Analyse des processus et des caractéristiques de traitement des eaux usées par désulfuration des centrales électriques

Résumé : La désulfuration humide du calcaire-gypse est la technologie dominante pour contrôler les émissions de dioxyde de soufre dans les centrales thermiques. Les eaux usées de désulfuration qui en résultent, caractérisées par une salinité élevée, une dureté élevée, une teneur élevée en métaux lourds et une faible biodégradabilité, posent un défi important pour le traitement des eaux usées des centrales électriques. Cet article se concentre sur le système de processus de base du traitement des eaux usées de désulfuration des centrales électriques, détaillant les principes et les procédures de fonctionnement des processus principaux à chaque étape en fonction du flux de « prétraitement → concentration profonde → traitement de solidification/cristallisation ». Il analyse les caractéristiques techniques, les avantages, les limites et les scénarios applicables de différents processus, intégrant les principes fondamentaux de sélection des processus pour fournir une référence professionnelle pour la sélection optimisée et le fonctionnement efficace des processus de traitement des eaux usées de désulfuration des centrales électriques, contribuant ainsi à la production propre et à la transformation verte de l'industrie de l'énergie thermique.

Mots-clés : Centrale thermique ; eaux usées de désulfuration; processus de traitement; caractéristiques du processus ; prétraitement; concentration profonde; traitement de cristallisation

Avec des normes d'émission environnementales de plus en plus strictes et la progression des objectifs de « double carbone », le traitement conforme des eaux usées de désulfuration des centrales thermiques est devenu un maillon crucial dans la réalisation du développement vert. Actuellement, plus de 90 % des centrales thermiques de mon pays utilisent le procédé de désulfuration humide du calcaire-gypse. Ce processus nécessite de rincer la tour de désulfuration, le dévésiculeur et le système de déshydratation du gypse avec de l'eau propre, ce qui entraîne des eaux usées de désulfuration riches en métaux lourds, des concentrations élevées de sels et de matières en suspension. En raison de la qualité complexe de l’eau et de la grande difficulté de traitement, une élimination inappropriée peut entraîner une pollution des sols et de l’eau, tout en menaçant le fonctionnement sûr des équipements des centrales électriques.

Le traitement des eaux usées de désulfuration des centrales électriques doit respecter les principes de « réduction, innocuité et récupération des ressources », formant un système de processus complet de « prétraitement → concentration profonde → traitement de solidification/cristallisation ». Les différents procédés varient considérablement en termes de caractéristiques techniques, d'efficacité du traitement et de coûts d'exploitation. Une sélection raisonnable de combinaisons de processus est cruciale pour atteindre un équilibre entre un traitement des eaux usées conforme et une efficacité économique. Cet article se concentre sur la synthèse des processus principaux à chaque étape, sur une analyse approfondie de leurs caractéristiques et sur la fourniture d'un soutien à la sélection des processus dans l'industrie.

La qualité des eaux usées de désulfuration est affectée de manière significative par la qualité du charbon, la pureté du calcaire et les paramètres du processus de désulfuration, présentant des caractéristiques globales de « quatre hauts et deux bas », déterminant directement l'orientation du choix du processus de traitement. Spécifiquement:

Salinité élevée : Total de solides dissous (TDS) 20 000 ~ 100 000 mg/L, atteignant un maximum de 150 000 mg/L, principalement composés de Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ et K⁺, présentant une corrosivité extrêmement forte ;

Dureté élevée : la concentration de Ca²⁺ peut atteindre plus de 4 000 mg/L. La teneur en Mg²⁺ est d'environ 1 600 mg/L, formant facilement du tartre insoluble qui obstrue les équipements ; Teneur élevée en métaux lourds : contient du mercure, du cadmium, du plomb, de l'arsenic, etc., à des concentrations de 0,1 à 10 mg/L, certains formant des complexes stables, rendant leur élimination difficile ; Haute teneur en matières en suspension (SS) : Concentration 1 000 ~ 10 000 mg/L, principalement composée de particules de gypse et de poudre de calcaire, abrasant facilement les tuyaux ; Faible valeur de pH : 4,5 ~ 6,0, faiblement acide, exacerbant la corrosion des équipements ; Faible biodégradabilité : DBO/DCO < 0,1, difficile à dégrader par des méthodes biologiques, nécessitant des procédés physico-chimiques.

De plus, les eaux usées contiennent également des fluorures, des silicates et des matières organiques récalcitrantes, ce qui augmente encore la complexité du choix des procédés, nécessitant des procédés de traitement dotés d'une forte spécificité et d'une forte résilience aux fluctuations.

Le traitement des eaux usées par désulfuration des centrales électriques est un projet systématique. Chaque étape du processus est interconnectée et fonctionne en synergie. La sélection des procédés pour les différentes étapes doit être basée sur les caractéristiques de la qualité de l'eau, les objectifs de traitement et les conditions réelles de la centrale électrique. Ce qui suit est une analyse détaillée des processus principaux et des caractéristiques essentielles de chaque étape.

3.1 Processus et caractéristiques du prétraitement Le prétraitement est la base du traitement des eaux usées par désulfuration. Ses principaux objectifs sont d'éliminer les matières en suspension, la plupart des métaux lourds, les ions calcium et magnésium, les fluorures et les silicates, de réduire la turbidité et la dureté des eaux usées, d'empêcher l'entartrage et le colmatage dans les processus ultérieurs et de fournir un influent qualifié pour un traitement avancé. Les processus courants comprennent la coagulation et la sédimentation, l’adoucissement chimique et la clarification par filtration. Dans les projets réels, des processus combinés sont souvent utilisés.

3.1.1 Processus de coagulation et de sédimentation

Principe du procédé : Des coagulants (chlorure de polyaluminium, sulfate polyferrique, etc.) et des auxiliaires coagulants (polyacrylamide) sont ajoutés aux eaux usées. Par adsorption et floculation, les fines matières en suspension et les colloïdes forment de gros flocs, qui sont ensuite séparés par sédimentation. Simultanément, la valeur du pH est ajustée à 8,5-9,5 (en ajoutant de l'hydroxyde de calcium), provoquant la précipitation des ions de métaux lourds sous forme d'hydroxydes, et certains ions fluorure sont éliminés (formant un précipité de fluorure de calcium).

Caractéristiques du processus :

Avantages : Processus simple, fonctionnement pratique, faibles coûts d’investissement et d’exploitation ; un taux d'élimination des matières en suspension supérieur à 80 %, un taux d'élimination des métaux lourds de 60 % à 80 %, peuvent réduire rapidement la turbidité des eaux usées, adapté aux besoins de prétraitement de diverses centrales électriques.

Limites : effet d'élimination limité sur les sels solubles et les complexes de métaux lourds ; nécessite une utilisation en conjonction avec des processus d'adoucissement chimique et de filtration ; dans des conditions de DCO élevées, une technologie d'oxydation avancée est nécessaire, sinon les effets du traitement ultérieur seront affectés.

Scénarios applicables : prétraitement des eaux usées de désulfuration de toutes les centrales électriques, particulièrement adapté aux centrales électriques de petite et moyenne taille-avec une teneur élevée en matières en suspension et en métaux lourds et des budgets limités.

3.1.2 Processus de ramollissement chimique
Principe du processus : Le noyau consiste à éliminer les ions calcium et magnésium pour réduire la dureté des eaux usées. La méthode courante est la précipitation chimique, qui est divisée en adoucissement à la chaux-soude et en hydroxyde de sodium-adoucissement en soude, en fonction des réactifs utilisés. La méthode à la chaux-soude est la plus largement utilisée. Dans des conditions de dureté élevée et de silice élevée, un processus de ramollissement en trois étapes est utilisé, ajoutant séquentiellement Ca(OH)₂, Na₂SO₄ et Na₂CO₃ pour éliminer Mg²⁺, un peu de Ca²⁺ et le Ca²⁺ restant par étapes, générant des précipités de Mg(OH)₂, CaSO₄ et CaCO₃.

Caractéristiques du processus :

Avantages : Très ciblé, réduisant efficacement la dureté des eaux usées (Ca²⁺ inférieur ou égal à 500 mg/L, Mg²⁺ inférieur ou égal à 1 000 mg/L), empêchant l'entartrage lors des processus ultérieurs d'évaporation et de séparation par membrane ; la méthode à la chaux-soude a des réactifs peu coûteux et facilement disponibles, et convient aux eaux usées de désulfuration à haute-dureté et à haute-silice.

Limites : Le dosage des réactifs nécessite un contrôle précis, sinon une pollution secondaire est probable ; la production de boues est importante et nécessite des installations d'élimination des boues ; la méthode à l'hydroxyde de sodium-soude est coûteuse et ne convient qu'aux scénarios où les exigences en matière de dureté des effluents sont extrêmement élevées.

Scénarios applicables : prétraitement des eaux usées de désulfuration à haute-dureté, à haute-silice et à haute-fluorure, particulièrement adapté aux processus ultérieurs tels que la séparation par membrane et l'évaporation MVR avec des exigences strictes en matière de dureté de l'influent.

3.1.3 Processus de filtration et de clarification

Principe du processus : Ce processus élimine en outre les flocs fins, les matières en suspension et les colloïdes de la coagulation, de la sédimentation et de l'adoucissement chimique, garantissant ainsi que la turbidité de l'effluent prétraité répond aux normes (généralement inférieure ou égale à 100 mg/L, la concentration membranaire nécessite inférieure ou égale à 5 mg/L). Les technologies traditionnelles comprennent la filtration sur sable, l'ultrafiltration (UF) et la filtration sur membrane tubulaire.

Caractéristiques du processus :

Avantages : Haute précision de filtration ; l'ultrafiltration peut réduire la turbidité des effluents en dessous de 1 NTU ; les membranes tubulaires ont de fortes capacités antisalissure-et sont faciles à nettoyer et à entretenir ; protège efficacement les modules de membrane en aval et les équipements d'évaporation, améliorant ainsi la stabilité du système ; la filtration sur sable est peu coûteuse ; l'ultrafiltration et les membranes tubulaires conviennent aux scénarios avec de grandes fluctuations de la qualité de l'eau.

Limites : La filtration sur sable a une efficacité limitée pour éliminer les colloïdes fins ; l'ultrafiltration et les membranes tubulaires ont des coûts d'investissement plus élevés et les modules membranaires doivent être remplacés régulièrement (durée de vie de 1 à 3 ans) ; les membranes tubulaires fonctionnent à des pressions plus élevées et ont une consommation d'énergie légèrement plus élevée.

Scénarios applicables : la filtration sur sable convient à la fin du prétraitement conventionnel ; l'ultrafiltration et les membranes tubulaires conviennent aux centrales électriques où des processus ultérieurs de concentration membranaire sont utilisés ou où la concentration de matières en suspension fluctue considérablement.

3.2 Processus et caractéristiques de concentration profonde Même après le prétraitement, les eaux usées contiennent encore des concentrations élevées de sels (TDS supérieur ou égal à 10 000 mg/L), nécessitant une concentration profonde pour réduire leur volume (80 % ~ 90 %). La saumure concentrée est ensuite utilisée pour une solidification/cristallisation ultérieure, tandis que l'eau douce peut être recyclée. Le processus principal est divisé en deux catégories principales : la concentration par séparation membranaire et la concentration par évaporation.

3.2.1 Processus de concentration par séparation membranaire
Principe du procédé : Basé sur la perméabilité sélective des membranes, les sels et l'eau sont séparés sous pression. Les technologies traditionnelles comprennent l'osmose inverse (RO), la nanofiltration (NF) et l'osmose inverse à tube à disque (DTRO). La nanofiltration peut réaliser une séparation préliminaire des impuretés, jetant ainsi les bases de la récupération des ressources.

Caractéristiques du processus :

Avantages : Efficacité de concentration élevée ; Taux de récupération de l'eau douce RO 70 % ~ 80 %, taux de dessalement supérieur à 99 %, le perméat peut être directement réutilisé ; DTRO a de fortes capacités antisalissure-, adaptées aux eaux usées à haute-salinité et à haute-solides en suspension-solides en suspension, le rapport de concentration peut atteindre 10 à 20 fois ; La nanofiltration peut retenir les ions divalents, réduisant ainsi la charge sur les processus ultérieurs et facilitant l'utilisation des ressources de sels divers.

Limites : Exigences strictes en matière de qualité de l'eau d'arrivée ; la dureté et les matières en suspension doivent être strictement contrôlées pour éviter l'encrassement des membranes ; les membranes RO ordinaires ne résistent pas au chlore élevé, ce qui nécessite l'utilisation de membranes spécialisées-résistantes au chlore ; des coûts élevés de remplacement des membranes (représentant plus de 40 % des coûts totaux d’exploitation), ce qui entraîne un seuil d’investissement élevé.

Scénarios applicables : l'osmose inverse convient aux centrales électriques ayant une forte demande de concentration et de réutilisation d'eaux usées de désulfuration à faible-à-salinité moyenne ; DTRO convient aux eaux usées présentant d'importantes fluctuations de la qualité de l'eau, une salinité élevée et une teneur élevée en matières en suspension ; La nanofiltration convient aux projets axés sur l'utilisation des ressources de sels divers.

3.2.2 Processus de concentration par évaporation

Principe du processus : Ce processus concentre les sels en évaporant l'eau des eaux usées par chauffage. Il convient aux eaux usées à forte salinité (TDS supérieur ou égal à 30 000 mg/L). Les technologies courantes comprennent la recompression mécanique de vapeur (MVR), l’évaporation par extraction des gaz vecteurs et l’évaporation des gaz de combustion.

Caractéristiques du processus :

Avantages : MVR a une faible consommation d'énergie (environ 30 à 50 kWh/t d'eau), un rapport de concentration de 10 à 20 fois et convient au traitement à grande échelle ; l'évaporation de l'extraction du gaz vecteur peut utiliser la chaleur résiduelle des centrales électriques, présente de faibles exigences de prétraitement et de faibles coûts d'exploitation ; L'évaporation des gaz de combustion a une consommation d'énergie extrêmement faible et un faible investissement, peut atteindre un rejet d'eaux usées nul et convient aux centrales électriques de petite et moyenne taille-.

Limites : MVR a des coûts d'investissement élevés, nécessite une grande stabilité de la qualité de l'eau d'alimentation et est sujet à l'entartrage et au colmatage ; la technologie d’évaporation et d’extraction des gaz vecteurs a un seuil élevé et est actuellement moins largement utilisée ; L'évaporation des gaz de combustion nécessite un contrôle de l'effet d'atomisation pour éviter la corrosion et le colmatage des fumées, ainsi qu'une surveillance des émissions de métaux lourds.

Scénarios applicables : MVR convient aux centrales thermiques à grande échelle-et aux projets avec des exigences élevées de zéro-émission ; l'évaporation de l'extraction du gaz vecteur convient aux grandes centrales électriques avec de la chaleur résiduelle disponible et un espace limité ; L'évaporation des gaz de combustion convient aux centrales électriques de petite et moyenne taille-et aux projets à zéro-émissions avec des budgets limités.

3.3 Processus et caractéristiques de solidification/cristallisation Une saumure fortement concentrée (TDS supérieure ou égale à 50 000 mg/L) doit être rendue inoffensive par solidification ou cristallisation. Certains procédés permettent de récupérer les ressources en sel, ce qui constitue une étape clé pour atteindre le zéro rejet d’eaux usées de désulfuration. Les processus courants comprennent la cristallisation par évaporation, la solidification par évaporation des gaz de combustion et la solidification du ciment.

3.3.1 Processus de cristallisation par évaporation
Principe du processus : La saumure concentrée est introduite dans un cristalliseur pour une évaporation ultérieure de l'eau, ce qui amène les sels à atteindre la saturation et à cristalliser. En combinaison avec les technologies de nanofiltration et de nitrification cryogénique, il est possible d'obtenir une purification graduelle des impuretés, en séparant le chlorure de sodium, le sulfate de sodium et d'autres sels.

Caractéristiques du processus :

Avantages : Permet la récupération des ressources en sel ; le sel récupéré, une fois répondant aux normes de pureté, peut être réutilisé comme matière première industrielle ; traitement approfondi; la saumure concentrée après cristallisation est inoffensive, sans pollution secondaire ; convient au traitement de saumure concentrée à haute teneur en sel ; peut être intégré au MVR pour un fonctionnement à faible-énergie.

Limites : Coûts d'investissement et d'exploitation élevés ; purification difficile des sels mélangés; les mélanges de sels produits par des procédés ordinaires doivent être éliminés comme déchets dangereux ; exigences élevées en matière de stabilité de la qualité de l'eau alimentaire ; l'effet de cristallisation est grandement affecté par les fluctuations de la qualité de l'eau.

Scénarios applicables : grandes centrales électriques ; des projets à forte demande pour la récupération des ressources mixtes en sel ; particulièrement adapté aux scénarios avec de grands volumes d'eaux usées de désulfuration et une valeur de récupération de sel élevée, tels que les centrales électriques chimiques au charbon.

3.3.2 Processus d’évaporation et de solidification des gaz de combustion

Principe du processus : La saumure concentrée est atomisée et pulvérisée dans le conduit de fumée de la chaudière. La chaleur perdue des gaz de combustion (120 ~ 180 degrés) provoque une évaporation rapide de l'humidité. Le sel cristallise et est capturé avec les cendres volantes, formant un mélange de cendres volantes. S’il répond aux normes, il peut être utilisé comme matériau de construction ; sinon, ils sont mis en décharge comme déchet dangereux.

Caractéristiques du processus :

Avantages : Consommation d'énergie extrêmement faible, aucun chauffage supplémentaire requis, faible coût d'investissement (40 % inférieur au MVR) ; fonctionnement simple, faible encombrement et réalisation rapide de zéro émission ; adapté au traitement de diverses saumures concentrées.

Limites : exigences élevées en matière d'équipement d'atomisation ; sujet aux dépôts de gaz de combustion et à la corrosion ; la teneur en métaux lourds des cendres volantes peut dépasser les normes, nécessitant une surveillance stricte ; ne peut pas permettre l'utilisation des ressources en sel, et le traitement des sels divers dépend de l'utilisation des cendres volantes.

Scénarios applicables : centrales thermiques de petite et moyenne taille-, projets avec un espace limité, besoins urgents à zéro-émission et budgets limités.

3.3.3 Processus de solidification du ciment

Principe du procédé : de la saumure concentrée, des sels divers, du ciment et un agent solidifiant sont mélangés. Grâce à la réaction d’hydratation du ciment, les métaux lourds sont fixés dans la matrice cimentaire, réduisant ainsi le risque de lixiviation. Une fois que le corps solidifié répond aux normes, il est éliminé dans une décharge.

Caractéristiques du processus :
Avantages : Processus simple, fonctionnement pratique, faible coût ; bon effet de traitement pour la saumure concentrée à haute teneur en métaux lourds, réduisant efficacement le risque de lessivage des métaux lourds ; adapté aux scénarios d’élimination d’urgence.

Limitations : la récupération des ressources n'est pas possible ; le matériau solidifié est volumineux et occupe des ressources foncières ; les coûts d'élimination sont élevés et il existe un risque de lixiviation à long terme-, entraînant une diminution progressive de son application.

Scénarios applicables : Traitement de saumure concentrée à teneur extrêmement élevée en métaux lourds, difficile à recycler ou nécessitant une élimination d'urgence.

La sélection d'un procédé de traitement des eaux usées par désulfuration des centrales électriques doit prendre en compte les caractéristiques de la qualité de l'eau, les objectifs de traitement (rejet conforme/zéro rejet), l'échelle de la centrale électrique, le budget et les conditions du site. Les principes de base doivent être « hautement ciblés, économiquement efficaces et opérationnels de manière stable » : pour les centrales électriques de petite et moyenne taille-avec des fonds limités et aucun besoin de récupération de ressources, un processus de « sédimentation par coagulation + filtration sur sable + évaporation des gaz de combustion » peut être utilisé ; pour les grandes centrales électriques ayant des exigences élevées de zéro-décharge, un processus « adoucissement en trois -étapes + ultrafiltration + évaporation MVR + cristallisation par évaporation » peut être utilisé ; pour les usines axées sur la récupération des ressources en sels divers, les procédés de nanofiltration et de nitrification cryogénique devraient être combinés.

En résumé, le traitement des eaux usées par désulfuration des centrales électriques a formé un système technologique mature, chaque processus principal ayant ses propres avantages et inconvénients : les processus de prétraitement se concentrent sur « l'élimination des impuretés et la réduction de la dureté » pour assurer un traitement ultérieur stable ; les processus de concentration profonde se concentrent sur la « réduction du volume » pour équilibrer la consommation d'énergie et les coûts ; et les processus de solidification/cristallisation se concentrent sur « l'innocuité + l'utilisation des ressources » pour résoudre le problème de l'élimination des sels divers. À l'avenir, le développement technologique évoluera vers une faible consommation d'énergie, une utilisation des ressources et une intelligence, en optimisant davantage les combinaisons de processus, en réduisant les coûts d'exploitation, en améliorant le taux d'utilisation des ressources de divers sels et en aidant l'industrie de l'énergie thermique à parvenir à un développement vert et de haute -qualité.