Yêu cầu và giải pháp đặc biệt xử lý nước làm mát trong các nhà máy đốt rác thải

Các nhà máy đốt chất thải hoạt động trong một số điều kiện đòi hỏi khắt khe nhất của bất kỳ cơ sở công nghiệp nào. Đốt chất thải rắn đô thị, chất thải nguy hại hoặc chất thải y tế ở nhiệt độ vượt quá 850°C tạo ra tải nhiệt cường độ cao, kéo dài mà hệ thống nước làm mát tuần hoàn phải quản lý liên tục - thường là suốt ngày đêm, mỗi ngày trong năm. Đồng thời, quá trình đốt cháy các dòng chất thải hỗn hợp tạo ra khí ăn mòn, hợp chất clorua và chất ngưng tụ có tính axit tạo ra môi trường hóa học nước có tính xâm thực đặc biệt.

Các phương pháp xử lý nước làm mát tiêu chuẩn được thiết kế cho các nhà máy điện hoặc cơ sở hóa dầu thường không phù hợp cho các ứng dụng đốt chất thải. Việc xử lý hiệu quả đòi hỏi các chương trình hóa học được xây dựng có mục đích nhằm giải quyết nồng độ clorua cao, độ pH dao động, ô nhiễm kim loại nặng cũng như nhu cầu kiểm soát cặn và ăn mòn đáng tin cậy dưới tải nhiệt thay đổi. Bài viết này trình bày chi tiết những thách thức cụ thể trong việc quản lý nước làm mát trong các nhà máy đốt rác thải và các giải pháp đảm bảo vận hành an toàn, tuân thủ và hiệu quả một cách nhất quán.

Tại sao các nhà máy đốt rác thải lại gặp phải những thách thức đặc biệt về nước làm mát

Để hiểu các yêu cầu xử lý, trước tiên cần đánh giá cách sử dụng nước làm mát trong một cơ sở đốt rác thải điển hình và tại sao việc sử dụng đó lại tạo ra những vấn đề không gặp phải trong các ngành công nghiệp khác.

Nhiều mạch làm mát cường độ cao

Một nhà máy biến chất thải thành năng lượng hiện đại thường vận hành đồng thời một số mạch làm mát riêng biệt. Hệ thống làm mát ghi và lò bảo vệ thành buồng đốt. Mạch ngưng tụ nồi hơi và hơi nước xử lý việc thu hồi nhiệt để phát điện. Hệ thống làm mát khí thải đưa khí thải nóng xuống nhiệt độ phù hợp với thiết bị kiểm soát ô nhiễm. Hệ thống xử lý xỉ và xử lý tro sử dụng nước để làm mát và vận chuyển cặn rắn sau khi đốt. Mỗi mạch hoạt động ở nhiệt độ, tốc độ dòng chảy và điều kiện tiếp xúc vật liệu khác nhau và mỗi mạch có thể đưa các chất gây ô nhiễm khác nhau vào nước.

Sự xâm nhập clorua từ quá trình đốt chất thải

Chất thải rắn đô thị thường chứa một lượng đáng kể nhựa clo hóa (PVC), hợp chất clo hữu cơ và muối clorua vô cơ. Khi đốt, những vật liệu này giải phóng khí hydro clorua (HCl) vào dòng khói. Ngay cả khi có hệ thống lọc khí tại chỗ, một số khí chứa clorua và các hạt mịn vẫn tiếp cận được các mạch nước làm mát - đặc biệt là trong các bộ phận làm mát khí thải và lọc ướt. Nồng độ clorua trong nước tuần hoàn tại các nhà máy đốt rác thải thường đạt tới 500–2.000 mg/L, so với mức 200–400 mg/L thường gặp trong các hệ thống làm mát nhà máy điện. Nồng độ clorua tăng cao làm tăng đáng kể sự ăn mòn rỗ trên bề mặt trao đổi nhiệt bằng thép không gỉ và thép carbon và chúng làm giảm hiệu quả của các chất ức chế ăn mòn tiêu chuẩn phụ thuộc vào sự hình thành màng oxit thụ động.

Biến động pH axit

Xử lý nước làm mát công nghiệp thông thường nhắm đến phạm vi pH hơi kiềm từ 7,5–9,0 để giảm thiểu đồng thời sự ăn mòn thép và lắng đọng canxi cacbonat. Trong các mạch làm mát lò đốt chất thải, các hiện tượng hấp thụ khí axit có thể khiến độ pH xuống dưới 6,0 trong thời gian ngắn khi hiệu suất của máy lọc dao động hoặc trong quá trình khởi động và tắt máy. Điều kiện axit ở độ pH dưới 6,5 làm tăng tốc độ ăn mòn thép cacbon theo cấp số nhân - tốc độ ăn mòn của thép nhẹ tăng gần gấp đôi khi độ pH giảm xuống dưới 7,0 - và cũng gây ra sự hòa tan lớp cặn bảo vệ và màng ức chế tích tụ trong quá trình hoạt động bình thường.

Ô nhiễm kim loại nặng

Việc đốt các dòng chất thải không đồng nhất làm bay hơi các kim loại nặng bao gồm kẽm, chì, đồng, cadmium và thủy ngân. Tro bay mang theo vào các mạch nước làm mát sẽ lắng đọng các kim loại này, tạo ra cả vấn đề về xúc tác ăn mòn (đặc biệt là các ion đồng làm tăng tốc độ tấn công điện hóa lên nhôm và thép nhẹ) cũng như các thách thức về tuân thủ xả thải. Nước xả từ hệ thống làm mát lò đốt chất thải thường yêu cầu xử lý trước khi xả để đáp ứng giới hạn nước thải kim loại nặng và việc lựa chọn hóa chất xử lý nước phải tính đến sự tương tác của chúng với các chất gây ô nhiễm này.

Tải chất rắn lơ lửng cao

Các hạt tro và xỉ bị cuốn vào nước làm mát, kết hợp với sự phát triển sinh khối của vi sinh vật được khuyến khích bởi nhiệt độ nước ấm và lượng chất dinh dưỡng hữu cơ từ việc tiếp xúc với chất thải, tạo ra nồng độ chất rắn lơ lửng cao có thể nhanh chóng làm tắc nghẽn các bộ trao đổi nhiệt và làm tắc nghẽn hệ thống phân phối. Các chất keo tụ và hệ thống lọc thông thường được thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp sạch hơn thường không thể xử lý được sự phân bố kích thước hạt và tốc độ tải đặc trưng của nước làm mát lò đốt chất thải.

Yêu cầu xử lý cốt lõi cho từng mạch làm mát

Do tính phức tạp đa mạch của các cơ sở đốt rác thải, một công thức xử lý duy nhất không thể giải quyết tất cả các nhu cầu về nước làm mát. các Giải pháp xử lý hóa học cho nhà máy đốt rác thải phải được phân biệt theo loại mạch.

Ức chế ăn mòn trong điều kiện có hàm lượng clorua cao, độ pH thấp

Kiểm soát ăn mòn là khía cạnh quan trọng và đòi hỏi kỹ thuật cao nhất trong xử lý nước làm mát trong các ứng dụng đốt rác thải. Các chất ức chế gốc cromat hoặc kẽm tiêu chuẩn bị hạn chế hoặc bị cấm do các quy định về môi trường. Các chất ức chế dựa trên photphonate, mặc dù có hiệu quả ở độ pH trung tính đến kiềm nhẹ, nhưng sẽ mất phần lớn hiệu quả tạo màng khi độ pH giảm xuống dưới 6,5 và không có khả năng bảo vệ đầy đủ trong môi trường có hàm lượng clorua cao, nơi các ion clorua tấn công mạnh vào các lớp oxit thụ động.

Việc ức chế ăn mòn hiệu quả đối với các hệ thống làm mát lò đốt chất thải thường dựa vào sự kết hợp của các amin hữu cơ tạo màng (để bảo vệ thép carbon trong điều kiện axit), các hợp chất molybdate hoặc tungstate (duy trì tính thụ động trong phạm vi pH rộng hơn so với phosphonate) và các dẫn xuất tolyltriazole hoặc benzotriazole cho các thành phần hợp kim đồng. Phương pháp tiếp cận đa thành phần này cung cấp các cơ chế bảo vệ chồng chéo giúp duy trì tốc độ ăn mòn ở mức chấp nhận được ngay cả khi các cơ chế ức chế riêng lẻ bị tổn hại một phần do sự thay đổi độ pH hoặc cạnh tranh clorua.

Đối với các mạch xử lý nước tiếp xúc với khí thải có clorua vượt quá 1.000 mg/L, việc lựa chọn vật liệu cũng quan trọng như xử lý hóa học. Cần có thép không gỉ song công hoặc vật liệu hợp kim cao như Hastelloy cho các ống trao đổi nhiệt ở những khu vực khắc nghiệt nhất , vì không có chương trình xử lý hóa học nào có thể bảo vệ đầy đủ thép không gỉ tiêu chuẩn 304 hoặc 316 ở nồng độ clorua cao được duy trì liên tục. Sau đó, xử lý hóa học tập trung vào việc ngăn chặn sự ăn mòn dưới mức lắng đọng, sự tấn công điện tại các điểm nối kim loại khác nhau và sự ăn mòn nói chung trong các mạch thứ cấp có hàm lượng clorua thấp hơn.

Đệm pH và quản lý độ kiềm

Duy trì độ pH của nước tuần hoàn trong phạm vi mục tiêu là 7,5–8,5 trong môi trường đốt chất thải đòi hỏi phải có chiến lược định lượng chất đệm và kiềm tích cực thay vì điều chỉnh độ pH đơn giản ở giai đoạn nước bổ sung. Liều lượng xút ăn da (NaOH) hoặc tro soda (Na₂CO₃) liên tục hoặc được kích hoạt theo yêu cầu, được liên kết với cảm biến pH nội tuyến với thời gian phản hồi nhanh, ngăn chặn sự dao động pH thấp kéo dài. Lượng kiềm dự trữ được duy trì trong hệ thống cung cấp một lớp đệm chống lại các hiện tượng axit đột ngột xảy ra. Mức độ kiềm mục tiêu là 200–400 mg/L vì CaCO₃ mang lại khả năng đệm thích hợp cho hầu hết các tình huống vận hành trong khi vẫn ở dưới mức thúc đẩy quá trình đóng cặn canxi cacbonat.

Ngăn chặn cáu cặn trong nước có nhiệt độ cao, chất lượng thay đổi

Sự hình thành cặn trong hệ thống làm mát lò đốt chất thải được thúc đẩy bởi cùng một chất hóa học cơ bản như trong các ngành công nghiệp khác — sự quá bão hòa của canxi cacbonat, canxi sunfat và silica ở các bề mặt truyền nhiệt — nhưng phức tạp do chất lượng nước thay đổi đặc trưng cho các cơ sở này. Chất lượng nước bổ sung có thể thay đổi theo mùa, tỷ lệ nồng độ xả đáy dao động theo tải sản xuất và các hiện tượng ô nhiễm tro làm tăng nồng độ canxi, silica hoặc sunfat theo từng giai đoạn trên mức thiết kế.

Chất ức chế cặn bám gốc polyme sử dụng axit polyacrylic (PAA), chất đồng trùng hợp AA/AMPS hoặc axit polyaspartic (PASP) mang lại hiệu suất đáng tin cậy nhất trong môi trường nhiều biến đổi này. Các chất ức chế này hoạt động thông qua cơ chế ức chế ngưỡng và biến đổi tinh thể mà vẫn duy trì hiệu quả trong phạm vi pH từ 6,5–9,5, bao phủ toàn bộ phạm vi hoạt động của hầu hết các mạch làm mát lò đốt chất thải. Không giống như các chất ức chế gốc phosphonate, chất ức chế cặn polyme không góp phần vào tải lượng thải phốt pho, điều này rất quan trọng đối với các cơ sở phải tuân theo tổng giới hạn nước thải phốt pho.

Cặn silic đáng được quan tâm đặc biệt tại các cơ sở sử dụng phương pháp chà ướt để làm sạch khí thải, vì việc hồi lưu nước của máy lọc có thể tạo ra hàm lượng silic hòa tan cao tập trung trong hệ thống tuần hoàn. Các chất ức chế dựa trên PASP cùng với các chất phân tán đặc hiệu silica bổ sung giúp kiểm soát cặn silica tốt hơn so với các chương trình polyme đa năng và phải được chỉ định khi silica trong nước tuần hoàn vượt quá 150 mg/L dưới dạng SiO₂.

của chúng tôi xử lý nước làm mát tuần hoàn công nghiệp dòng sản phẩm bao gồm các công thức ức chế cáu cặn chuyên dụng được phát triển đặc biệt cho loại môi trường có hàm lượng clorua cao, độ pH thay đổi thường gặp trong các ứng dụng đốt rác thải.

Kiểm soát ô nhiễm sinh học: Quản lý rủi ro Legionella và màng sinh học

Tháp giải nhiệt tại các nhà máy đốt rác thải tạo điều kiện thuận lợi cho ô nhiễm sinh học. Nhiệt độ nước từ 25°C đến 45°C, lượng chất dinh dưỡng hữu cơ tiếp xúc với chất thải và diện tích bề mặt nước lớn của tháp giải nhiệt hỗ trợ sự phát triển nhanh chóng của vi sinh vật, hình thành màng sinh học và trong những trường hợp nghiêm trọng nhất là sự phát triển của Legionella. Màng sinh học trên bề mặt trao đổi nhiệt gây ra hiện tượng cản nhiệt tương đương với sự lắng đọng cặn, trong khi ô nhiễm Legionella tạo ra mối nguy hiểm cho sức khỏe cộng đồng cần phải khắc phục ngay lập tức.

Các chương trình diệt khuẩn hiệu quả cho hệ thống làm mát lò đốt rác thải phải giải quyết được cả vi sinh vật phù du (nổi tự do) và không cuống (màng sinh học). Các chất diệt khuẩn oxy hóa - chủ yếu là natri hypochlorite, clo dioxide hoặc các hợp chất brom - cung cấp khả năng kiểm soát phổ rộng các vi khuẩn sinh vật phù du và ức chế Legionella một cách hiệu quả ở nồng độ dư được duy trì hợp lý. Clo dioxide đặc biệt phù hợp với các ứng dụng đốt chất thải vì nó vẫn hiệu quả ở các giá trị pH cao hơn (7,5–9,0) được sử dụng để kiểm soát ăn mòn và không bị tiêu thụ bởi amoniac hoặc các hợp chất nitơ hữu cơ nhanh như clo tự do.

Các chất diệt khuẩn không oxy hóa như isothiazolone (CMIT/MIT), glutaraldehyde hoặc các hợp chất amoni bậc bốn được sử dụng làm đối tác luân phiên để ngăn chặn sự phát triển khả năng chống chịu chất diệt khuẩn oxy hóa và thâm nhập vào các màng sinh học đã được thiết lập mà các chất diệt khuẩn oxy hóa không thể loại bỏ hoàn toàn. Một chương trình luân chuyển chất diệt khuẩn điển hình áp dụng chất diệt khuẩn oxy hóa liên tục hoặc bán liên tục để kiểm soát trạng thái ổn định, với liều lượng sốc chất diệt khuẩn không oxy hóa cứ sau 2–4 tuần.

Yêu cầu quản lý rủi ro Legionella

Các nhà máy đốt rác thải phải tuân theo các yêu cầu quản lý và đánh giá rủi ro Legionella theo các quy định về môi trường và sức khỏe nghề nghiệp ở hầu hết các khu vực pháp lý. Một chương trình kiểm soát Legionella tuân thủ yêu cầu:

• Đánh giá rủi ro được ghi lại bao gồm tất cả các tháp giải nhiệt và thiết bị ngưng tụ bay hơi
• Lấy mẫu nước thường xuyên và xét nghiệm nuôi cấy Legionella (thường hàng quý hoặc thường xuyên hơn)
• Duy trì lượng clo tự do tối thiểu hoặc dư lượng chất diệt khuẩn tương đương tại tất cả các điểm trong hệ thống phân phối
• Khử trùng liều cao định kỳ (tăng clo hoặc khử trùng bằng nhiệt) trong thời gian ngừng hoạt động hoặc sau khi có kết quả xét nghiệm Legionella dương tính
• Bảo trì thiết bị khử trôi để giảm thiểu việc tạo ra khí dung từ tháp giải nhiệt

Xử lý nước làm nguội xỉ và quản lý kim loại nặng

Hệ thống làm nguội xỉ đại diện cho một thách thức xử lý nước chuyên dụng khác với các mạch tháp giải nhiệt tuần hoàn đã thảo luận ở trên. Nước làm nguội tiếp xúc trực tiếp với xỉ nóng, hấp thụ nhiệt đáng kể đồng thời hòa tan các kim loại nặng, clorua và các hợp chất kiềm được lọc từ xỉ. Nước này thường được tái chế thông qua vòng lắng và xử lý thay vì được gửi đến hệ thống tháp giải nhiệt chính do mức độ ô nhiễm cao.

Xử lý nước làm nguội xỉ tập trung vào việc loại bỏ chất rắn lơ lửng thông qua quá trình đông tụ và keo tụ, kết tủa kim loại nặng bằng vôi hoặc natri hydroxit để tăng độ pH trên 9,0 (tại đó hầu hết các kim loại nặng tạo thành hydroxit không hòa tan) và khử nước bùn để xử lý thích hợp. Các chất keo tụ vô cơ như sắt sunfat hoặc polyalumin clorua (PAC) có hiệu quả trong việc làm mất ổn định các hạt tro keo, trong khi chất keo tụ polyacrylamide anion đẩy nhanh quá trình lắng hạt và cải thiện khả năng khử nước của bùn.

Lượng tràn đã xử lý từ các mạch làm nguội xỉ phải đáp ứng giới hạn thải kim loại nặng trước khi được tái chế hoặc thải ra. Cần phải giám sát thường xuyên nồng độ kẽm, chì, đồng, cadmium và crom trong nước thải đã xử lý và liều lượng chất keo tụ phải được điều chỉnh theo thời gian thực dựa trên chất lượng nước đầu vào, vốn thay đổi tùy theo thành phần chất thải được xử lý.

Các cân nhắc về bảo tồn nước và không xả chất lỏng

Giấy phép môi trường cho các cơ sở đốt rác thải mới ngày càng yêu cầu giảm thiểu việc xả nước thải, với một số cơ quan quản lý bắt buộc vận hành không xả chất lỏng (ZLD). Ngay cả khi không yêu cầu ZLD, việc cân nhắc về chi phí nước và sự khan hiếm nước sẽ thúc đẩy các nhà vận hành tối đa hóa tỷ lệ tuần hoàn và giảm thiểu thể tích xả đáy.

Để đạt được tỷ lệ nồng độ cao (5–8 chu kỳ) trong hệ thống làm mát lò đốt chất thải đòi hỏi các chương trình ức chế ăn mòn và quy mô đặc biệt mạnh mẽ, vì lượng khoáng chất tập trung thách thức khả năng ức chế. Nó cũng yêu cầu quản lý cẩn thận hơn sự tích tụ clorua - trong các hệ thống có hàm lượng clorua cao, tỷ lệ nồng độ tăng lên có thể đẩy mức clorua đến các giá trị làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của thiết bị. Có thể cần phải làm mềm dòng bên hoặc trao đổi ion để loại bỏ độ cứng hoặc clorua để có thể vận hành với tỷ lệ nồng độ cao trong khi vẫn duy trì tính chất hóa học của nước ở mức chấp nhận được.

Việc xả nước từ tháp giải nhiệt đốt chất thải, khi không thể tái chế trong cơ sở, thường yêu cầu xử lý trong hệ thống nước thải trước khi thải ra ngoài. Nhu cầu oxy hóa học (COD), chất rắn lơ lửng, kim loại nặng và độ pH của quá trình xả đáy này phải nằm trong giới hạn quy định. Lựa chọn hóa chất xử lý nước có khả năng phân hủy sinh học, COD thấp — chất ức chế cặn polyme không chứa phốt pho, chất diệt khuẩn không bền — hỗ trợ tuân thủ giới hạn COD của nước thải và giảm gánh nặng xử lý cho hệ thống nước thải.

Đối với các cơ sở theo đuổi chiến lược quản lý nước toàn diện, nhóm của chúng tôi cung cấp hỗ trợ thiết kế cấp hệ thống và tối ưu hóa hóa học trên khắp tất cả các lĩnh vực công nghiệp chúng tôi phục vụ , bao gồm các giải pháp tích hợp cho tiền xử lý thẩm thấu ngược, hóa học hệ thống tuần hoàn và xử lý nước thải để hỗ trợ quản lý nước khép kín.

Các phương pháp thực hành tốt nhất về giám sát, tự động hóa và vận hành

Môi trường hóa học nước biến đổi và khắc nghiệt của các nhà máy đốt rác thải khiến việc giám sát liên tục và định lượng hóa chất tự động trở nên quan trọng hơn nhiều so với các ứng dụng làm mát công nghiệp ổn định hơn. Việc giám sát thủ công ở những khoảng thời gian cố định là không đủ để nắm bắt được sự giảm nhanh độ pH, sự tăng vọt clorua và sự gia tăng hoạt động sinh học đặc trưng cho các cơ sở này.

Các hệ thống quản lý nước làm mát hiện đại cho các ứng dụng đốt chất thải nên kết hợp các cảm biến trực tuyến về độ pH, độ dẫn điện (làm đại diện cho tổng chất rắn hòa tan và tỷ lệ nồng độ), khả năng oxy hóa-khử (ORP, để theo dõi dư lượng chất diệt khuẩn) và độ đục (đối với lượng chất rắn lơ lửng). Những tín hiệu này cung cấp cho bộ điều khiển định lượng tự động điều chỉnh chất ức chế ăn mòn, chất ức chế cáu cặn, hóa chất điều chỉnh độ pH và liều lượng chất diệt khuẩn trong thời gian thực để duy trì các thông số chất lượng nước mục tiêu bất chấp điều kiện đầu vào biến động.

Ngoài việc định lượng tự động, các biện pháp vận hành sau đây rất cần thiết để đạt được hiệu suất đáng tin cậy:

• Ghi nhật ký chất lượng nước hàng ngày: Độ pH, độ dẫn điện, độ cứng, clorua, dư lượng chất ức chế và dư lượng chất diệt khuẩn phải được ghi lại tối thiểu một lần mỗi ca trong quá trình vận hành bình thường.
• Phân tích toàn diện hàng tuần: Bảng hóa học nước đầy đủ bao gồm canxi, magie, silica, sắt, chất rắn lơ lửng, độ đục và tính toán chỉ số bão hòa Langelier.
• Đánh giá phiếu giảm giá ăn mòn hàng tháng: Các phiếu ăn mòn của thép cacbon, hợp kim đồng và bất kỳ vật liệu xây dựng nào khác phải được cân và kiểm tra hàng tháng để xác minh rằng tốc độ ăn mòn vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được.
• Kiểm tra trao đổi nhiệt hàng quý: Kiểm tra bằng mắt hoặc siêu âm các bộ phận trao đổi nhiệt đại diện để xác định cặn bẩn hoặc rỗ ở giai đoạn đầu trước khi nó gây hư hỏng thiết bị.
• Giao thức khởi động và tắt máy: Xử lý trước màng với nồng độ chất ức chế cao đặc biệt trước khi khởi động hệ thống và định lượng sốc thuốc diệt khuẩn trước khi ngừng hoạt động kéo dài để ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật trong thời gian trì trệ.

Những người vận hành nhà máy đốt rác thải thực hiện các chương trình giám sát và định lượng tự động có cấu trúc luôn đạt được tốc độ ăn mòn thấp hơn, tuổi thọ của bộ trao đổi nhiệt dài hơn và tuân thủ quy định đáng tin cậy hơn so với những người dựa vào việc điều chỉnh liều lượng hóa chất thủ công định kỳ. Để thảo luận về chương trình giám sát và xử lý phù hợp với dòng chất thải cụ thể và cấu hình mạch làm mát của cơ sở bạn, liên hệ với các chuyên gia xử lý nước của chúng tôi .