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煙氣脫硫廢水處理: 用單價離子選擇性電滲析去除氯離子進行水循環使用

2018-11-02 09:57:43來源:加拿大Saltworks技術公司 閱讀量:14856

  【中國環保在線 技術前沿】mEDR可以安裝于現有的脫硫廢水處理系列中,無需昂貴的蘇打灰軟化,同時其濃縮達到的濃水濃度幾乎相當于蒸發器可達濃水濃度。
 
 
  關鍵要點
 
  ●隨著對煙氣脫硫廢水法規的收緊,電廠將需要添加額外的廢水處理設備。而這些處理通常需要大量化學品,成本很高。而降低處理成本的最佳方法是減少廢水排放量,通常可以通過增加廢水的內部循環使用而達到目的。
 
  ●脫硫廢水的內部循環受制于其高氯根含量。高氯根會抑制二氧化硫的吸收,且在內部循環時會引起腐蝕問題 – 而這些問題可以通過以下方案解決:
 
  ●脫硫廢水中氯離子可以通過工業化的含有單價選擇性膜的倒極電滲析(mEDR)技術實現選擇性去除。 mEDR通過單價陰離子交換膜,在電場的作用下選擇性地分離氯根,同時阻隔硫酸根。這將降低廢水中的氯濃度,實現脫硫廢水的內部再循環,同時分離出不結垢的氯化鈉/氯化鈣濃水,實現大于90%的水回收率(也就是低至10%的濃水體積)。
 
  ●由于mEDR無法去除有機物,隨著有機物的循環積累,該低氯處理水將不可能實現100%循環使用,但即使是部分再循環,也會極大降低昂貴的脫硫廢水處理基礎設施的成本。
 
  ●該技術需要使用選擇性高于98%的高強度單價離子交換膜,例如Saltworks的IonFlux離子交換膜,它可以阻隔幾乎所有的硫酸根以防止結垢,并且可以使用強氧化劑(如“漂白劑”)進行清潔。
 
  ●mEDR可以安裝于現有的脫硫廢水處理系列中,無需昂貴的蘇打灰軟化,同時其濃縮達到的濃水濃度幾乎相當于蒸發器可達濃水濃度。
 
  ●雖然氯離子可以被降低至低于200 mg/L,但降低至1,200至1,500 mg/L更為經濟。更低的氯濃度需要以更高的成本和更高的能耗為代價實現。這是由于當氯濃度降低至1,200-1,500 mg/L以下時,系統膜鹽通量降低,因此需要更高的成本和能耗。
 
  ●經濟計算顯示相比于現有的處理方案,mEDR可節省高達50%的成本。進一步的測試,包括現場中試項目,將幫助驗證該方案的真正潛力。
 
  介紹/ 脫硫廢水背景
 
  燃煤電廠煙氣脫硫系統用于去除二氧化硫(SO2)空氣排放。它們產生的廢水通常含有硫酸鈣,同時含有金屬和氯離子。脫硫廢水在內部循環,直到其氯離子濃度超過設定水平,則從系統中排出。高氯根濃度會抑制煙氣中SO2的吸收,并產生腐蝕問題。氯離子排放濃度取決于不同的運行設備,一般范圍為10,000 mg/L至30,000 mg/L。
 

 
  大多數脫硫系統已經包括一些廢水處理裝置,通常稱為“三聯箱”,其中重金屬和氟化物通過調整酸堿度pH(~pH 9),并與聚合物和絮凝結合沉淀除去,然后壓濾機進行終處理。在過去,通過以上步驟,包含氯,硒和其他總溶解固體(TDS)組成成分的滲濾液將被排放。但電廠行業將面臨強制TDS去除的新法規。本文作者測試了多種處理方案,為未來脫硫廢水處理的發展提供了合適的途徑。本文總結了三種方案,并對其經濟性進行了比較。結果表明,單價電滲析(mEDR)最有希望帶來突破性的變化,降低脫硫廢水處理成本。
 
  三種比較方案均基于工業廣泛應用的技術,但本文對選項(1)和(3)進行了創新優化。
 
  ●超高壓反滲透UHP RO:化學軟化 – > 反滲透(SWRO 80 bar) – > 超高壓反滲透(UHPRO 120 bar)
 
  ●蒸發器EVAP:化學軟化 – > 反滲透(SWRO 80 bar) – > 蒸發器
 
  ●mEDR:單價電滲析(mEDR),無化學軟化
 
  1.淡化氯離子至1,500 mg/L
 
  2.淡化氯離子至500 mg/L
 
  所有方案均假設已經安裝預處理 “三聯箱”步驟。所有方案均產生最終濃水,該濃水可與粉煤灰結合進行固化并通過垃圾填埋廠填埋處理,或者進入零排放ZLD系統終處理。每種方案的回收率和濃水產量都包括在以下經濟分析中,但是濃水的終處置成本被排除在外,并假設大致相當,或至少不會影響下一步的最終結論。
 
  脫硫廢水處理方案背景
 
  方案1 (超高壓反滲透UHP RO)和方案2 (蒸發器EVAP):
 
  脫硫廢水處理方案1和2的簡化工藝流程圖如下圖1和2所示。 它們的最終濃縮步驟不同:(1)利用超高壓反滲透,產生130,000 mg / L TDS的濃水;(2)利用蒸發器,產生更高濃度的180,000 mg / L TDS的濃水,但其成本高于超高壓反滲透。
 
  圖1. 方案1簡化工藝流程圖:化學軟化 – 反滲透 SWRO– 超高壓反滲透UHP RO
 
  圖2. 方案2簡化工藝流程圖:化學軟化 – 反滲透 SWRO– 蒸發器 EVAP
 
  兩種方案都產生適合于排放至環境的處理水,且都利用上游低成本且廣泛可用的反滲透(SWRO)步驟。基于作者測試的脫硫廢水處理結果,蘇打化學軟化必須與反滲透和蒸發器共同使用。 其成本占處理總成本的近50%(資本加運行成本;見下表2)。
 
  方案3 單價電滲析(mEDR):
 
  單價電滲析(mEDR)選擇性地分離出氯離子以提高內部循環率并減少廢水量。 相關簡化工藝流程圖,請參見圖3。
 

 
  mEDR建立在世界上第二大廣泛應用的膜脫鹽技術-傳統電滲析技術的基礎上,并結合單價離子交換膜的最新進展。 這些離子交換膜由高韌性和高導電離子交換聚合物制成。 在電場作用下,這些膜選擇性地允許單價陰離子,例如氯離子,通過膜并在濃水流中濃縮,同時阻隔多價離子,例如硫酸根(參見圖4)。 與腎臟清理人體排出的廢物類似,mEDR可去除廢水中的氯離子,并將低氯水再循環回脫硫系統進行再利用。
 
圖4. 單價電滲析膜堆
 
  由于mEDR僅將氯離子和鈣離子轉移至濃水中,因此產生主要由氯化鈉和氯化鈣組成的非結垢濃水。 因為硫酸根無法進入濃水中,結垢物不會形成,因而可以在不需要昂貴的蘇打灰軟化的情況下實現高膜系統濃水濃度。
 
  基于真正的煙氣脫硫廢水的mEDR測試
 
  mEDR工藝已經通過小型中試設備(參見圖5)和Saltworks的小型膜堆對實際電廠脫硫廢水進行了測試,以證明其可行性并提供初始性能數據。 Saltworks的大規模膜堆有兩種尺寸如圖5所示,且根據過去的項目結果,小試結果可以線性擴展至大規模設備。
 
小型中試設備 – 完全自動化且完整的流程
 
小型膜堆
 
E100 膜堆: 100 立方米/天
 
E200 膜堆: 200立方米/天
 
  圖5. EDR小型中試設備和大規模膜堆
 
  測試表明,mEDR可以實現90%以上的回收率并去除90%以上的氯離子。產生的濃水主要由氯化鈣,氯化鎂和氯化鈉組成,并且大于150,000 mg/L TDS。脫硫廢水進水,處理水和濃水的分析結果如下表1所示。 圖6展示了各種離子的相對去除結果,包括與硫酸根相比極高的氯根去除率。
 
表1.煙氣脫硫廢水,處理水和濃水的水質數據
 
圖6. 脫硫廢水和mEDR處理水中主要成分濃度的比較
 
  測試設備可靠運行,無需化學軟化。 所用膜表現出優異的單價陰離子選擇性 – 氯離子減少了90%以上,而94%的硫酸根離子保留在脫硫廢水中。 以摩爾計,這意味著從脫硫廢水中除去的每200個氯離子,只有1個硫酸根離子通過單價陰離子交換膜。 這種高單價選擇性對于實現從脫硫廢水中除去氯離子,并將氯化鈣/氯化鎂/氯化鈉濃水濃縮而不結垢是至關重要的。 測試并未發生不可逆的有機或無機污染,且每30天進行預防性氧化劑清潔和氯化鈉清潔,可以保持設備穩定性能。
 
  脫硫廢水處理成本
 
  下表2比較了3種方案的資本和運行成本,結果基于實際脫硫水的測試數據和供應商價格,所有方案均假設流量300立方米/天(12.5立方米/小時)。成本核算基于測試數據和水質如表1所示。總成本包括資本成本和運行成本,資本成本的計算是假設20年的使用壽命,8%利息;運行成本包括,如能耗,化學品和膜更換,不包括安裝,操作人工和稅費。 mEDR設備淡化氯離子至1500 mg/L 需要六個Saltworks的E200膜堆,而淡化氯離子至500 mg/L 則需要十二個E200膜堆。 對于大于300立方米/天的處理流量,可通過簡單地添加更多膜堆實現。
 
表2. 脫硫廢水處理成本的比較
 
  *成本假設過濾設備和配套設備按照Saltworks要求的規格在中國制造; Saltworks供應膜,膜堆,工藝工程(P&ID),以及嵌入程序的PLC過程控制
 
  *成本不包括:安裝,人工,增值稅 – 假設對所有方案影響相同
 
  *成本假設隨著生產規模和數量的增大,可實現規模經濟
 
  結果顯示:
 
  與方案1和2相比,mEDR可節省高達50%的脫硫廢水處理的資本成本(無需化學軟化和熱蒸發系統)和運行成本。
 
  mEDR可以將氯離子去除到非常低的水平,但這可能不是最經濟的選擇。一旦氯離子減少到1,200 mg/L至1,500 mg/L Cl以下,膜鹽通量就會降低,電阻也會增加。因此需要額外增加膜面積和增大功率以達到較低的氯離子濃度。結果表明,雖然mEDR可以很容易地將處理水氯離子降至500 mg/L或更低,但是投資成本和能耗卻增加了50%。由于處理后的水會與脫硫系統內的高氯水混合,并且mEDR預處理成本較低,因此將氯離子降低至遠低于1,200 mg/L至1,500 mg/L可能沒有經濟意義。
 
  mEDR大型設備生產:
 
  由于mEDR  的基礎技術 – 電滲析并不是新興技術,因此大規模生產可以實現,現存生產系統如下圖7所示。
 
圖7.電滲析膜堆的大規模生產
 
  標準mEDR膜堆由6個Flex EDR E200膜堆組成,每個E200膜堆的水通量為200立方米/天。 每個膜堆每次將除去大約4,000 mg/L的TDS,需要多次重復才能達到更高的TDS去除量。 單價離子交換膜對該方案至關重要,推薦使用Saltworks IonFlux離子交換膜,因為其具有高單價離子選擇性,穩定性和氧化劑耐受性,且成本較低。
 
  Saltworks擁有一系列移動中試設備,可現場證實以上三種方案中的任何一種 – 反滲透RO,蒸發器EVAP或mEDR單價電滲析。 這些中試設備是集裝箱式的(圖8),并模仿大型設備包括自動化和設備控制系統。
 
圖8.電滲析中試設備
 
  結論:
 
  mEDR技術基于工業化的電滲析技術,為脫硫廢水處理提供了前景和可觀的經濟效益,成本節省高達50%。 適用于特定應用的中試設備可用來測試:
 
  ●mEDR方案的最佳氯離子濃度。
 
  ●濃水的水質特征,以防止有機物或其他離子等有害物質的積累。
 
  ●mEDR濃水排放固化要求和所需添加物。
 
  因為電滲析具有很長的工業化建造歷史,在現場中試之后,可以通過現有工廠快速交付大規模設備。 本文旨在作為一般指導。具體的項目需求,水化學和場地要求將改變項目經濟性。
 
  (本文系加拿大Saltworks技術公司企業投稿,未經授權,禁止轉載。)

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