Analisi dei processi e delle caratteristiche del trattamento delle acque reflue di desolforazione delle centrali elettriche

Abstract: La desolforazione a umido del calcare-gesso è la tecnologia tradizionale per il controllo delle emissioni di anidride solforosa nelle centrali termoelettriche. Le risultanti acque reflue di desolforazione, caratterizzate da elevata salinità, elevata durezza, elevato contenuto di metalli pesanti e bassa biodegradabilità, rappresentano una sfida significativa per il trattamento delle acque reflue delle centrali elettriche. Questo documento si concentra sul sistema di processo principale del trattamento delle acque reflue di desolforazione delle centrali elettriche, descrivendo in dettaglio i principi e le procedure operative dei processi principali in ciascuna fase in base al flusso di "pretrattamento → concentrazione profonda → trattamento di solidificazione/cristallizzazione". Analizza le caratteristiche tecniche, i vantaggi, i limiti e gli scenari applicabili dei diversi processi, integrando i principi fondamentali della selezione del processo per fornire un riferimento professionale per la selezione ottimizzata e il funzionamento efficiente dei processi di trattamento delle acque reflue di desolforazione delle centrali elettriche, contribuendo così alla produzione pulita e alla trasformazione verde del settore dell'energia termica.

Parole chiave: Centrale termoelettrica; desolforazione delle acque reflue; processo di trattamento; caratteristiche del processo; pretrattamento; concentrazione profonda; trattamento di cristallizzazione

Con standard di emissione ambientale sempre più rigorosi e il progresso degli obiettivi “dual carbon”, il trattamento conforme delle acque reflue di desolforazione delle centrali termoelettriche è diventato un anello cruciale per raggiungere uno sviluppo verde. Attualmente, oltre il 90% delle centrali termoelettriche nel mio paese utilizza il processo di desolforazione umida del calcare-gesso. Questo processo richiede il lavaggio della torre di desolforazione, del demister e del sistema di disidratazione del gesso con acqua pulita, con conseguente acque reflue di desolforazione ricche di metalli pesanti, alte concentrazioni di sali e solidi sospesi. A causa della complessa qualità dell’acqua e dell’elevata difficoltà di trattamento, uno smaltimento improprio può causare inquinamento del suolo e dell’acqua, mettendo a rischio anche il funzionamento sicuro delle apparecchiature delle centrali elettriche.

Il trattamento delle acque reflue di desolforazione delle centrali elettriche deve aderire ai principi di "riduzione, innocuità e recupero delle risorse", formando un sistema di processo completo di "pretrattamento → concentrazione profonda → trattamento di solidificazione/cristallizzazione". I diversi processi variano in modo significativo in termini di caratteristiche tecniche, efficienza del trattamento e costi operativi. Una selezione ragionevole delle combinazioni di processi è fondamentale per raggiungere un equilibrio tra il trattamento conforme delle acque reflue e l’efficienza economica. Questo articolo si concentra sul riepilogo dei processi principali in ogni fase, sull'analisi approfondita delle loro caratteristiche di processo e sul supporto per la selezione dei processi nel settore.

La qualità delle acque reflue di desolforazione è significativamente influenzata dalla qualità del carbone, dalla purezza del calcare e dai parametri del processo di desolforazione, mostrando caratteristiche complessive di "quattro massimi e due minimi", determinando direttamente la direzione della selezione del processo di trattamento. Nello specifico:

Salinità elevata: solidi totali disciolti (TDS) 20.000~100.000 mg/L, raggiungendo un massimo di 150.000 mg/L, composti principalmente da Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ e K⁺, che mostrano una corrosività estremamente forte;

Elevata durezza: la concentrazione di Ca²⁺ può raggiungere oltre 4000 mg/L. Il contenuto di Mg²⁺ è di circa 1600 mg/L, formando facilmente incrostazioni insolubili che intasano le apparecchiature; Elevato contenuto di metalli pesanti: contiene mercurio, cadmio, piombo, arsenico, ecc., a concentrazioni di 0,1~10 mg/L, alcuni dei quali formano complessi stabili, rendendo difficile la rimozione; Solidi sospesi elevati (SS): concentrazione 1000~10000 mg/l, composta principalmente da particelle di gesso e polvere di calcare, tubi facilmente abrasivi; Basso valore di pH: 4,5~6,0, debolmente acido, che aggrava la corrosione delle apparecchiature; Bassa biodegradabilità: BOD/COD < 0,1, difficile da degradare con metodi biologici, che richiedono processi fisico-chimici.

Inoltre, le acque reflue contengono anche fluoruri, silicati e materia organica recalcitrante, aumentando ulteriormente la complessità della selezione del processo, richiedendo processi di trattamento con forte specificità e resilienza alle fluttuazioni.

Il trattamento delle acque reflue di desolforazione delle centrali elettriche è un progetto sistematico. Ogni fase del processo è interconnessa e funziona sinergicamente. La selezione dei processi per le diverse fasi deve basarsi sulle caratteristiche della qualità dell'acqua, sugli obiettivi del trattamento e sulle condizioni effettive della centrale elettrica. Quella che segue è un'analisi dettagliata dei processi principali e delle caratteristiche principali di ciascuna fase.

3.1 Processi e caratteristiche di pretrattamento Il pretrattamento è il fondamento del trattamento delle acque reflue di desolforazione. I suoi obiettivi principali sono rimuovere i solidi sospesi, la maggior parte dei metalli pesanti, ioni di calcio e magnesio, fluoruri e silicati, ridurre la torbidità e la durezza delle acque reflue, prevenire incrostazioni e intasamenti nei processi successivi e fornire affluenti qualificati per il trattamento avanzato. I processi tradizionali comprendono la coagulazione e la sedimentazione, l'addolcimento chimico e la chiarificazione della filtrazione. Nei progetti reali vengono spesso utilizzati processi combinati.

3.1.1 Processo di coagulazione e sedimentazione

Principio del processo: alle acque reflue vengono aggiunti coagulanti (cloruro di polialluminio, solfato poliferrico, ecc.) e coadiuvanti coagulanti (poliacrilammide). Attraverso l'adsorbimento e la flocculazione, i solidi sospesi fini e i colloidi formano grandi fiocchi, che vengono poi separati mediante sedimentazione. Contemporaneamente, il valore del pH viene regolato a 8,5-9,5 (aggiungendo idrossido di calcio), provocando la precipitazione degli ioni di metalli pesanti come idrossidi e alcuni ioni fluoruro vengono rimossi (formando un precipitato di fluoruro di calcio).

Caratteristiche del processo:

Vantaggi: processo semplice, funzionamento conveniente, bassi costi di investimento e operativi; un tasso di rimozione dei solidi sospesi superiore all'80%, un tasso di rimozione dei metalli pesanti del 60%-80%, può ridurre rapidamente la torbidità delle acque reflue, adatto alle esigenze di pretrattamento di varie centrali elettriche.

Limitazioni: effetto di rimozione limitato su sali solubili e complessi di metalli pesanti; richiede l'uso in combinazione con processi chimici di addolcimento e filtrazione; in condizioni di COD elevato, è necessaria una tecnologia di ossidazione avanzata, altrimenti gli effetti del trattamento successivo saranno influenzati.

Scenari applicabili: pretrattamento delle acque reflue di desolforazione provenienti da tutte le centrali elettriche, particolarmente adatto per centrali elettriche di piccole e medie dimensioni-con elevato contenuto di solidi sospesi e metalli pesanti e budget limitati.

3.1.2 Processo di addolcimento chimico
Principio del processo: il nucleo consiste nel rimuovere gli ioni di calcio e magnesio per ridurre la durezza delle acque reflue. Il metodo tradizionale è la precipitazione chimica, che si divide in ammorbidente con calce-soda e idrossido di sodio-ammorbidimento con soda, in base ai reagenti utilizzati. Il metodo con carbonato di sodio e calce- è il più utilizzato. In condizioni di elevata durezza e alta silice, viene utilizzato un processo di rammollimento in tre-fasi, aggiungendo in sequenza Ca(OH)₂, Na₂SO₄ e Na₂CO₃ per rimuovere Mg²⁺, parte Ca²⁺ e il restante Ca²⁺ passo dopo passo, generando precipitati di Mg(OH)₂, CaSO₄ e CaCO₃.

Caratteristiche del processo:

Vantaggi: Altamente mirato, riduce efficacemente la durezza delle acque reflue (Ca²⁺ inferiore o uguale a 500 mg/L, Mg²⁺ inferiore o uguale a 1000 mg/L), prevenendo la formazione di incrostazioni nei successivi processi di evaporazione e separazione a membrana; il metodo con carbonato di sodio e calce- prevede reagenti a basso costo e facilmente disponibili ed è adatto per acque reflue con desolforazione di silice-elevata e con elevata-durezza.

Limitazioni: il dosaggio dei reagenti richiede un controllo preciso, altrimenti è probabile un inquinamento secondario; la produzione di fanghi è elevata e richiede strutture di supporto per lo smaltimento dei fanghi; il metodo con idrossido di sodio-carbonato di sodio è costoso e adatto solo a scenari con requisiti di durezza dell'effluente estremamente elevati.

Scenari applicabili: pretrattamento di acque reflue di desolforazione ad alto-durezza, ad alto-silice e ad alto-fluoruro, particolarmente adatte per processi successivi come la separazione a membrana e l'evaporazione MVR con requisiti rigorosi sulla durezza dell'affluente.

3.1.3 Processo di filtrazione e chiarificazione

Principio del processo: questo processo rimuove ulteriormente i fiocchi fini, i solidi sospesi e i colloidi dalla coagulazione, sedimentazione e addolcimento chimico, garantendo che la torbidità dell'effluente pretrattato soddisfi gli standard (generalmente inferiore o uguale a 100 mg/l, la concentrazione della membrana richiede inferiore o uguale a 5 mg/l). Le tecnologie tradizionali includono la filtrazione a sabbia, l'ultrafiltrazione (UF) e la filtrazione su membrana tubolare.

Caratteristiche del processo:

Vantaggi: Elevata precisione di filtrazione; l'ultrafiltrazione può ridurre la torbidità dell'effluente al di sotto di 1 NTU; le membrane tubolari hanno forti capacità anti-incrostazioni e sono facili da pulire e mantenere; protegge efficacemente i moduli a membrana a valle e le apparecchiature di evaporazione, migliorando la stabilità del sistema; la filtrazione a sabbia è poco costosa; l'ultrafiltrazione e le membrane tubolari sono adatte per scenari con grandi fluttuazioni nella qualità dell'acqua.

Limitazioni: la filtrazione a sabbia ha un'efficacia limitata nella rimozione dei colloidi fini; l'ultrafiltrazione e le membrane tubolari hanno costi di investimento più elevati e i moduli a membrana devono essere sostituiti regolarmente (durata 1-3 anni); le membrane tubolari funzionano a pressioni più elevate e hanno un consumo energetico leggermente superiore.

Scenari applicabili: la filtrazione a sabbia è adatta per la fine del pretrattamento convenzionale; l'ultrafiltrazione e le membrane tubolari sono adatte per le centrali elettriche in cui vengono utilizzati successivi processi di concentrazione a membrana o dove la concentrazione di solidi sospesi fluttua in modo significativo.

3.2 Processo e caratteristiche di concentrazione profonda Anche dopo il pretrattamento, le acque reflue contengono ancora elevate concentrazioni di sali (TDS maggiore o uguale a 10.000 mg/L), che richiedono una concentrazione profonda per ridurne il volume (80%~90%). La salamoia concentrata viene poi utilizzata per la successiva solidificazione/cristallizzazione, mentre l'acqua dolce può essere riciclata. Il processo principale è diviso in due categorie principali: concentrazione di separazione tramite membrana e concentrazione di evaporazione.

3.2.1 Processo di concentrazione e separazione tramite membrana
Principio del processo: Sulla base della permeabilità selettiva delle membrane, i sali e l'acqua vengono separati sotto pressione. Le tecnologie tradizionali includono l'osmosi inversa (RO), la nanofiltrazione (NF) e l'osmosi inversa del tubo a disco (DTRO). La nanofiltrazione può ottenere la separazione preliminare delle impurità, gettando le basi per il recupero delle risorse.

Caratteristiche del processo:

Vantaggi: Elevata efficienza di concentrazione; Tasso di recupero dell'acqua dolce RO 70% ~ 80%, tasso di desalinizzazione superiore al 99%, il permeato può essere riutilizzato direttamente; DTRO ha forti capacità antivegetative, adatto per acque reflue ad alta-salinità e solidi-sospesi-, il rapporto di concentrazione può raggiungere 10~20 volte; La nanofiltrazione può trattenere gli ioni bivalenti, riducendo il carico sui processi successivi e facilitando l’utilizzo delle risorse di sali vari.

Limitazioni: requisiti rigorosi per la qualità dell'acqua influente; la durezza ed i solidi sospesi devono essere rigorosamente controllati per evitare intasamenti della membrana; le normali membrane RO non sono resistenti all'alto contenuto di cloro, pertanto richiedono l'uso di membrane specializzate resistenti al cloro-; elevati costi di sostituzione delle membrane (che rappresentano oltre il 40% dei costi operativi totali), con conseguente elevata soglia di investimento.

Scenari applicabili: RO è adatto per centrali elettriche con elevata domanda di concentrazione e riutilizzo delle acque reflue di desolforazione a salinità da bassa-a-media; DTRO è adatto per acque reflue con grandi fluttuazioni della qualità dell'acqua, elevata salinità e alti solidi sospesi; La nanofiltrazione è adatta per progetti incentrati sull'utilizzo delle risorse di sali vari.

3.2.2 Processo di evaporazione e concentrazione

Principio del processo: questo processo concentra i sali facendo evaporare l'acqua dalle acque reflue attraverso il riscaldamento. È adatto per acque reflue ad alta-salinità (TDS maggiore o uguale a 30.000 mg/L). Le tecnologie tradizionali includono la ricompressione meccanica del vapore (MVR), l'evaporazione dell'estrazione del gas vettore e l'evaporazione dei gas di scarico.

Caratteristiche del processo:

Vantaggi: MVR ha un basso consumo energetico (circa 30~50 kWh/t acqua), un rapporto di concentrazione di 10~20 volte ed è adatto per il trattamento su larga scala-; l'evaporazione per l'estrazione del gas vettore può utilizzare il calore di scarto delle centrali elettriche, ha bassi requisiti di pretrattamento e bassi costi operativi; l'evaporazione dei gas di combustione ha un consumo energetico estremamente basso e investimenti ridotti, può raggiungere zero scarichi di acque reflue ed è adatto per centrali elettriche-di piccole e medie dimensioni.

Limitazioni: MVR presenta costi di investimento elevati, richiede un'elevata stabilità della qualità dell'acqua di alimentazione ed è soggetto a incrostazioni e intasamenti; la tecnologia di evaporazione per l'estrazione del gas vettore ha una soglia elevata ed è attualmente meno utilizzata; L'evaporazione dei fumi richiede il controllo dell'effetto di atomizzazione per evitare la corrosione e l'intasamento dei fumi e richiede il monitoraggio delle emissioni di metalli pesanti.

Scenari applicabili: MVR è adatto per centrali termoelettriche su larga scala-e progetti con elevati requisiti di zero{1}emissioni; l'evaporazione per l'estrazione del gas vettore è adatta per grandi centrali elettriche con calore di scarto disponibile e spazio limitato; l'evaporazione dei gas di combustione è adatta per centrali elettriche di piccole e medie-dimensioni e per progetti a zero{3}emissioni con budget limitati.

3.3 Processi e caratteristiche di solidificazione/cristallizzazione La salamoia profondamente concentrata (TDS maggiore o uguale a 50.000 mg/l) deve essere resa innocua mediante solidificazione o cristallizzazione. Alcuni processi possono ottenere il recupero delle risorse saline, che è un passo fondamentale per raggiungere lo scarico zero delle acque reflue di desolforazione. I processi principali includono la cristallizzazione per evaporazione, la solidificazione per evaporazione dei gas di combustione e la solidificazione del cemento.

3.3.1 Processo di evaporazione cristallizzazione
Principio del processo: la salamoia concentrata viene introdotta in un cristallizzatore per un'ulteriore evaporazione dell'acqua, facendo sì che i sali raggiungano la saturazione e cristallizzino. In combinazione con le tecnologie di nanofiltrazione e nitrificazione criogenica, è possibile ottenere una purificazione graduale delle impurità, separando cloruro di sodio, solfato di sodio e altri sali.

Caratteristiche del processo:

Vantaggi: Consente il recupero delle risorse saline; il sale recuperato, una volta conforme agli standard di purezza, può essere riutilizzato come materia prima industriale; trattamento approfondito; la salamoia concentrata dopo la cristallizzazione è innocua, senza inquinamento secondario; adatto per il trattamento di salamoia ad alto contenuto di sale concentrato; può essere integrato con MVR per il funzionamento a basso- consumo energetico.

Limitazioni: elevati costi di investimento e operativi; difficile purificazione dei sali misti; i sali misti prodotti dalle lavorazioni ordinarie devono essere smaltiti come rifiuti pericolosi; requisiti elevati per la stabilità della qualità dell'acqua di alimentazione; l'effetto di cristallizzazione è fortemente influenzato dalle fluttuazioni della qualità dell'acqua.

Scenari applicabili: Grandi centrali elettriche; progetti con forte domanda per il recupero misto di risorse saline; particolarmente adatto per scenari con grandi volumi di acque reflue da desolforazione e un elevato valore di recupero del sale, come le centrali elettriche chimiche a carbone.

3.3.2 Processo di evaporazione e solidificazione dei fumi

Principio del processo: la salamoia concentrata viene atomizzata e spruzzata nel condotto di scarico della caldaia. Il calore disperso dei gas di combustione (120~180 gradi) provoca una rapida evaporazione dell'umidità. Il sale cristallizza e viene catturato con le ceneri volanti, formando una miscela di ceneri volanti. Se soddisfa gli standard, può essere utilizzato come materiale da costruzione; altrimenti viene smaltito in discarica come rifiuto pericoloso.

Caratteristiche del processo:

Vantaggi: Consumo energetico estremamente basso, nessun riscaldamento aggiuntivo richiesto, basso costo di investimento (40% inferiore a MVR); funzionamento semplice, ingombro ridotto e rapido raggiungimento di zero emissioni; adatto per il trattamento di varie salamoie concentrate.

Limitazioni: requisiti elevati per le apparecchiature di atomizzazione; soggetto alla deposizione dei fumi e alla corrosione; il contenuto di metalli pesanti nelle ceneri volanti può superare gli standard, richiedendo un monitoraggio rigoroso; non può raggiungere l’utilizzo delle risorse saline e il trattamento dei sali vari dipende dall’utilizzo delle ceneri volanti.

Scenari applicabili: centrali termoelettriche di piccole e medie-dimensioni, progetti con spazio limitato, esigenze urgenti di zero{1}emissioni e budget limitati.

3.3.3 Processo di solidificazione del cemento

Principio del processo: vengono miscelati salamoia concentrata, sali vari, cemento e un agente solidificante. Attraverso la reazione di idratazione del cemento, i metalli pesanti vengono fissati nella matrice cementizia, riducendo il rischio di lisciviazione. Una volta che il corpo solidificato soddisfa gli standard, viene smaltito in discarica.

Caratteristiche del processo:
Vantaggi: processo semplice, funzionamento conveniente, basso costo; buon effetto di trattamento per salamoia concentrata con alto contenuto di metalli pesanti, riducendo efficacemente il rischio di lisciviazione di metalli pesanti; adatto per scenari di smaltimento di emergenza.

Limitazioni: il recupero delle risorse non è possibile; il materiale solidificato è di grandi dimensioni e occupa risorse territoriali; i costi di smaltimento sono elevati e vi è il rischio di lisciviazione a lungo-termine, che porta a una graduale diminuzione della sua applicazione.

Scenari applicabili: trattamento di salamoia concentrata con contenuto di metalli pesanti estremamente elevato che è difficile da riciclare o necessità di smaltimento di emergenza.

La scelta di un processo per il trattamento delle acque reflue di desolforazione delle centrali elettriche dovrebbe considerare le caratteristiche di qualità dell'acqua, gli obiettivi di trattamento (scarico conforme/scarico zero), la scala della centrale elettrica, il budget e le condizioni del sito. I principi fondamentali dovrebbero essere "altamente mirati, economicamente efficienti e stabilmente operativi": per le centrali elettriche di piccole e medie-dimensioni con fondi limitati e nessuna necessità di recupero delle risorse, è possibile utilizzare un processo di "sedimentazione della coagulazione + filtrazione della sabbia + evaporazione dei gas di combustione"; per le grandi centrali elettriche con requisiti elevati di scarico pari a zero, è possibile utilizzare un processo di "addolcimento a tre stadi + ultrafiltrazione + evaporazione MVR + cristallizzazione per evaporazione"; per gli impianti focalizzati sul recupero delle risorse di sali vari, i processi di nanofiltrazione e nitrificazione criogenica dovrebbero essere combinati.

In sintesi, il trattamento delle acque reflue di desolforazione delle centrali elettriche ha formato un sistema tecnologico maturo, in cui ciascun processo tradizionale presenta vantaggi e svantaggi: i processi di pretrattamento si concentrano sulla "rimozione delle impurità e sulla riduzione della durezza" per garantire un trattamento successivo stabile; i processi di concentrazione profonda si concentrano sulla "riduzione del volume" per bilanciare consumo energetico e costi; e i processi di solidificazione/cristallizzazione si concentrano su "innocuità + utilizzo delle risorse" per risolvere il problema dello smaltimento dei sali vari. In futuro, lo sviluppo tecnologico migliorerà verso il basso consumo energetico, l'utilizzo delle risorse e l'intelligenza, ottimizzando ulteriormente le combinazioni di processi, riducendo i costi operativi, migliorando il tasso di utilizzo delle risorse di sali vari e aiutando il settore dell'energia termica a raggiungere uno sviluppo verde e di alta-qualità.