热电厂灰水中和处理的数学模型确定及应用

杨惠萍
安庆石化设计院，安庆　246003

　　摘要：热电厂灰水需经中和处理后才能排放。通过对热电厂冲灰水加酸中和处理方案的研究，确定了在灰场排放口建中和池投加98％H₂SO₄的工艺流程。利用小试测得的投酸量与出水pH值的关系数据，通过线性回归分析，建立了碱性灰水自动投加98％H₂SO₄的数学模式，实现了工业控制器现场自动投加，从而确保出水pH值降到8.4左右，使之在排放标准内稳定排放，实现良好的社会效益和经济效益。
　　关键词：冲灰水；加酸中和；数学模式；自动加酸
　　中图分类号：X773
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455(2000)03-0018-03A

Determination and application of Mathematical Model for Neutralization Treatment of Ash-Bearring Wastewater from Heat and Power Plant
YANG Hui-ping

　　Abstract:The ash-bearing wastewater from heat and power palnts must be neutralized before discharged. A process of dosing 98％ sulfuric acid into a neytralization tank built at the outlet of the ash ground of a heat ＆ power plant was decided based on a study on the acid-neutralization treatment of the ash-bearing wastewater from the heat and power plant．By using the relationship data determined in laboratory tests between the dose of acid and the pH value of the effluent water and through analyzing the linear regression a mathematical model of automatically dosing 98％ sulfuric acid into alkaline ash-bearing wastewater was established which realized field automatic dosing by industrial controller and ensured the pH value of the effluent water to drop to 8.4 approximately and maintained a stable discharging of the effluent water within the standard range for it with good social and economic results obtained．
　　Key words：ash waste water；acid neutralization；mathematical pattern；automatical dosing

　　安庆石油化工总厂热电厂为总厂自备电厂，装机总容量为2.0×10⁵ kW。热电厂3#炉、4#炉、5^#炉均为煤粉炉，炉渣排放采用水力冲灰方式，冲灰水量最大为600 m³/h左右，通过灰管排至灰场：市郊皖河入江口处，距热电厂5.5 km，灰水在灰场沉淀后，澄清灰水经皖河排入长江。

1　问题的提出

　　冲灰水ｐＨ值一般在11左右，超过pH值6～9的排放标准[1]。热电厂原采用的办法是在厂内投加盐酸，中和达标后再经灰场排放，但环保部门检测结果表明，排放口灰水pH值仍超出排放标准，因而被安徽省列为1999年度100家环保治理项目，限期整改。

2　处理方案

　　确定灰水处理工艺流程，首先要确定的是加酸地点、加酸药剂，以便获得更好的处理效果和最佳经济效益。
2.1　加酸地点的选择
　　分析热电厂原处理方案失败的原因，主要是在灰水未澄清前加酸，虽然瞬时pH值可降至6～9范围，但灰水中悬浮物不断溶出CaO等碱性物质，会使pH值再次回升。因此，我们选择加酸地点在灰场排放口处，在灰场排放口加酸有两个优点：
　　① 冲灰水在灰场经过混合和自然沉淀后，澄清灰水pH值较稳定，易于治理；
　　② 灰水在灰场通过自然曝气作用，吸收空气中的CO₂，使pH值有所下降，可节省加酸量。
2.2　加酸药剂的选择
　　选择加酸药剂是基于经济方面考虑。硫酸、盐酸或其它强酸类均可与灰水中碱性物质起中和反应，我们选择了常用的工业硫酸和工业盐酸进行比较。根据现场灰水取样测定，灰水酚酞碱度降低0.7 mmol／L时，pH＝8.4，此时每立方米灰水加酸量如下(灰水比重1.2)：
　　31％HCl：　G＝0.7×1.2×36.5／0.31＝98.9 g
　　98％H₂SO₄： G＝0.7×1.2×49／0.98＝42 g
　　每立方米灰水加酸费用如下：
　　31％HCL：费用＝98.9×900×10^-6＝0.089元
　　(市场价900元／t)?
　　98％H₂SO₄：费用＝42×400×10^-6＝0.017元
　　(市场价400元／t)?
　　从上述结果可以看出，中和到同一pH点时，盐酸运输量是硫酸的2.35倍，费用是硫酸5.24倍。因此，选用98％的浓硫酸作中和药剂。
2.3　工艺流程
　　利用运酸槽车定期装运工业硫酸，通过高位卸酸平台卸入酸罐贮存；计量泵根据控制器输出的信号，自动投酸到中和池进水管中，碱性澄清灰水和硫酸在中和池内充分混合反应后排放，工艺流程如图1所示。

3　自动加酸控制

　　根据石化企业总体布局要求，为减小劳动强度同时确保排放水达标，自动投加硫酸尤为重要。由于没有定型的自动加酸模式，我们根据灰水中和的小试数据确定了自动加酸数学模式，从而实现了灰水处理的自动化。
3.1　数学模式推导
　　灰水加硫酸中和小试结果如图2所示。

　　利用最小二乘法对图1进行线性回归分析计算：

　　

　　故上述线性关系曲线可表示为：
　　G=136.2-13.1pH　　　　　　　(1)
　　当设定某出水pH值后，即可确定硫酸投加量初始值。但是由于该公式是在流量Q＝600 m³/h时测定所得，且将G与pH关系简化成了线性关系，故必须进行二次修正。
3.2　反馈修正
　　我们确定排放水的pH值控制指标为8.4，反馈修正就是利用测得的出水pH值与中和池出口pH值的控制指标8.4进行比较，如果pH＞8.4，则增加投酸量；反之则相反。增加或减少的投酸量用△G表示。
　　由(1)式可以看出，当pH值每增加或减少0.1时，G值则减少或增加1.3 kg/h，那末，将出水pH值修正为8.4时，△G可用线性方程表示为：
　　△G＝13.1(pH－8.4)?　　　　　　　?(2)?
　　pH—实测的出水ｐＨ值；
　　△G—出水ｐＨ值未达到8.4时投酸量的修正值,kg/h。
3.3　流量修正
　　当灰水流量变化(不考虑灰水水质变化)时，则投酸量修正为：
　　G₀＝(G＋△G)×Q₀／Q　　　　　　 ?(3)?
　　G₀—修正后的投酸量，kg/h；
　　G—理论投酸量，kg/h；
　　Q₀—实测流量，m³/h；
　　Q—原小试流量，600m³/h。
3.4　控制方法
　　控制原理如图3。

　　控制系统采用智能工业控制器技术，通过该控制器实时跟踪灰水pH值和流量，计算需要的投酸量，输出与投酸量成正比的直流信号给变频器，由变频器对计量泵进行调速，从而达到自动控制加酸的目的。具体分为以下几种运行状况。
3.4.1　初始运行时，需要确定初始投酸量后才能转入正常运行。所以根据公式(1)，设定出水pH＝8.4，则初始投酸量：
　　G＝136.2－13.1pH＝26.2(kg/h)。
3.4.2　正常运行后，测得的出水流量和pH值即可反馈到控制器，控制器按公式(2)、(3)计算得实际投酸量G₀，然后控制器根据G₀值适当调整输出信号，调整计量泵转速，改变投酸量，如此循环往复，使出水pH值努力接近8.4，达到排放合格的目的。
3.4.3　中和池进水pH≤8.4时，控制器通过比较计算后，将给计量泵发出停泵信号，停止加酸，此时控制器处于监测状态。
3.4.4　当中和池进水pH＞8.4时，控制器立即进入本文中3.4.1节所述的状态。

4　设计简介

4.1　中和池
　　硫酸与碱性澄清水在中和池中的反应时间理论上需30～60 s，设计取120s，以此计算得出最低水位时中和池的有效容积为20 m³。为保证硫酸与碱性澄清水能充分混合，在中和池内设置了迷宫型导流墙。
　　中和池分设三根不同标高的进水管，其管中标高分别为黄海高程16.10 m、17.00 m和17.90m，其目的：
　　① 在使灰水及时排放的同时，尽可能取上清液。
　　② 当灰场中灰渣不断沉积，灰场底标高不断抬高，以至于淹没低标高进水管时，其高标高进水管能继续工作。
4.2　管道设备防腐
　　鉴于93％～98％的浓硫酸对碳钢的腐蚀性很小，而高速流动的硫酸对碳钢表面的保护膜有破坏作用这些特性，酸贮罐利用原有的碳钢罐进行改造，从而节省工程投资；计量泵和阀门均选用了带聚四氟乙烯衬里的产品。
　　加酸管道考虑到空管时会有空气进入，附着在管内壁上的薄层浓硫酸会迅速吸收空气中的水分而变稀，腐蚀将会变得很严重，所以选用内衬聚四氟乙烯的钢塑管。

5　经济效益分析

5.1　费用
5.1.1　运行费用
　　硫酸费用：年加酸量＝0.0252×24×365 ＝221 t
　　年费用＝221×400元／t＝8.84 万元
　　年运行电费：16×24×365×0.43＝6.02万元
　　年人员工资及其它：8万元
　　年总运行费用：8.84＋6.02＋8＝22.86万元
5.1.2　折旧及维修费用
　　工程总投资212万元，年折旧及维修率按7.2％计算，则该项费用为：212×7.2％＝15.26万元。
5.1.3　排污费
　　按现行排污收费标准0.04元／m³，则年排污费为：
　　600×24×365×0.04＝21.03万元
5.1.4　免交环保超标费
　　按现状，每年可节省应上缴环保部门的超标排污费98万元(不考虑年递增5％)。
5.2　经济效益
　　每年可节省资金为：
　　98－22.86－15.26－21.03＝38.85万元

6　结论

　　通过几个月的运行实践证明，热电厂灰水治理方案是经济合理的。利用建立的数学模式，实现了自动投加浓硫酸，降低了劳动强度，提高了管理水平，使出水水质在排放标准范围内稳定排放。

参考文献
?　[1]?GB 8978－96?污水综合排放标准[S].

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作者简介：
　　杨慧萍?(1963－　)，女，工程师，学士。