentration erfordert weniger als oder gleich 5 mg/L). Zu den gängigen Technologien gehören Sandfiltration, Ultrafiltration (UF) und Röhrenmembranfiltration.

Prozessmerkmale:

Vorteile: Hohe Filtrationsgenauigkeit; Ultrafiltration kann die Trübung des Abwassers auf unter 1 NTU reduzieren; Röhrenmembranen verfügen über starke Antifouling-Eigenschaften und sind leicht zu reinigen und zu warten; schützt wirksam nachgeschaltete Membranmodule und Verdampfungsgeräte und verbessert so die Systemstabilität; Sandfiltration ist kostengünstig; Ultrafiltration und Röhrenmembranen eignen sich für Szenarien mit großen Schwankungen der Wasserqualität.

Einschränkungen: Die Sandfiltration ist bei der Entfernung feiner Kolloide nur begrenzt wirksam. Ultrafiltration und Röhrenmembranen haben höhere Investitionskosten und Membranmodule müssen regelmäßig ausgetauscht werden (Lebensdauer 1–3 Jahre); Rohrmembranen arbeiten bei höheren Drücken und haben einen etwas höheren Energieverbrauch.

Anwendbare Szenarien: Sandfiltration eignet sich als Abschluss der konventionellen Vorbehandlung; Ultrafiltration und Röhrenmembranen eignen sich für Kraftwerke, in denen nachfolgende Membrankonzentrationsprozesse eingesetzt werden oder in denen die Schwebstoffkonzentration stark schwankt.

3.2 Verfahren und Eigenschaften der Tiefenkonzentration Auch nach der Vorbehandlung enthält das Abwasser immer noch hohe Konzentrationen an Salzen (TDS größer oder gleich 10.000 mg/l), sodass eine Tiefenkonzentration erforderlich ist, um sein Volumen zu reduzieren (80 % bis 90 %). Die konzentrierte Sole wird dann zur anschließenden Verfestigung/Kristallisation verwendet, während das Süßwasser recycelt werden kann. Der Kernprozess ist in zwei Hauptkategorien unterteilt: Membrantrennkonzentration und Verdampfungskonzentration.

3.2.1 Membrantrenn-Konzentrationsprozess
Verfahrensprinzip: Basierend auf der selektiven Permeabilität von Membranen werden Salze und Wasser unter Druck getrennt. Zu den gängigen Technologien gehören Umkehrosmose (RO), Nanofiltration (NF) und Scheibenrohr-Umkehrosmose (DTRO). Durch die Nanofiltration kann eine vorläufige Abtrennung von Verunreinigungen erreicht und damit der Grundstein für die Ressourcenrückgewinnung gelegt werden.

Prozessmerkmale:

Vorteile: Hohe Konzentrationseffizienz; RO-Süßwasserrückgewinnungsrate 70 % ~ 80 %, Entsalzungsrate über 99 %, Permeat kann direkt wiederverwendet werden; DTRO verfügt über starke Anti-{3}}Fouling-Fähigkeiten und eignet sich für Abwässer mit hohem-Salzgehalt und hohem-schwebstoffhaltigem-Feststoffgehalt; das Konzentrationsverhältnis kann das 10- bis 20-fache erreichen; Durch die Nanofiltration können zweiwertige Ionen zurückgehalten werden, wodurch die Belastung nachfolgender Prozesse verringert und die Ressourcennutzung verschiedener Salze erleichtert wird.

Einschränkungen: Strenge Anforderungen an die Qualität des Zulaufwassers; Härte und Schwebstoffe müssen streng kontrolliert werden, um Membranverschmutzung zu vermeiden; Gewöhnliche RO-Membranen sind nicht beständig gegen hohen Chlorgehalt und erfordern die Verwendung spezieller chlorbeständiger Membranen. hohe Kosten für den Membranaustausch (mehr als 40 % der gesamten Betriebskosten), was zu einer hohen Investitionsschwelle führt.

Anwendbare Szenarien: RO eignet sich für Kraftwerke mit hohem Bedarf an Konzentration und Wiederverwendung von Entschwefelungsabwasser mit niedrigem{0}}bis-mittlerem Salzgehalt; DTRO eignet sich für Abwasser mit großen Wasserqualitätsschwankungen und hohem Salzgehalt sowie hohem Schwebstoffgehalt; Die Nanofiltration eignet sich für Projekte, die sich auf die Ressourcennutzung verschiedener Salze konzentrieren.

3.2.2 Verdampfungskonzentrationsprozess

Verfahrensprinzip: Bei diesem Verfahren werden Salze konzentriert, indem Wasser aus dem Abwasser durch Erhitzen verdampft wird. Es eignet sich für Abwasser mit hohem -Salzgehalt (TDS größer oder gleich 30.000 mg/L). Zu den gängigen Technologien gehören die mechanische Dampfrekompression (MVR), die Trägergasextraktionsverdampfung und die Rauchgasverdampfung.

Prozessmerkmale:

Vorteile: MVR hat einen geringen Energieverbrauch (ca. 30–50 kWh/t Wasser), ein Konzentrationsverhältnis von 10–20 und ist für die Behandlung im großen Maßstab geeignet; Die Trägergasextraktionsverdampfung kann Abwärme von Kraftwerken nutzen, erfordert geringe Vorbehandlungsanforderungen und niedrige Betriebskosten. Die Rauchgasverdampfung hat einen äußerst geringen Energieverbrauch und geringe Investitionen, kann eine Abwasserentsorgung erreichen und ist für kleine und mittlere Kraftwerke geeignet.

Einschränkungen: MVR hat hohe Investitionskosten, erfordert eine hohe Stabilität der Speisewasserqualität und ist anfällig für Ablagerungen und Verstopfungen; Die Trägergasextraktions-Verdampfungstechnologie hat einen hohen Schwellenwert und wird derzeit weniger häufig eingesetzt. Die Rauchgasverdampfung erfordert eine Kontrolle des Zerstäubungseffekts, um Korrosion und Verstopfungen im Rauchabzug zu vermeiden, und erfordert eine Überwachung der Schwermetallemissionen.

Anwendbare Szenarien: MVR eignet sich für große -Wärmekraftwerke und Projekte mit hohen Null-Anforderungen; Die Trägergasextraktionsverdampfung eignet sich für große Kraftwerke mit verfügbarer Abwärme und begrenztem Platzangebot; Die Rauchgasverdampfung eignet sich für kleine und mittelgroße Kraftwerke sowie emissionsfreie Projekte mit begrenzten Budgets.

3.3 Verfestigungs-/Kristallisationsprozesse und Eigenschaften Hochkonzentrierte Sole (TDS größer oder gleich 50.000 mg/L) muss durch Verfestigung oder Kristallisation unschädlich gemacht werden. Bei einigen Prozessen kann eine Rückgewinnung der Salzressourcen erreicht werden, was ein wichtiger Schritt ist, um eine Null-Einleitung von Entschwefelungsabwasser zu erreichen. Zu den Hauptprozessen gehören die Verdampfungskristallisation, die Verfestigung durch Rauchgasverdampfung und die Zementverfestigung.

3.3.1 Verdampfungskristallisationsprozess
Verfahrensprinzip: Konzentrierte Sole wird in einen Kristallisator eingeleitet, um das Wasser weiter zu verdampfen, wodurch die Salze ihre Sättigung erreichen und auskristallisieren. In Kombination mit Nanofiltrations- und kryogenen Nitrifikationstechnologien ist es möglich, eine abgestufte Reinigung von Verunreinigungen durch die Abtrennung von Natriumchlorid, Natriumsulfat und anderen Salzen zu erreichen.

Prozessmerkmale:

Vorteile: Ermöglicht die Rückgewinnung von Salzressourcen; wiedergewonnenes Salz kann, sobald es den Reinheitsstandards entspricht, als Industrierohstoff wiederverwendet werden; gründliche Behandlung; konzentrierte Sole ist nach der Kristallisation harmlos und weist keine Sekundärverschmutzung auf; geeignet für die Behandlung mit konzentrierter Sole mit hohem Salzgehalt; kann für einen Niedrigenergiebetrieb in MVR integriert werden.

Einschränkungen: Hohe Investitions- und Betriebskosten; schwierige Reinigung von Mischsalzen; Mischsalze, die bei gewöhnlichen Verfahren hergestellt werden, müssen als gefährlicher Abfall entsorgt werden. hohe Anforderungen an die Stabilität der Speisewasserqualität; Der Kristallisationseffekt wird stark durch Schwankungen der Wasserqualität beeinflusst.

Anwendbare Szenarien: Große Kraftwerke; Projekte mit hohem Bedarf an der Rückgewinnung gemischter Salzressourcen; besonders geeignet für Szenarien mit großen Entschwefelungsabwassermengen und hohem Salzrückgewinnungswert, wie z. B. Kohle-Chemiekraftwerke.

3.3.2 Prozess der Rauchgasverdampfung und -verfestigung

Verfahrensprinzip: Konzentrierte Sole wird zerstäubt und in den Abgaskanal des Kessels gesprüht. Die Abwärme des Rauchgases (120–180 Grad) führt zu einer schnellen Verdunstung der Feuchtigkeit. Das Salz kristallisiert und wird mit Flugasche aufgefangen, wodurch eine Flugaschemischung entsteht. Wenn es den Normen entspricht, kann es als Baumaterial verwendet werden; andernfalls wird es als gefährlicher Abfall deponiert.

Prozessmerkmale:

Vorteile: Extrem geringer Energieverbrauch, keine zusätzliche Heizung erforderlich, niedrige Investitionskosten (40 % niedriger als MVR); einfache Bedienung, geringer Platzbedarf und schnelles Erreichen der Emissionsfreiheit; Geeignet für die Behandlung verschiedener konzentrierter Sole.

Einschränkungen: Hohe Anforderungen an die Zerstäubungsausrüstung; anfällig für Rauchgasablagerungen und Korrosion; Der Schwermetallgehalt in Flugasche kann die Standards überschreiten und erfordert eine strenge Überwachung. Die Nutzung der Salzressourcen kann nicht erreicht werden, und die Behandlung verschiedener Salze hängt von der Nutzung der Flugasche ab.

Anwendbare Szenarien: Kleine und mittlere -Wärmekraftwerke, Projekte mit begrenztem Platzangebot, dringender Null-{1}}Emissionsbedarf und begrenzte Budgets.

3.3.3 Prozess der Zementerstarrung

Verfahrensprinzip: Konzentrierte Sole, verschiedene Salze, Zement und ein Verfestigungsmittel werden gemischt. Durch die Hydratationsreaktion des Zements werden Schwermetalle in der Zementmatrix fixiert, wodurch das Risiko einer Auslaugung verringert wird. Nachdem der verfestigte Körper den Standards entspricht, wird er auf der Mülldeponie entsorgt.

Prozessmerkmale:
Vorteile: Einfacher Prozess, bequeme Bedienung, niedrige Kosten; gute Behandlungswirkung für konzentrierte Sole mit hohem Schwermetallgehalt, wodurch das Risiko einer Schwermetallauswaschung wirksam verringert wird; geeignet für Notfallentsorgungsszenarien.

Einschränkungen: Eine Ressourcenwiederherstellung ist nicht möglich; das verfestigte Material ist groß und belegt Landressourcen; Die Entsorgungskosten sind hoch und es besteht die Gefahr einer langfristigen Auswaschung, was zu einem allmählichen Rückgang seiner Anwendung führt.

Anwendbare Szenarien: Behandlung von konzentrierter Sole mit extrem hohem Schwermetallgehalt, die schwer zu recyceln ist oder eine Notfallentsorgung erfordert.

Bei der Auswahl eines Prozesses zur Abwasserbehandlung durch Kraftwerksentschwefelung sollten Wasserqualitätsmerkmale, Behandlungsziele (konformer Abfluss/Nullabfluss), Kraftwerksgröße, Budget und Standortbedingungen berücksichtigt werden. Die Grundprinzipien sollten „sehr zielgerichtet, wirtschaftlich effizient und stabil im Betrieb“ sein: Für kleine und mittelgroße Kraftwerke mit begrenzten Mitteln und keinem Bedarf an Ressourcenrückgewinnung kann ein „Koagulationssedimentation + Sandfiltration + Rauchgasverdampfung“-Verfahren eingesetzt werden; für große Kraftwerke mit hohen Null-Anforderungen kann ein „drei-Stufen-Enthärtung + Ultrafiltration + MVR-Verdampfung + Verdampfungskristallisation“-Verfahren verwendet werden; Bei Anlagen, die sich auf die Ressourcenrückgewinnung verschiedener Salze konzentrieren, sollten Nanofiltrations- und kryogene Nitrifikationsverfahren kombiniert werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Abwasserbehandlung durch Kraftwerksentschwefelung ein ausgereiftes technologisches System gebildet hat, wobei jeder Hauptprozess seine eigenen Vor- und Nachteile hat: Vorbehandlungsprozesse konzentrieren sich auf „Entfernung von Verunreinigungen und Reduzierung der Härte“, um eine stabile Folgebehandlung sicherzustellen; Tiefenkonzentrationsprozesse konzentrieren sich auf die „Volumenreduzierung“, um Energieverbrauch und Kosten auszugleichen. und Verfestigungs-/Kristallisationsprozesse konzentrieren sich auf „Unschädlichkeit + Ressourcennutzung“, um das Problem der Salzentsorgung zu lösen. In der Zukunft wird sich die technologische Entwicklung auf einen niedrigen Energieverbrauch, eine geringere Ressourcenauslastung und Intelligenz konzentrieren, Prozesskombinationen weiter optimieren, die Betriebskosten senken, die Ressourcenauslastung verschiedener Salze verbessern und der Wärmekraftindustrie zu einer umweltfreundlichen und qualitativ hochwertigen Entwicklung verhelfen.