火力发电厂煤泥沉淀池的设计及研究.pdf

火力发电厂煤泥 沉淀池的设计及研究 胡华强 ，张捷 ，胡天 慈 1 ． 江苏省 电力设计 院，江 苏南京2 1 1 1 0 2 ；2 ． 中机 国能 电力工程有限公司 ，上海2 0 0 0 6 l 1 摘要根据相关规程 的要 求，对火电厂煤泥初沉池的设计进行 了分析。并结合某2 3 0 0 Mw燃煤电厂工程实 例，对布置方案进行 了深入研 究，提 出了既能满足去除大部分煤颗粒悬浮物工 艺要求、又能节约用地 的煤泥 初 沉池 设计 方法 。 关键词 煤 泥初沉池；煤颗粒柱径 ；临界沉速；去除率； 出水悬浮物浓度。 中图分类号 T M6 2 1 文献标志码 B文章编号1 6 7 1 ． 9 9 1 3 2 0 1 5 0 1 ． 0 0 3 2 0 4 Re s e a r c h o n De s i g n o f S e t t l i n g Po n d f o r Co a l S l u r r y i n Co a l - fi r e d Po we r Pl a n t HU Hu a q i a n g ，ZHANG J i e ，HU Ti a n - c i 1 ． J i a n g s u E l e c t r i c P o w e r De s i g n I n s t i t u t e ， Na n j i n g 2 1 1 1 0 2 ， C h i n a ； 2 ． Ch i n a S i n o g y E l e c t r i c E n g i n e e mg C o ． ， L t d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o c u r r e n t s t a n d a r d s ， t h e a r t i c l e a n a l y s e s t h e d e s i g n o f s e t t l i n g p o n d f o r c o a l s l u r r y i n f o s s i l fi r e d p o we r p l a n t ． I l l u s t r a t e d b y t h e e x a mp l e o f 23 0 0 M W c o a l fir e d p o we r p l a n t ． a c o mp r e h e n s i v e i n v e s t i g a t i o n o f l a y o u t i s p e r f o r me d a n d t h e a rti c l e fin d t h e me t h o ds t o ma k e t h e s e t t l i n g p o n d f o r c o a l s l u r r y bo t h wi t h h i g h e ffi c i e n c y i n r e mo v a l o f c o a l p a r t i c l e s a n d s a v e s p a c e ． K e y wo r d s s e t t l i n g p o n d ； g r a i n s i z e o f c o a l p a r t i c l e s ； i n t e r c e p t v e l o c i t y ； r e mo v a l r a t e ；S u s p e n d S o l i d s o f e fflu e n t o f t h e s e t t l i n g p o n d ． 1概述 燃煤 电厂含煤废水主要来 自输煤系统冲洗 排水和煤场初期雨水等，不 同程度 的含有煤颗 粒悬浮物 ，不满 足废水排放标准 ； 其 中输煤 系 统冲洗水量较小，而煤场初期雨水量较大。近 年来，电厂设计和运行管理部门环保意识增强， 含煤废水处理 日益得到重视 ；一般均采用煤泥 初沉池初沉 加药煤水处理系统的工艺流程处 理含煤废水，处理合格 的中水可 以回用于煤水 冲洗系统。据 了解 ，各电厂设置 的煤泥初沉池 ， 容积各不相 同，容积最大 的有几千立方，最小 的仅 几十立 方 ， 差距 巨大 ； 原 因是没 有一 种规 范 、 合适的设计方法。因此，研究开发一种 既能满 足去除大部分煤颗粒悬浮物工艺要求、又能节 约 用地 的、规 范 合 适 的煤泥 初 沉 池 设 计方 法 是 十分 必要 的 。 2现状 对火力发电厂进 行调研观测 ，发现 电厂煤 泥初沉池存在不同程度的 问题 ，主要表现在运 行管理和设计方面都有不完善之处，煤泥初沉 池 出水不能满足后续加药煤水处理系统的进水 水质指标 。因此，如何合理确定煤泥初沉池设 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 3 作者简介胡华强 1 9 6 2 - ，男，浙江绍兴人，教授级高级工程师，从事火力发电厂水工消防咨询设汁工作。 3 2 ． 2 0 1 5 0 2 g 第1 期 t ； ● h蛐- 八 J- 计标准，需要认真探讨。 电厂 煤场 一般 占地 数公 顷，堆有 大量 原 煤 。降雨时，煤场表面逐渐形成径流。由于水 流的冲刷作用 ，细小的煤粉颗粒随水流排 出煤 场。因此煤场排 出的初期雨水 ，含有相 当数量 的煤粉颗粒，色黑，悬浮物浓度达 1 0 4 mg ／ L以 上。输煤系统冲洗水煤颗粒悬浮物浓度相对较 小，但也高达数干 mg ／ L以上。因此，合理的设 置煤泥初沉池，收集煤场初期 雨水 以及输 煤系 统冲洗水，不仅保护环境，而且能 回收其中夹 带的煤粉。 范f 以下简称 水工规范1 表 1 3 ． 1 ． 5中规定， 贮煤场 径流系数 取值为 0 ． 1 5～ 0 ． 3 0； 水工规 范1 4 ． 3 条文说 明规定，煤场初期雨水集雨时 间可 按 0 ． 5 h～ 1 ． 0 h考 虑 ， 设计 重 现 期 的 取值 宜与全厂协调一致 一般取为 2～ 5 a ； 火力发 电厂废水治理设计技术规程 1 0 ． 2 ． 3 条文说明规定， 煤水沉淀池容积按照接纳不小于 0 ．5 h历时过程中 所能收集的水量确定。一般认为，降雨持续 0 ． 5 h 后煤场雨水排水比较清洁 ；降雨时间 0 ． 5 h后 的 降雨不再进入煤 泥初沉池，可 以直接排入 雨水 下水道。 3火力发电厂煤泥沉淀池的设计 3 ．2 含煤废水悬浮物颗粒分析 3 ． 1煤泥 沉淀池有效容积的确定 煤场初期雨水煤泥初沉池的有效容积应根 据煤场 降雨量确 定。煤场初期 雨水量与雨水设 计重现期、煤场初期雨水的降雨历时 以及煤场 径 流系数有 关。 火 力发 电厂水 工设计技术 规 据测，进入煤泥初沉池的含煤废水悬浮物浓 度 可达 1 2 0 0 0 m 左右，最大粒径为 3 0 mm～ 5 0 mm ；悬浮物粒径小的甚至呈胶体状态。煤 水中颗粒分布以及颗粒沉速对应情况， 详见表 l 、 表 2。 表1 煤水粒径分布 _■ 0 碉 墨啊瞳 ≥n q 6 Ol3 O ～ O ． 9 6 O ． 1 7 ～ 0 ． 3 0 0 ． O 8 5 ～ 0 ． 1 7 0 ． O 6 ～ 0 ．0 8 5 0 ．0 4 ～ O ． O 6 ≤ 0 ．0 4 ■嗍lI 锄 _0 5 4 6 l 3 9 7． 1 9 5 ． 4 4 5 ． 7 2 3 ． 4 7 7 1 ．2 5 表 2 煤 泥不同粒径沉降速度 无论在动态沉淀 的平流状态还是静止沉淀 的静水状态下，细 小煤颗粒的沉降均属于层流 状态或近层流流态 ；根据表 2数据，基于阿基 米德原理 ，颗粒所 受阻力与其在水中的重力相 等时，将等速下沉 ；层流流态 下煤颗粒 的沉速 计算可用斯托克斯 S t o k e s 公式 “ 1 8 ／2 一 式中 为沉速， m ／ s ； f 为水的动力黏度， P a s 1 ； 为颗粒密度， 3 ； P为水密度， 3 ； d为 颗 粒 粒径 ， m ； g为 重力 加 速 度 ， m ／ s 。 将表 2数据代入斯托克斯公式计算可得 煤泥颗粒的平均颗粒密度 P 为 1 3 9 6 - 3 k g ／ m3 。 3 ． 3煤泥沉淀池临界沉速 b ／ 的确定 煤 泥初沉池后 的加药煤水处理系统的工艺 流程，要求进水 悬浮物浓度不高于 5 0 0 0 mg ／ l 。 即针对悬浮物浓度高达 1 2 0 0 0 mg ／ 1 的含煤废水， 在煤 泥初沉池 中的去除率需达到近 6 0 ％。即在 粒径 ≤0 ． 0 4 mm 的颗粒中仍有一半悬浮物需要在 煤泥初沉池中去除。煤泥水悬浮物粒径在 0 ．0 1 i r Lr n 以下时，悬浮物浓度一般处于 1 0 0 0 mg ／ L以下 ； 利用插值法，取去除率达 到 6 0 ％ 悬浮物粒径为 0 ． 0 2 5 mm，此 时对 应 的沉速 u为 “ z 1 8 1 1 39 6． 3 - 1 0 009 ． 8 1 r O ． 0 0 0 0 2 5 、 一 ⋯⋯1 _ l 8 0 ． O 01 1 4 1 ． 1 8 4 x1 0 m／ s 即为符合煤泥初沉池颗粒去除要求的临界 沉速 甜 。 ； 数值上等于煤泥初沉池的 “ 表面负荷 ” Q ／ A，此 项参数代表 了沉 淀池的沉淀能力，以 此参数为标准即可展开煤泥初沉池的设计计算。 2 o 1 5 年 0 2 月 第 1 期 ．3 3 3 ．4 “ 动静结合 ”模式 的煤泥沉淀池据 试 验及 实测，动态 沉淀池 的出水悬 浮物 可 达 1 0 0 0 rag ／ 1 以上 此时 的临界沉速 约为 1 ． 8 9 1 0 。 。 m／ s ，静止沉淀池的上清水悬浮物可 在 7 0 0 mg ／ 1 ～ 8 0 0 mg ／ l 以下 ；均符合加药煤水 处理系统的进水悬浮物浓度要求。 水工规范 [ 1 ] 第 1 4 ． 3 ． 1 条亦要求 发 电厂宜设煤场雨水沉 淀池 ，并宜与输煤系统建筑冲洗排水沉淀池合 并设置 ；因此 ，本文 的煤泥初沉池设计采用动 态平流沉淀池与静止 自然沉淀池相结合 的模型， 以适应包含煤场初期雨水、输煤系统冲洗排水 在内的各种含煤废水来水处理要求。 当含煤废水来源仅为输煤系统冲洗排水时， 由于来水总量相对较小，煤泥初沉池可按动态 平流沉淀池模式设计 ，即 当含煤废水流经煤 泥初沉池到达沉淀区域末端时，悬浮物浓度可 达到后续加药处理系统的进水要求 。 当含煤废水来源主要为煤场初 期雨水时， 由于来水总量相对较 大，煤泥初沉池 按静态 自 然沉淀池模式设计 ，即 将 0 ． 5 h内的煤场初期 雨水储存于煤泥初沉池有效容积 中，有效容积 中考虑存储煤场初期雨水量的 同时，还要考虑 输煤系统的一次冲洗水量 。静态 自然沉淀池设 计模式需要更长 的沉淀时间，但沉淀池容积 的 利用率高，去除率较动态平流沉淀池设计模式 要高，但需要较长的沉淀时间。 动态平流沉淀池设计模式与静止 自然沉淀 池设计模式相结合 的煤泥初沉池设计方法相较 于传 统的静止 自然沉淀池，有着煤泥沉淀池利 用率高、无需专设用于存 蓄输煤系统冲洗排水 的容积，无需分格设置，减小 占地面积的优势。 4设计实例 以北 方 某 2 3 0 0 MW 燃 煤 电厂工 程 为例 ， 煤场 占地面积约为 2 ． 7 5 k m ，采用悬臂斗轮机 双列煤场，煤堆呈长条形布置 ，长约 1 8 0 m，每 条宽 3 5 m，煤场堆高为 1 4 m，储煤约 1 1 0 s t ， 可满足 2 3 0 0 MW 机组约 1 0天的耗煤量。取 煤场径流系数取值为 0 ． 2 0； 煤场雨水设计重现 期的取值宜与全厂协调一致为 3年 ；半小时内 的煤场初期雨水量为约 3 0 0 m ；栈桥、转运站 水冲洗用水量 日用水量为 1 2 0 m ／ d；小时用 3 4 ． 2 o 1 5 年 0 2 月 第 1 期 水量为 6 0 I 12 ／ h ，每 日 2次，一次一小时 。 当含 煤废水 来源 仅为输 煤系 统冲洗 排水 时，Q 9 6 m ／ h 考 虑 变化 系数 为 1 ． 2～ 2 ． 0 ， 取 1 ． 6 ；该 工 况 下， 煤 泥 初 沉 池 可 按 动 态 平 流 沉 淀 池 模 式 设 计， 其 临 界 沉 速 ‰ 1 ． 1 8 4 1 0 一 m ／ s ； 则 该平流 沉淀 池 的 “ 表面 负荷 ” Q ／ A 0 ． 4 2 6 m ／ m _ h 1 。 由 此 可 知 ， 该 平 流 沉 淀 池沉 淀 区域 的 占地面 积 A需≥ Q ／ Q ／ A 2 25 ． 4 m 。 当含煤废水 来源 主要为煤场初期雨水时 ， 煤泥初沉池按静态 自然沉淀池模式设计 ，即其 沉 淀 区域有 效 容积 需 ≥ 0 ． 5 h内的煤 场初 期雨 水 量 运 煤系 统 的一次冲洗 水量 3 0 0 9 6 3 9 6m 。 沉 淀池 的常规 要 求 长深 比 ≥ 8～ 1 0；长 度≤ 6 0 m； 长宽比≥4 ； 有效水深 3 m～ 3 ． 5 m； 且水工规范第 1 4 _ 3 - 2条要求煤泥初沉池宜符合 下列要 求 超 高为 0 ． 3 m ～ 0 ． 5 m ； 有效水深宜采用 2 1 T I ～ 3 m ； 煤泥最大沉积厚度按 0 ． 5 m～ 1 ． 0 m ； 由此，确定沉淀池基本参数如 下 沉淀 区 域长 L 3 0 m； 沉淀区域宽 B 8 m 分两格 1 ； 有 效水深 H 2 m ； 平面面积 A 2 4 0 m ； 有效容积 有效 4 8 0 m ； 均满足动态和静态设计模式的 最 小平 面面积、有效容积要求 。一般情 况下， 雨天选择静 态运行模式 ；非雨天选择动态模 式 运行 。 沉淀区域前端，设置启闭机 闸门两座 ，将 沉淀 区域与进水 区域分开，可供选择动态模式 或静态模式运行 ；进水区域设置与煤场煤泥沟 相连 ，设置溢流堰一座 ，具体见图 l 。 沉淀 区域末端 ，与不 同高程设置启闭机 闸 门 3座 常 开 ，仅在 下 雨时 关 闭 ，将 沉 淀 区域 与出水区域分开 ，具体见图 2 。 当含煤废水来源仅为输煤系统冲洗排水时， 选择动态模式运行，进水管道从进水区域 闸门 后接入沉淀 区域 ，含煤废水流经沉淀 区域后由 末 端启 闭机 闸门 全开 流 出，进入初沉后煤 水 池 ； 输 煤 系 统 冲洗 排 水 在 流 经沉 淀 区域 的 过 程 中进行动态平流沉淀 ，到达沉淀区域末端时， 己符合出水 的悬浮物浓度要求，从闸门孔 中溢 ■j - -■■ ■ 0 一__ 发电 设 计 火 力 发 电 厂 煤 泥 沉 淀 池 的 设 计 及 研 究圈 嘲 髓 嘲 嘲 1 图1煤泥沉淀池沉淀区域前端乎面图 图2煤泥沉淀池沉淀区域末端断面图 流至初沉后煤水池。 当含煤废水来源主 要为煤场初期 雨水 时， 选 择静态运行模式 ； 沉淀 区域末端 3座启闭机 闸门全关。煤泥初沉池转化为静态 的自然沉淀， 开始存储来 自煤场 的初期雨水 ；设计暴雨强度 下的 0 ． 5 h煤场初期 雨水 3 0 0 1T I ，有效容积 中 剩余 的 9 6 m。 为预 留的存储期 间一次输煤系统 冲洗排水量 收集完毕后，关 闭进水 区域启 闭 机闸门 此处设置液位联锁 ，O ． 5 h以后清洁的 煤场雨水通过溢流堰进入厂 区雨水管道系统排 放 。见图 3 ，阴影部分即为静态的自然沉淀池所 存储的煤场初期 0 ． 5 h雨水量 。 煤颗 粒临界沉 速 ‰ 1 ． 1 8 4 1 0 ～ m ／ s ，则 每沉 降 1 世面 m 需耗 时 ／ - ／ o ／ 8 4 4 6 S 2 ． 3 5 h；煤 泥初沉 池存储 区域有 效水深 H 2 m，则可知静态 自然沉淀池的停 留时间 T H ／ ／, ／ 0 1 6 8 9 2 S 4 ． 7 0 h 。即此部分存储的煤场初 期 雨水，将在静止 自由沉 淀 4 ． 7 0 h后符合煤泥 初沉池 出水的悬浮物浓度 要求 ； 届时可打开沉 淀 区域末端各 启闭机闸 门，将此部分水量放至 初沉后煤水池 。也可利用沉降高度与所需沉降 时 间的对应 关系，从上到 下，依次打开沉淀 区 域末端各启闭机闸门。 5结论 综上所述，这种煤泥初沉池设计方案在保 证出水悬浮物浓度符合后续工艺系统要求 的前 提下，兼顾 了动态平流沉淀和静态 自由沉淀两 种运行模型 ； 在不 同的工况下，能于这两种模 型间交替切换运行，无需分格设置 [ 1 ] ，减小 了 占地面积，为 电厂煤水系统的设计方案提供 了 一 个新的思路。 参考文献 [ 1 ]D L ／ T 5 3 3 9 --2 0 0 6 ，火 力发 电厂 水工 设计规 范[ S ] 2 0 1 5 年 o 2 月 第 1 期 ． 3 5 图3煤泥沉淀池纵向剖面图 [ 2 ] DL ／ T 5 0 4 6 --2 0 0 6 ，火力发 电厂废水治理 设计 技术 规程[ S ] ． 【 3 ]张康年．火力发电厂含煤废水处理方式优选[ J ] ．电 力土水设计 ，2 0 0 8 ， 4 ． [ 4 ]严煦世 ，范瑾初 ．给水工程 第四版 [ M] ．北京中 国建筑 工业 出版社 ，1 9 9 9 ． [ 5 ]杨秀伟 ．应 用集 成式污水净化技术改造含煤废水处 理系统[ C ] ／ ／ 火力发电节水技术研讨会，2 0 0 6 ． 5结语 待进一步深入研究。 通过对溃堤洪水冲刷坑深度计算方法的 研究，改进了地基土当量直径的取值方法，本 文采用逐层渐进试算方法进行冲刷坑深度的计 算，降低 了由于设计人员的主观意识带来的过 大或过小的误差，从而避免投资浪费或造成安 全隐患 。 由于溃堤洪水问题十分复杂，无论一维 还是二维计算方法均建立在诸 多假定条件 的 前提下。因此，溃堤洪 水冲刷深度 计算还有 3 6 ．2 0 1 5 0 2 ,q 第 1 期 参考文献 [ 1 ]桂红华 ．电力工程水文气象计算手册[ M] ．武 汉 湖北科学技术 出版社 ，2 0 1 0 ． [ 2 ]张修忠，王光谦．堤防溃决的流动分析及冲刷坑 计算 l J 1 ．泥沙研究 ，2 0 0 2 ， 1 ． [ 3 ] 刘德 平 ．溃堤洪 水及 冲刷 坑分析 计算 方法 综述 f J ] ． 电力勘测设计 ，2 0 0 6 ， 2 ． [ 4 ]郑磊．溃堤洪水分析与计算在电力工程中的应用 l J 1 ．中国高新技 术企业 ，2 0 0 9 ， 2 1 ．