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【中國環(huán)保在線 技術(shù)前沿】mEDR可以安裝于現(xiàn)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(dá)到的濃水濃度幾乎相當(dāng)于蒸發(fā)器可達(dá)濃水濃度。
關(guān)鍵要點(diǎn)
●隨著對煙氣脫硫廢水法規(guī)的收緊，電廠將需要添加額外的廢水處理設(shè)備。而這些處理通常需要大量化學(xué)品，成本很高。而降低處理成本的佳方法是減少廢水排放量，通?？梢酝ㄟ^增加廢水的內(nèi)部循環(huán)使用而達(dá)到目的。
●脫硫廢水的內(nèi)部循環(huán)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(nèi)部循環(huán)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(yè)化的含有單價選擇性膜的倒極電滲析(mEDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)脫硫廢水的內(nèi)部再循環(huán)，同時分離出不結(jié)垢的氯化鈉/氯化鈣濃水，實(shí)現(xiàn)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(jī)物，隨著有機(jī)物的循環(huán)積累，該低氯處理水將不可能實(shí)現(xiàn)100%循環(huán)使用，但即使是部分再循環(huán)，也會極大降低昂貴的脫硫廢水處理基礎(chǔ)設(shè)施的成本。
●該技術(shù)需要使用選擇性高于98%的高強(qiáng)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(jié)垢，并且可以使用強(qiáng)氧化劑(如“漂白劑”)進(jìn)行清潔。
●mEDR可以安裝于現(xiàn)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(dá)到的濃水濃度幾乎相當(dāng)于蒸發(fā)器可達(dá)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(jīng)濟(jì)。更低的氯濃度需要以更高的成本和更高的能耗為代價實(shí)現(xiàn)。這是由于當(dāng)氯濃度降低至1,200-1,500 mg/L以下時，系統(tǒng)膜鹽通量降低，因此需要更高的成本和能耗。
●經(jīng)濟(jì)計(jì)算顯示相比于現(xiàn)有的處理方案，mEDR可節(jié)省高達(dá)50%的成本。進(jìn)一步的測試，包括現(xiàn)場中試項(xiàng)目，將幫助驗(yàn)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(tǒng)用于去除二氧化硫(SO2)空氣排放。它們產(chǎn)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(nèi)部循環(huán)，直到其氯離子濃度超過設(shè)定水平，則從系統(tǒng)中排出。高氯根濃度會抑制煙氣中SO2的吸收，并產(chǎn)生腐蝕問題。氯離子排放濃度取決于不同的運(yùn)行設(shè)備，一般范圍為10,000 mg/L至30,000 mg/L。
大多數(shù)脫硫系統(tǒng)已經(jīng)包括一些廢水處理裝置，通常稱為“三聯(lián)箱”，其中重金屬和氟化物通過調(diào)整酸堿度pH(~pH 9)，并與聚合物和絮凝結(jié)合沉淀除去，然后壓濾機(jī)進(jìn)行終處理。在過去，通過以上步驟，包含氯，硒和其他總?cè)芙夤腆w(TDS)組成成分的滲濾液將被排放。但電廠行業(yè)將面臨強(qiáng)制TDS去除的新法規(guī)。本文作者測試了多種處理方案，為未來脫硫廢水處理的發(fā)展提供了合適的途徑。本文總結(jié)了三種方案，并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，單價電滲析(mEDR)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(yè)廣泛應(yīng)用的技術(shù)，但本文對選項(xiàng)(1)和(3)進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化。
●超高壓反滲透UHP RO：化學(xué)軟化 – > 反滲透(SWRO 80 bar) – > 超高壓反滲透(UHPRO 120 bar)
●蒸發(fā)器EVAP：化學(xué)軟化 – > 反滲透(SWRO 80 bar) – > 蒸發(fā)器
●mEDR：單價電滲析(mEDR)，無化學(xué)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(shè)已經(jīng)安裝預(yù)處理 “三聯(lián)箱”步驟。所有方案均產(chǎn)生終濃水，該濃水可與粉煤灰結(jié)合進(jìn)行固化并通過垃圾填埋廠填埋處理，或者進(jìn)入零排放ZLD系統(tǒng)終處理。每種方案的回收率和濃水產(chǎn)量都包括在以下經(jīng)濟(jì)分析中，但是濃水的終處置成本被排除在外，并假設(shè)大致相當(dāng)，或至少不會影響下一步的終結(jié)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(fā)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。 它們的終濃縮步驟不同：(1)利用超高壓反滲透，產(chǎn)生130,000 mg / L TDS的濃水;(2)利用蒸發(fā)器，產(chǎn)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(xué)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(xué)軟化 – 反滲透 SWRO– 蒸發(fā)器 EVAP
兩種方案都產(chǎn)生適合于排放至環(huán)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?；谧髡邷y試的脫硫廢水處理結(jié)果，蘇打化學(xué)軟化必須與反滲透和蒸發(fā)器共同使用。 其成本占處理總成本的近50%(資本加運(yùn)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(nèi)部循環(huán)率并減少廢水量。 相關(guān)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(yīng)用的膜脫鹽技術(shù)-傳統(tǒng)電滲析技術(shù)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合單價離子交換膜的新進(jìn)展。 這些離子交換膜由高韌性和高導(dǎo)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(huán)回脫硫系統(tǒng)進(jìn)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(zhuǎn)移至濃水中，因此產(chǎn)生主要由氯化鈉和氯化鈣組成的非結(jié)垢濃水。 因?yàn)榱蛩岣鶡o法進(jìn)入濃水中，結(jié)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(shí)現(xiàn)高膜系統(tǒng)濃水濃度。
基于真正的煙氣脫硫廢水的mEDR測試
mEDR工藝已經(jīng)通過小型中試設(shè)備(參見圖5)和Saltworks的小型膜堆對實(shí)際電廠脫硫廢水進(jìn)行了測試，以證明其可行性并提供初始性能數(shù)據(jù)。 Saltworks的大規(guī)模膜堆有兩種尺寸如圖5所示，且根據(jù)過去的項(xiàng)目結(jié)果，小試結(jié)果可以線性擴(kuò)展至大規(guī)模設(shè)備。
小型中試設(shè)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(shè)備和大規(guī)模膜堆
測試表明，mEDR可以實(shí)現(xiàn)90%以上的回收率并去除90%以上的氯離子。產(chǎn)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(jìn)水，處理水和濃水的分析結(jié)果如下表1所示。 圖6展示了各種離子的相對去除結(jié)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(zhì)數(shù)據(jù)
圖6. 脫硫廢水和mEDR處理水中主要成分濃度的比較
測試設(shè)備可靠運(yùn)行，無需化學(xué)軟化。 所用膜表現(xiàn)出優(yōu)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(jì)，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(shí)現(xiàn)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(jié)垢是至關(guān)重要的。 測試并未發(fā)生不可逆的有機(jī)或無機(jī)污染，且每30天進(jìn)行預(yù)防性氧化劑清潔和氯化鈉清潔，可以保持設(shè)備穩(wěn)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(yùn)行成本，結(jié)果基于實(shí)際脫硫水的測試數(shù)據(jù)和供應(yīng)商價格，所有方案均假設(shè)流量300立方米/天(12.5立方米/小時)。成本核算基于測試數(shù)據(jù)和水質(zhì)如表1所示。總成本包括資本成本和運(yùn)行成本，資本成本的計(jì)算是假設(shè)20年的使用壽命，8%利息；運(yùn)行成本包括，如能耗，化學(xué)品和膜更換，不包括安裝，操作人工和稅費(fèi)。 mEDR設(shè)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(shí)現(xiàn)。
表2. 脫硫廢水處理成本的比較
*成本假設(shè)過濾設(shè)備和配套設(shè)備按照Saltworks要求的規(guī)格在中國制造； Saltworks供應(yīng)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(shè)對所有方案影響相同
*成本假設(shè)隨著生產(chǎn)規(guī)模和數(shù)量的增大，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)
結(jié)果顯示：
與方案1和2相比，mEDR可節(jié)省高達(dá)50%的脫硫廢水處理的資本成本(無需化學(xué)軟化和熱蒸發(fā)系統(tǒng))和運(yùn)行成本。
mEDR可以將氯離子去除到非常低的水平，但這可能不是經(jīng)濟(jì)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(dá)到較低的氯離子濃度。結(jié)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(tǒng)內(nèi)的高氯水混合，并且mEDR預(yù)處理成本較低，因此將氯離子降低至遠(yuǎn)低于1,200 mg/L至1,500 mg/L可能沒有經(jīng)濟(jì)意義。
mEDR大型設(shè)備生產(chǎn)：
由于mEDR 的基礎(chǔ)技術(shù) – 電滲析并不是新興技術(shù)，因此大規(guī)模生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)。
標(biāo)準(zhǔn)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(fù)才能達(dá)到更高的TDS去除量。 單價離子交換膜對該方案至關(guān)重要，推薦使用Saltworks IonFlux離子交換膜，因?yàn)槠渚哂懈邌蝺r離子選擇性，穩(wěn)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(shè)備，可現(xiàn)場證實(shí)以上三種方案中的任何一種 – 反滲透RO，蒸發(fā)器EVAP或mEDR單價電滲析。 這些中試設(shè)備是集裝箱式的(圖8)，并模仿大型設(shè)備包括自動化和設(shè)備控制系統(tǒng)。
圖8.電滲析中試設(shè)備
結(jié)論：
mEDR技術(shù)基于工業(yè)化的電滲析技術(shù)，為脫硫廢水處理提供了前景和可觀的經(jīng)濟(jì)效益，成本節(jié)省高達(dá)50%。 適用于特定應(yīng)用的中試設(shè)備可用來測試：
●mEDR方案的佳氯離子濃度。
●濃水的水質(zhì)特征，以防止有機(jī)物或其他離子等有害物質(zhì)的積累。
●mEDR濃水排放固化要求和所需添加物。
因?yàn)殡姖B析具有很長的工業(yè)化建造歷史，在現(xiàn)場中試之后，可以通過現(xiàn)有工廠快速交付大規(guī)模設(shè)備。 本文旨在作為一般指導(dǎo)。具體的項(xiàng)目需求，水化學(xué)和場地要求將改變項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。
(本文系加拿大Saltworks技術(shù)公司企業(yè)投稿，未經(jīng)授權(quán)，禁止轉(zhuǎn)載。圖片授權(quán)發(fā)布，版權(quán)歸原作者所有。)
