火力發電廠廢水零排放技術方案

劉進

(華電水務工程有限公司，北京 100160)

火力發電廠廢水零排放技術方案

劉進

(華電水務工程有限公司，北京 100160)

為實現火力發電廠廢水零排放的目標，對脫硫廢水預處理工藝、脫硫廢水濃縮處理工藝以及末端濃鹽水的蒸發結晶處理工藝進行技術對比，選取適合電廠實際情況的技術方案。處理后的冷凝水可以作為工業水，使電廠水處理系統實現閉式循環，沒有任何外排水，真正實現廢水零排放。

脫硫廢水；零排放；預處理；濃縮處理；末端濃鹽水蒸發結晶

1 脫硫廢水處理的意義

我國屬于水資源嚴重短缺且分布不均衡的國家，只有全面綜合利用才是解決缺水和排污對環境污染的有效途徑。國家及社會對環保要求越來越高，同時也對火力發電廠提出了更高的要求，全廠廢水必須做到零排放。

火力發電廠主要污水有生活污水、含油廢水、含煤廢水、工業廢水、循環水冷卻塔排污水以及脫硫廢水,這些廢水一般經過簡單物化、生化處理后直接排放或部分回收利用?；鹆Πl電廠廢水回收基本上是將各部分廢水用于脫硫用水，所以脫硫廢水處理是全廠廢水零排放的關鍵。目前，國內對脫硫廢水的處置方式主要是初步處理后排放。一般是通過系列氧化還原反應將廢水中的重金屬污染物轉化為胺化物，再通過絮凝反應沉淀除去重金屬及懸浮物固體，最后調節pH值使其達到DL/T 997—2006《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水控制指標》的要求，但處理之后依然為高氯根、高含鹽且含有微量重金屬的廢水。因此，電廠濕法脫硫廢水回收利用是電廠實現零排放的最大難點和關鍵[1]。

2 脫硫廢水預處理

脫硫廢水中含有重金屬、氟離子、化學需氧量(COD)等污染物，產生的污泥需要進行專業處理。為減少污泥處理量，并保證后續裝置運行的穩定性，脫硫廢水經現有脫硫廢水處理系統處理后，再進入高鹽廢水濃縮處理系統。脫硫廢水總硬度達到100～200 mmol/L，需要進行軟化處理，以避免后續濃縮處理系統以及蒸發設備結垢。脫硫廢水軟化處理主要有以下2種方案。

(1)方案1：石灰-碳酸鈉軟化-沉淀池-過濾器處理工藝。首先，化學加藥使Ca2+，Mg2+以及硅產生沉降，然后用沉淀池做固液分離，沉淀池的上清液自流至重力濾池進行過濾除濁，出水作為高含鹽廢水濃縮處理系統進水。

(2)方案2：石灰-碳酸鈉軟化-管式微濾膜(TMF)處理工藝。首先，化學加藥使Ca2+，Mg2+及硅產生沉降，然后采用錯流式管式微濾工藝代替傳統的澄清工藝，利用微孔膜對廢水中的沉淀物進行分離，達到較好的出水水質，出水進入高含鹽廢水濃縮處理系統進一步處理。

2種脫硫廢水預處理方案的技術對比見表1。

表1 2種脫硫廢水預處理方案技術對比

方案1已在廣東河源電廠得到成功應用，系統運行穩定；浙江浙能技術研究院有限公司在浙江浙能蘭溪發電有限公司脫硫廢水處理以及北京熱電廠脫硫廢水的中試試驗中均采用了方案2，由于脫硫廢水有機物含量高，造成微濾膜污堵(浙江浙能蘭溪發電有限公司脫硫廢水ρCOD=390 mg/L，華能北京熱電廠脫硫廢水ρCOD=480 mg/L)，微濾膜膜通量衰減嚴重，系統運行穩定性較差。

3 脫硫廢水濃縮處理

3.1方案1

方案1采用高鹽廢水濃縮處理系統，處理系統工藝如圖1所示(圖中：EDR為電滲析；RO為反滲透)[2]。

圖1 高鹽廢水濃縮處理系統工藝(方案1)

方案1包括以下內容。

(1)脫硫廢水來水(15 m3/h)進入軟化處理單元，加石灰調節pH值，并加碳酸鈉去除鈣硬和鎂硬。

(2)軟化處理單元產水(14 m3/h)以及循環水排污水回用處理系統RO濃排水(30 m3/h)經過精密過濾器過濾后，進入EDR裝置，系統設計回收率為55%，脫鹽率為75%，產水(24 m3/h)作為脫硫工藝用水，濃水(20 m3/h)進入蒸發結晶系統。

(3)反應池和沉淀池污泥主要成分為碳酸鈣，作為脫硫系統制漿用水。

3.2方案2

方案2采用納濾-海水反滲透(NF-SWRO)工藝，通過納濾去除廢水中的有機物和部分鹽分，納濾產水進高壓反滲透，濃水進蒸發結晶，處理系統工藝如圖2所示(圖中：SWRO為海水反滲透；NF為納濾)[3]。

圖2 納濾-海水反滲透處理系統工藝(方案2)

混合后的末端廢水中ρCOD、含鹽量、氯離子質量濃度、硬度等均很高，這些物質在濃縮過程中易造成反滲透膜結垢及微生物污堵等故障，故必須先進行去除或降低這些物質含量。通過兩級軟化可以將硬度離子去除，但混凝澄清對有機物的去除率只有30%左右，混合后的末端廢水ρCOD較高，只有進一步降低ρCOD，才能有效減緩反滲透膜污堵。由于NF裝置對COD有較高的耐受性和去除率，因此在軟化工藝后增加NF處理。

納濾膜孔徑約為1 nm，能有效截留二價及高價離子、分子量高于200的有機分子，使大部分一價鹽透過。納濾膜相對截留分子量介于反滲透膜和超濾膜之間，對無機鹽有一定的脫除率；對單價離子截留率低，對二價和多價離子截留率達到90%以上；對疏水型膠體、油、蛋白質和其他有機物有較強的抗污染性。相比于反滲透工藝，納濾具有操作壓力低、水通量大的特點，納濾膜操作壓力一般低于1 MPa，操作壓力低使得分離過程動力消耗低，對于降低設備的投資費用和運行費用是有利的[3]。

方案2包括以下內容。

(1)脫硫廢水(15 m3/h)進入軟化處理單元，加石灰調節pH值，并加碳酸鈉去硬度[2]。

(2)軟化處理單元產水(14 m3/h)以及循環水排污水回用處理系統RO濃排水(30 m3/h)混合后，經過砂率過濾進入NF裝置，NF裝置回收率設計為75%，NF產水(33 m3/h)到SWRO裝置，NF濃水(11 m3/h)進入高壓反滲透裝置，回收率為50%，5.5 m3/h的濃水進入蒸發結晶站2。NF濃水中含有大量的高價離子(主要是硫酸鹽)，同時含有部分一價離子，為了使產品鹽達到二級工業鹽的要求，需要利用硫酸鈉和氯化鈉結晶溫度的不同來實現鹽的分離[3]。

(3)SWRO裝置設計回收率為75%，脫鹽率為98%，SWRO淡水(24 m3/h)作為冷卻塔補水，SWRO濃水(9 m3/h)進入高壓反滲透裝置，回收率為50%，4.5 m3/h的濃水進入蒸發結晶站1。由于NF裝置將90%以上的高價離子截留，所以SWRO裝置進水中的高價離子含量很低。SWRO濃水中的主要離子為氯化鈉，蒸發結晶站1的產品鹽可以達到二級工業鹽的要求，結晶2主要是硫酸鈉鹽，分別設置2個結晶器實現鹽的資源化利用[3]。

2種高含鹽廢水濃縮處理方案對比見表2。

4 末端濃鹽水最終處理

在經過節水(用水流程優化)及深度節水(高鹽廢水濃縮)后，末端廢水還有(4.5+5.5) m3/h，這部分廢水受水質影響，不能繼續回用，必須進行進一步處理后才能真正實現全廠廢水零排放。

4.1末端廢水可選擇的處置方式

(1)灰場噴灑。將減量后的末端廢水輸送至灰場，采用霧化噴灑技術，利用灰場環境溫度進行自然蒸發。灰場噴灑需要需考慮當地環保政策，考察對周邊環境造成的影響。

(2)煙道噴霧干燥。將末端廢水霧化噴淋至煙道內，或將部分煙氣引出后在單獨的噴霧干燥器中實現廢水的干燥，利用煙溫對末端廢水進行蒸發。煙道噴霧干燥需根據煙氣流量、熱量計算煙道噴霧量，并根據噴頭的性能試驗數據，結合煙道內流場變化特點，優化布置噴頭。末端廢水的煙道噴霧干燥應用很少，具有不確定性，存在一定風險。已有案例顯示，末端廢水噴入煙道造成嚴重的結垢和煙道部分堵塞。此外，噴入煙道的末端廢水可能使煙氣和煙塵的性質發生變化，對除塵器運行有一定影響。因此，末端廢水噴入煙道，必須解決廢水蒸發干燥后的鹽分固體隨煙氣流動在煙道內沉降、積聚的問題，還需解決噴霧系統的結垢等問題，應通過可行性研究，確定合理的噴霧干燥方式及參數。

(3)蒸發結晶。在高溫條件下對廢水進行蒸發，除結晶水外所有水分均以蒸氣形式排出系統，經冷凝后形成非常純凈的蒸餾水，而污染物質以固體的形式經脫水后排出系統。蒸發結晶系統主要包括兩部分：前半部分為熱濃縮器，將廢水進行蒸發濃縮，95%的廢水可轉化為高純度蒸餾水，可用作鍋爐補水、冷卻塔補水、其他工業用水等；后半部分為結晶器，主要是將剩余的5%高質量濃度漿液在結晶器或噴霧干燥器內處理成固體顆粒，固體廢棄物根據其成分可回收利用或掩埋。目前，歐洲、北美地區蒸發結晶處理工藝已成功應用于脫硫廢水處理，實現了廢水零排放，如美國拉斯維加斯的木蘭電廠、美國密蘇里州的亞坦電廠、意大利Enel電廠等。國內火電廠對末端廢水采用蒸發結晶深度處理工藝的較少，目前廣東河源電廠對脫硫廢水進行蒸發結晶處理，采用“預處理+蒸發+結晶”處理工藝，是國內第1家實現了廢水零排放的火電廠。

綜上所述，末端廢水采用灰場噴灑以及蒸發塘蒸發處理方式會對周邊環境造成影響，還存在污染地下水的風險。煙道噴霧干燥技術目前尚不成熟，末端廢水導致的煙道結垢和堵塞等問題還處于研究階段，沒有良好的解決措施。末端廢水蒸發結晶處理工藝在國內外已經有大量成功案例。

4.2蒸發結晶處理工藝

目前，蒸發結晶成熟應用的技術主要有多效蒸發(MED)、蒸汽機械再壓縮(MVR)和自然蒸發(NED)。

4.2.1 MED技術

單效蒸發時，單位加熱蒸汽消耗量大于1，即蒸發1 kg水需消耗1 kg以上的加熱蒸汽。因此，蒸發量很大時，如果采用單效操作必然消耗大量的加熱蒸汽，這在經濟上是不合理的，工業上多采用多效蒸發。多效蒸發中效數的排序是以生蒸汽進入的那一效作為第1效，第1效出來的二次蒸汽作為加熱蒸汽進入第2效，依次類推[4]。

在多效蒸發中，為了保證每一效都有一定的傳熱推動力，各效的操作壓強必須依次降低，各效的沸點和二次蒸汽壓強也相應依次降低。因此，只有當提供的新鮮加熱蒸汽的壓強較高和末效采用真空時，才能使多效蒸發得以實現。多效蒸發技術將蒸汽熱能進行循環并多次重復利用，以減少熱能消耗，降低運行成本。通過多效蒸發后達到結晶程度的鹽水進入結晶器產生晶體，通過分離器實現固液分離，淡水回收利用，固體鹽外售。

表3 MED，MVR與NED工藝的技術對比

4.2.2 MVR技術

MVR技術是目前世界上處理高鹽分廢水可靠、有效的解決方案之一。采用機械壓縮再循環蒸發技術處理廢水時，除了初次啟動需要外部蒸汽外，正常運行時，蒸發廢水所需的熱能主要由蒸汽冷凝和冷凝水冷卻時釋放或交換的熱能提供，運行過程中沒有潛熱流失。運行過程中消耗的僅是驅動蒸發器內廢水、蒸汽、冷凝水循環和流動的水泵、蒸汽壓縮機和控制系統所消耗的電能。利用蒸汽作為熱能時，蒸發1 kg水需消耗熱能2 319 kJ。采用機械壓縮蒸發技術時，蒸發1 kg水僅需117 kJ或更少的熱能。即單一的機械壓縮蒸發器的效率，理論上相當于20效的多效蒸發系統。采用多效蒸發技術，可提高效率，但是多效蒸發增加了設備投資和操作的復雜性[5]。

4.2.3 NED技術

NED技術在一密閉環境內模擬自然降雨的現象：當氣體在設備內循環時，氣流在蒸發室內加熱并吸收水分，然后在冷凝室內凝結成純水。廢水首先經過換熱器被加熱至一定溫度(40～80 ℃)，然后進入蒸發室，從蒸發室頂部噴灑而下，液滴表面的水分被蒸發形成水蒸氣，在風的作用下被移至冷凝系統，含有飽和水蒸氣的熱空氣與冷凝系統內從頂部噴灑下來的冷水相遇，重新凝結成水滴，產生凈水送至系統外。經蒸發后廢水質量濃度不斷升高并達到飽和，鹽從溶液中析出形成固體顆粒，并通過固液分離器實現最終分離。該技術采用熱泵壓縮機組，在制備冷凝系統所需冷水的同時，將水中的熱量轉移用來加熱原廢水，實現了系統內部能量的循環利用。

NED設備不需要將水加熱至沸騰(沸騰可能會損壞某些物質或熱交換器，還可能導致結垢等問題)，不需要加壓室或真空室，也不需要高壓過濾。此技術是廢水處理技術的一種創新模式，運行能耗低。

4.3蒸發結晶工藝比選

MED，MVR與NED工藝的技術對比見表3。

MED和MVR技術在國內火電廠均有成功案例(見下文的2個案例)：MED蒸發過程需要消耗大量的蒸汽，對于4效蒸發，1 t水需要消耗0.3～0.5 t的蒸汽，并且末效產生的二次蒸汽還需要冷凝水冷凝，系統運行費用高；MVR系統將二次蒸汽經壓縮機壓縮，提高壓力和飽和溫度，再送入蒸發器作為熱源，替代新鮮蒸汽循環利用，同時還省去了二次蒸汽冷卻系統，運行費用相對較低，在國外火電廠脫硫廢水蒸發結晶處理系統中應用較廣。

NED技術采用低溫常壓蒸發方式，同時采用壓縮機系統實現系統內部蒸發吸熱和冷凝放熱的能量循環利用，從而降低了系統的運行費用。NED設備體積大，采用模塊化設計，可根據場地條件立體、多層安裝。目前，NED系統在火電廠廢水處理中尚未有應用案例。

MVR技術成熟，在國內外電廠均有成功案例，特別是在美國、意大利等國家的火電廠應用廣泛，運行費用相對較低。

5 國內應用案例介紹

5.1廣東河源電廠廢水零排放項目

廣東河源電廠機組容量為2×600 MW，是國內第1家真正意義上實現廢水零排放的電廠。零排放系統設計處理水量為22 m3/h，其中脫硫廢水18 m3/h，其他廢水4 m3/h。預處理系統包括混凝沉淀系統、水質軟化系統和污泥處理系統，技術方案和設備調試均由西安熱工院有限公司提供，預處理系統設備投資2 000萬元；蒸發結晶處理采用4效強制循環蒸發結晶工藝，系統投資約7 000萬元。預處理出水依次進入1～4效蒸發結晶罐進行蒸發結晶，系統產生的結晶鹽達到了工業鹽要求。2009年12月系統正式投入生產，系統流程如圖3所示，運行情況如下。

圖3 廣東河源電廠零排放系統流程

(1)預處理軟化系統配碳酸鈉溶液，仍需要外接工業水。

(2)運行期間，脫硫系統吸收塔氯離子質量濃度控制在8 000～15 000 mg/L。

(3)2012年處理水量約5.6萬t，折合平均水量約10 m3/h。

(4)4效蒸發系統能耗較高，處理1 m3廢水，消耗蒸汽300 kg，耗電30 kW·h。

(5)工業鹽產量3～4 t/d，售價60～80 元/t。

(6)預處理系統每天產生約50 t泥餅。

(7)實際蒸發溫度為70～110 ℃，其中1效最低，為70～80 ℃，4效最高，為100～110 ℃。

5.2三水恒益火力發電廠有限公司零排放項目

三水恒益火力發電廠有限公司機組容量為2×600 MW。零排放系統由佛山德嘉公司提供成套設備，投資為4 600萬元(不含土建、安裝費用)，技術來自美國J&Y公司，采用兩級臥式MVR工藝，未設置預處理系統，主要處理樹脂再生酸、堿廢水和脫硫廢水。廢水零排放系統包含兩級臥式噴淋薄膜機械蒸汽壓縮蒸發濃縮系統、兩級臥式噴淋薄膜蒸發結晶系統、結晶物分離干燥系統等，系統流程如圖4所示。

圖4 三水恒益火力發電廠有限公司零排放系統流程

系統設計處理水量為20 m3/h，脫硫廢水未采用軟化處理， 水中結垢因素Ca2+，Mg2+，SO42-，F-，硅等質量濃度很高，屬于易結垢水質，運行情況如下。

(1)采用臥式薄膜蒸發器+機械蒸汽壓縮循環工藝，能耗相對較低。處理1 m3廢水，耗電20～25 kW·h，消耗蒸汽50～60 kg。

(2)未設置脫硫廢水預處理系統，其產品為復雜混合鹽，作為危險固體廢棄物送專業固體廢棄物處理中心處理，處理成本800 元/t。

(3)由于蒸發系統進水未經充分軟化，結垢傾向嚴重，日常運行時需要每周進行1次小型酸堿清洗除垢，每月進行1次大型酸堿清洗除垢。

(4)根據現場實際情況，機械蒸汽壓縮機入口和出口溫升可達到18 ℃，高于預期的8～10 ℃，原設計的2臺蒸汽壓縮機串聯的方式過于保守，目前正在改造為并聯運行。

6 結束語

脫硫廢水深度處理系統水質變化較大，系統投資較高、運行費用較高。脫硫廢水深度處理系統目前存在多種處理方式，有些案例已經應用于實踐，并取得了較好的效果。

[1]李培元.火力發電廠水處理及水質控制[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2]華東建筑設計研究院有限公司.給水排水設計手冊 第4冊：工業給水處理[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]陶氏化學公司.陶氏反滲透和納濾膜元件產品與技術手冊[Z].

[4]Metcalf & EddyInc.廢水工程：處理及回用[M].秦裕珩，等譯.4版.北京：化學工業出版社，2004.

[5]丁緒淮.工業結晶[M].北京：化學工業出版社，1985.

(本文責編：劉芳)

2017-05-05；

:2017-08-29

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：1674-1951(2017)09-0058-05

劉進(1979—)，男，湖北竹溪人，高級工程師，從事電廠水處理工程設計方面的工作(E-mail:liujin@chec.com.cn)。