大型熱電站鍋爐中低含鹽量補給水處理方案選擇

游曉宏

（江蘇省電力設計院，江蘇南京211100）

對存在外供熱、供水等要求的火電廠，鍋爐補給水處理系統規模往往較為龐大，在整個電廠建設的投資比例提高，因此，選擇一個技術經濟合理的水處理方案頗受投資、設計、運行方關注。

為大幅減少酸堿費用、保證運行的經濟性，對于含鹽量高于500 mg/L水源，大型水處理應用投資較高的反滲透（RO）處理技術[1]在業內已達成共識。但對于200 mg/L左右的中低含鹽量水源，水處理是采用全離子交換還是RO處理方案，常常意見相左，甚至爭議較大。此外，RO后級系統又有全離子交換、兩級RO＋混床、兩級RO＋電除鹽（EDI）等諸多可選子方案，各子方案的技術經濟性差別較大，常常也是問題討論的焦點。文中結合具體工程設計實踐，在深化方案設計和全面分析技術特性、一次性投資及酸堿藥品消耗、電耗、人工成本等運行費用的基礎上，力圖優化選擇中低含鹽量水源的大型電站補給水處理方案。

1 鍋爐補給水處理方案

某供熱電廠建設2×600MW超臨界直流爐燃煤發電供熱機組，熱負荷600 t/h，考慮水汽循環等損失，設計鍋爐補給水處理系統出力695 t/h，鍋爐補給水采用經混凝澄清處理、含鹽量約185 mg/L的長江水，污染較輕，水源是典型的中低含鹽量水。

常規設計鍋爐補給水處理考慮采用活性碳過濾+一級離子交換除鹽+混床處理方案（簡稱方案一），其工藝流程及主要設備參數如圖1所示。

圖1 方案一工藝流程及主要設備參數

RO預脫鹽處理具有大幅降低再生頻度、減少再生酸堿應用和廢水排放量、顯著提高運行操作自動化水平及提高和穩定出水品質等突出優點[2]，因此可考慮RO處理方案。但對于大型系統，RO脫鹽前預處理系統如采用傳統的高效過濾+活性炭過濾，設備數量多，系統龐大復雜，占地面積大。如采用高度集成化的超濾（UF）膜組件，不僅出水水質高，且大大簡化系統，大幅減少布置占地[3]。因此，RO預脫鹽處理前宜采用UF處理。綜上所述，鍋爐補給水處理可考慮UF+RO+一級離子交換除鹽+混床處理方案（方案二）。

出于節能考慮，常規RO水處理裝置在設計使用條件下，RO本體初始運行最大進水壓力宜小于1.5 MPa[4]，但對大型水處理系統，如能進一步降低RO運行操作壓力，可取得非常顯著的節能效果。事實上，對99.7%高脫鹽率低壓復合膜RO后的全離子交換系統，即使應用在原水含鹽量高達到700 mg/L場所，運行周期也較長，一般超過2個月才再生一次，為避免樹脂壓實結塊，常常中途強制再生。針對水源含鹽量中偏低水質特點，設計采用99%的稍低脫鹽率極低壓復合膜，雖然膜的投資因此約增加12%，但運行壓力可由常規的0.9～1.2 MPa降至0.45～0.6 MPa，其應用既保證后級除鹽系統合理運行周期，又大大節約能耗。方案二的工藝流程及主要設備參數如圖2所示。

圖2 方案二工藝流程及主要設備參數

為簡化系統，進一步提高運行操作的自動化水平，混床前一級離子交換除鹽系統可用二級RO代替，形成UF+一級、二級RO+混床處理方案（簡稱方案三），其工藝流程及主要設備參數如圖3所示。

圖3 方案三工藝流程及主要設備參數

床型離子交換處理具有運行中斷、使用酸堿和排放廢液的缺點，近年來，EDI處理成為水處理應用新技術。以EDI工藝應用為核心的UF+RO+EDI全膜處理技術具有運行自動連續、產水品質高、安裝運行維護簡便等優點，由于設備均為緊湊模塊化裝置，系統布置占地面積和空間體積小，特別是EDI技術以電再生方法來生產高純水，避免了酸堿使用和廢液排放，為一種新型的清潔生產工藝，具有顯著的環境效益[5]。因此，可考慮UF+一級RO+二級RO+電EDI處理方案（簡稱方案四），其工藝流程及主要設備參數如圖4所示。

圖4 方案四工藝流程及主要設備參數

2 方案技術經濟比較

2.1 技術性比較

4種方案的技術性比較如表1所示。

綜合各項技術性能，特別是考慮系統復雜程度、酸堿消耗、自動化程度、環境效益、安全保障等性能，方案的技術性評價由高到低依次為：方案二＞方案三＞方案四＞方案一。

2.2 經濟性比較

根據方案設計，計算4種方案各項投資和運行費用，具體詳如表2所示。

表1 4種方案技術性比較

表2 4種方案經濟性比較數據萬元

由表2可看出，在原水含鹽量約200 mg/L時，各方案投資費用：方案四＞＞方案三～方案二＞＞方案一；各方案運行費用：方案四＞＞方案三＞方案二～方案一。

考慮資金的時間價值，根據各方案年費用大小，185 mg/L含鹽量水平下，各方案的經濟性評價由高到低依次為：方案一＞方案二＞方案三＞＞方案四。

3 原水含鹽量對方案經濟性影響的定量分析

在上述方案經濟性定量分析基礎上，可建立各費用與含鹽量關系的數學關系式，進而解決原水含鹽量對方案經濟性影響的問題。

在一定含鹽量范圍內，原水含鹽量對各方案的經濟性影響主要體現在：原水含鹽量越高，方案一的酸堿費因此上升，樹脂一次性投資和年樹脂更換費用有所上升；原水含鹽量越高，滲透壓上升，RO運行電耗上升，但RO運行壓力主要取決于膜元件本身的動力壓力和水力損失，一定含鹽量范圍內，水的滲透壓僅是運行壓力中很微小的一部分，故方案二、三、四的一級RO由于進水含鹽量升高所引起的運行電耗上升忽略不計；當含鹽量高于350 mg/L時，為保證后級系統運行，膜的選擇由極低壓復合膜改為低壓復合膜，膜的投資下降。

根據上述分析，以表2經濟比選數據為基準值，擬定原水含鹽量C對系統一次性投資I和靜態運行費用Z關系式分別如下：

式中：I為某含鹽量水平下的靜態一次性投資，萬元；I0為基準含鹽量水平下的靜態一次性投資，萬元；IR0為基準樹脂投資，萬元；C為原水含鹽量，mg/L；C0為基準含鹽量，mg/L；k為除樹脂投資外，與含鹽量相關投資倍增指數，方案一取0.2，其他方案取0；IM為因含鹽量變化導致膜型選擇而引起的投資調整量，萬元。

式中：Z為某含鹽量水平下的靜態運行費，萬元/年；ZM為基準含鹽量水平下的除再生酸堿費、廢水處理排放費、維修費以外的靜態運行費，萬元/年；ZAC為基準含鹽量水平下的再生酸堿費，萬元/年；ZWW為基準含鹽量水平下的廢水處理排放費，萬元/年；I為某含鹽量水平下固定資產的靜態一次性投資，萬元；η1為膜、樹脂等設備性材料一次性投資占總靜態一次性投資比率，方案一取8%，方案二取25%，方案三取40%，方案四取60%；η2為固定設備年維修費率，取2.5%。

由式（1，2）計算出各原水含鹽量水平下的靜態一次性投資以及運行費用，結果如表3、表4所示。

表3 各含鹽量水平下4種方案的靜態一次性投資

表4 各含鹽量水平下4種方案的靜態運行費用

由于考慮了一次性投資資金占用的時間價值，采用動態年費用法可準確反映評價各含鹽量水平下的各方案經濟性。綜合表3、表4的靜態一次性投資和運行費用經濟數據，以40年為方案壽命期，以10%為社會基準收益率，4種方案動態費用見表5。

表5 各含鹽量水平下各方案的動態年費用

根據表5可知，一定含鹽量范圍內，隨著含鹽量上升，方案一的經濟性顯著下降，而方案二、三、四經濟性幾乎不變。當原水含鹽量上升至約270 mg/L時，對大型水處理系統而言，方案二的經濟性開始高于方案一，且經濟性最好。

4 結束語

綜合上述技術經濟分析，對以中低含鹽量水為水源的大型鍋爐補給水處理系統，宜推薦技術性能優、投資和運行費用適中的UF+極低壓RO+一級除鹽+混床處理方案；當原水含鹽量超過270 mg/L時，應選擇不僅技術性能優，且經濟性能亦優的UF超濾+RO+一級除鹽+混床處理方案。

[1] 馮逸仙，楊世純.反滲透水處理工程[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2] DL 5000—2000，火力發電廠設計技術規程[S].

[3] 邵鋼.膜法水處理技術[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[4] DL/T951—2005，火電廠反滲透水處理裝置驗收導則[S].

[5] 時鈞，袁權，高從楷.膜技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.