城市再生水回用于发电厂烟气脱硫系统的可行性分析

冯礼奎，俞明芳，姚 琳

（1.浙江省电力试验研究院，杭州 310012；2.国电浙江北仑第一发电有限公司，浙江 宁波 315800；3．杭州市环境监测中心站，杭州 310007）

0 引言

某发电厂生产用淡水全部使用水库蓄水，2009年发电厂开始实施对外供热，使发电厂对淡水资源需求量大幅上升，现有水库蓄水量不能满足要求。根据发电厂用水状况核算，远期淡水缺口达210万m3/a，为此必须寻求新的淡水资源补给。发电厂附近1座污水处理厂具备10万t/d的再生水生产能力，水量能够满足发电厂要求，且取水设施投资较低，因此将再生水作为解决水资源问题的首选对象。发电厂各淡水用户中，脱硫工艺水对水质要求相对较低，脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，年耗水量约460万m3。若脱硫工艺水能够用再生水替代，发电厂将以简便经济的方式解决水源不足问题。

与水库原水相比，再生水水质较差，工艺水水质改变必定会给脱硫系统运行带来一些影响，因此在使用之前有必要对再生水回用于烟气脱硫系统的可行性和工艺水水质变化可能带来的影响进行分析，以便制定合理的再生水利用方案，避免水质变化带来的不利影响。

1 再生水水质特点

污水处理厂再生水处理系统设计的出水水质标准主要参考GB/T 19923-2005《城市污水再生利用——工业用水水质标准》和GB 50335-2002《污水再生利用设计规范》制定，实际运行中根据系统运行情况和用户的要求制定了水质指标期望值（即实控标准），提高了对再生水阴离子、化学需氧量（COD）、5日生化需氧量（BOD5）、硬度、悬浮物等重要指标的要求，以满足用户对设备腐蚀和结垢的防控要求。表1列出了污水处理厂再生水主要水质指标的设计标准、实控标准和2010年全年的水质分析统计数据。

表1 再生水主要水质控制标准与水质统计

日常水质分析数据统计结果表明，2010年全年所有水质分析数据均满足设计标准，合格率100%，其中COD、氨氮、BOD、浊度等可被污水厂处理工艺调节控制的水质指标均能达到期望值，而碱度、硬度、Cl-与SO42-等不能被处理的盐类离子在部分时间段内偶有超出期望值，但所有水质指标月、年平均值都在期望值范围内，其中Cl-年平均值为87.1 mg/L，SO42-年平均值为65.0 mg/L，电导率年平均值为478.4 μs/cm，再生水水质总体较好。

再生水水质在一年中不同时段内有所变化，表2为2010年不同月份再生水水质变化情况。再生水水质变化呈季节性，夏秋季水质较冬、春季略差，部分指标超出期望值也主要是发生在夏、秋季。

表3为2010年9月份再生水和水库原水水样的水质分析数据对比。与水库原水相比，再生水最大的特点是溶解性盐类离子含量、COD、硬度及碱度较高，pH值以及悬浮物含量与水库原水相当。此外，以城市污水为水源的再生水还有其独有特点，如含氨氮、磷等富营养物质，在消毒不彻底的情况下还可能携带病源体。

表3 再生水与水库原水水质比较

2 工艺水水质要求及再生水可用性

湿法脱硫系统工艺水主要用于石灰石浆液制备及浆液系统补水、除雾器喷淋、氧化空气增湿、石膏冲洗和停运时的设备管道冲洗，少部分用于泵轴密封，不同用途用水对水质要求有所不同，目前针对石灰石-石膏湿法脱硫工艺用水的水质没有明确的国家标准，水质要求主要从对脱硫工艺影响和设备腐蚀结垢方面进行考虑。

表2 再生水水质月平均值变化

工艺方面，湿法脱硫系统要对吸收塔浆液中Cl-与F-等盐类离子含量进行控制，过高的Cl-浓度会带来多方面的负面影响，包括：因同离子效应[1]抑制了CaCO3的溶解，影响SO2的吸收传质过程，降低脱硫效率；影响石膏结晶使石膏脱水困难，石膏品质降低；加剧金属材料的腐蚀等。F-对脱硫工艺最大的影响是在氟、铝共存时发生“氟化铝致盲”现象[2]，极大地阻碍石灰石溶解和反应，使其化学活性严重下降，脱硫效率降低。为防止Cl-与F-等盐类离子浓缩富集，脱硫系统运行过程中通过排放一定量废水控制浆液Cl-浓度在20 000 mg/L以下。脱硫工艺水是浆液中氯离子和其他盐类离子来源之一，为了降低工艺水的影响，对工艺水含盐量，特别是Cl-含量要进行限制。

工艺水水质对脱硫工艺的影响还体现在以下几方面：用作石膏冲洗水时，工艺水氯含量影响石膏品质；工艺水中石油类物质进入到浆液中可能覆盖在石灰石的表面，影响其溶解和反应；工艺水中有机物含量较高时，在吸收塔运行温度环境中可能造成有机物繁衍，在吸收塔内产生起泡现象，影响塔内液位检测。

若工艺水具有较强腐蚀性，会造成碳钢设备和泵轴密封系统加速腐蚀损坏。水的腐蚀性与其含盐量、强酸阴离子含量和酸碱性有关，为防止工艺水造成设备腐蚀，也有必要对工艺水水质进行限制。

根据国内湿法脱硫系统设计数据统计，对脱硫系统工艺水水质的要求可参考文献[3]。

从污水厂再生水水质日常分析数据来看，再生水水质满足GB/T 19923-2005《城市污水再生利用—工业用水水质》中的工艺与产品用水要求，也优于脱硫系统对工艺用水的一般要求[3]，将再生水回用于脱硫工艺用水在水质方面是可行的。

3 再生水水质对脱硫系统的影响

3.1 再生水腐蚀性与结垢倾向

有研究表明城市污水再生水与自然界淡水相比，前者对碳钢和铜合金的腐蚀性更强[4]，主要是因为再生水含盐量较高，水中Cl-和SO42-等易致腐蚀的强酸阴离子含量高，此外再生水细菌种类复杂，细菌在繁殖过程中的生理作用以及形成的生物粘泥会促进腐蚀。脱硫系统工艺水改用再生水后，系统中未采取防腐蚀措施的碳钢输水管道、水箱以及泵轴密封系统有可能出现腐蚀加速的情况，但只要将含盐量控制在一定范围，这种腐蚀风险仍然是可控的。

再生水的硬度、碱度虽然高于源水，但远低于钙镁垢析出的浓度，且输水系统不存在高温或盐分浓缩情况，在管道及用水设备中结垢的可能性很小。

3.2 含盐量变化的影响

工艺水含盐量变化最主要的影响是使浆液中部分盐类离子含量发生变化，在同等工艺水补水量和废水排放量情况下，使用再生水作为工艺水，浆液中盐类离子浓缩得更快。为了控制浆液中Cl-含量在一定水平，需增加废水排放量。增加部分排水量可通过物料平衡计算得出。

图1为浆液循环系统中Cl-平衡情况，假设浆液中控制Cl-质量浓度为ρk，在某一工况下每小时由石灰石和原烟气携带进入浆液中的Cl-量W维持不变，由石膏带出的量W1为稳定值，由净烟气携带出的蒸发水量维持不变且蒸发水中不含Cl-。脱硫废水可以认为分2部分，一部分为将石灰石及烟气带入的氯离子排出需排放的水量，这部分废水流量及带出的Cl-量W2是稳定的，第二部分则是为将由工艺水带入的Cl-排出需排放的废水量QF。

图1 浆液循环系统中Cl-平衡情况

使用水库原水作为工艺补水时，设原水Cl-质量浓度为ρ0，原水用量为Q0，第二部分废水量为QF0，根据Cl-进、出总量平衡情况，有如下关系式：

使用再生水时，设再生水Cl-质量浓度为ρ1，使用量为Q1，第二部分废水量为QF1，根据Cl-总量平衡同样有如下关系式：

增加的废水量：

由式（1）， （2）， （3）计算得出：

目前脱硫工艺水年平均用水量为460万t，原水Cl-含量年平均值在20 mg/L左右，按照再生水Cl-含量年平均值87.1 mg/L、浆液中Cl-含量控制值20 000 mg/L计算，使用再生水后全厂脱硫废水平均增加量约为1.77 t/h。

含盐量变化还会导致石膏中Cl-含量增加，需根据石膏品质要求确定再生水是否可用于石膏冲洗水。

3.3 碱度、硬度对脱硫工艺的影响

再生水碱度、硬度比原水高，其中碱度以碳酸盐碱度为主。碳酸盐碱度作为一种碱源有利于提高SO2吸收率，工艺水硬度的变化对以石灰石作为吸收剂的浆液化学过程影响可以忽略不计。

3.4 有机物及微生物的影响

COD高是再生水的一大特点，使用再生水作为脱硫工艺水，浆液和脱硫废水COD会升高，同Cl-控制一样，为控制废水COD也需要增加废水排放量。

再生水所含的有机质以及氮、磷等富营养物质有利于微生物的滋长，在杀生灭菌不彻底的情况下，输、供水系统中有可能产生生物粘泥，一些能够适应浆液酸性环境的病毒或细菌有可能在浆液系统内繁殖，若病毒和细菌随烟气扩散，将带来一定的环境健康风险。再生水生产工艺的最后环节为ClO2消毒杀菌处理，在保证浓度的前提下ClO2对再生水中的各种菌类和病毒有良好的杀灭作用，正常情况下再生水菌落数量可以保持在较低的水平，以保证用水安全。

4 再生水回用方式与水质管控

对发电厂来说，再生水不经处理直接回用于脱硫系统是最简便经济的利用方式，但考虑到水质变化所带来的影响，需要对脱硫系统用水水质进行管控，根据不同用户要求和再生水水质调整再生水回用方式。

（1）明确再生水含盐量（或电导率）、Cl-控制标准。过高的含盐量使再生水利用的技术经济性降低，为监测再生水水质和应对再生水水质波动，有必要在再生水供水管道上安装电导率表对再生水含盐量进行在线监测，当再生水电导率超出控制标准时，可通过参混部分水库原水来改善工艺水水质。

（2）对进厂再生水COD、氨氮含量、BOD和余氯含量进行检测。进厂再生水中应保持一定有效余氯量以防止藻类微生物或病原体在厂内水池、输水系统和吸收塔内生长繁殖及扩散。

（3）脱硫系统中对水质要求较高的用户应考虑保留使用水库原水，如石膏冲洗水和设备轴封用水，以保证石膏品质，防止轴封设备腐蚀损坏。

5 结语

石灰石湿法脱硫系统工艺用水是发电厂淡水资源消耗大户，将城市再生水回用于脱硫系统是一项重大节水措施，可以节省大量的天然淡水，在目前淡水资源越来越紧缺的情况下具有显著的环境和社会意义。

就水质而言，再生水满足GB/T 19923-2005《城市污水再生利用——工业用水水质》中工艺与产品用水要求，也满足脱硫工艺水一般要求，只要加强对水质的监测，适当调整运行方式，再生水回用于脱硫工艺水是完全可行的。

[1]邵炜.湿法脱硫吸收塔pH值异常分析和处理[J].浙江电力，2009（增）:82-83.

[2]曾庭华.湿法烟气脱硫系统的调试、试验及运行[M].北京，中国电力出版社，2008.

[3]姜靖雯，黄涛.锅炉补给水系统废水用于脱硫工艺水的偿试[J].广东电力，2009，22（10）：38-41.

[4]孙心利.城市污水再生水回用于电厂循环水的系统腐蚀及防护措施[J].中国电力，2007，40（6）:28-31.