燃煤電廠高鹽廢水“零排放”處理工藝及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

晉銀佳，孫海峰，王豐吉，晏敏，時(shí)孝磊，朱躍，林敬民

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030； 2.華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261200)

燃煤電廠高鹽廢水“零排放”處理工藝及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

晉銀佳1，孫海峰1，王豐吉1，晏敏1，時(shí)孝磊1，朱躍1，林敬民2

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030； 2.華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261200)

某電廠廢水經(jīng)過梯級(jí)利用和濃縮處理后產(chǎn)生50 m3/h的高鹽廢水，高鹽廢水經(jīng)深度濃縮后產(chǎn)生末端廢水，末端廢水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理后實(shí)現(xiàn)廢水“零排放”。介紹了碟管式反滲透、電滲析、正滲透、蒸汽機(jī)械壓縮等深度濃縮技術(shù)以及多效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)、機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)、煙道霧化蒸發(fā)等蒸發(fā)結(jié)晶工藝，并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，為燃煤電廠高鹽廢水“零排放”處理工藝的選擇提供依據(jù)。

高鹽廢水；零排放；深度濃縮工藝；蒸發(fā)結(jié)晶工藝；技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

0 引言

火力發(fā)電廠是工業(yè)用水大戶，其用水量和排水量十分巨大[1-4]。《節(jié)約能源法》《環(huán)境保護(hù)法》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，用水、排水收費(fèi)(水資源費(fèi)、排水費(fèi)、超標(biāo)費(fèi))政策以及《電力工業(yè)“十一五”節(jié)水規(guī)劃》等規(guī)定，均對(duì)燃煤電廠用、排水量和水質(zhì)都有嚴(yán)格的指標(biāo)限制。從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，要達(dá)到這些目標(biāo)，實(shí)施深度節(jié)水并實(shí)現(xiàn)全廠廢水“零排放”是新的環(huán)保形勢(shì)下的題中之義[5-6]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外已實(shí)施廢水“零排放”改造的燃煤電廠的具體情況，脫硫廢水、酸堿再生廢水以及反滲透濃水等含鹽廢水的處理是實(shí)現(xiàn)全廠廢水“零排放”改造的關(guān)鍵[7-9]。為了降低整個(gè)廢水“零排放”系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，往往需要對(duì)這部分含鹽廢水進(jìn)行濃縮，減少末端廢水的產(chǎn)生量和蒸發(fā)結(jié)晶處理系統(tǒng)投資。目前，含鹽廢水的深度濃縮處理技術(shù)主要有碟管式反滲透(DTRO)、電滲析(ED)、正滲透(FO)以及蒸汽機(jī)械壓縮(MVC)等，每種技術(shù)都有其特點(diǎn)，但成功應(yīng)用案例較少[10]。而經(jīng)過深度濃縮處理之后產(chǎn)生的高鹽末端廢水的蒸發(fā)結(jié)晶處理工藝也有多種，如多效強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)(MED)、機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR)、低溫常壓蒸發(fā)(NED)[11-12]以及煙道霧化蒸發(fā)[13-14]等，不同的技術(shù)具有不同的適用范圍，投資及運(yùn)行成本也相差較大。

本文以某電廠高鹽廢水“零排放”處理為例，分別對(duì)高鹽廢水深度濃縮工藝和末端廢水的蒸發(fā)結(jié)晶工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，為燃煤電廠廢水“零排放”工藝路線的選擇提供依據(jù)。

1 水質(zhì)水量情況

某電廠全廠廢水“零排放”改造實(shí)施過程中，通過水資源統(tǒng)籌優(yōu)化和梯級(jí)利用，產(chǎn)生的高鹽廢水水量為50 m3/h，水質(zhì)情況見表1。此部分高鹽廢水為海水反滲透膜系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水，含鹽量較高。

表1 高鹽廢水水質(zhì)情況

2 深度濃縮處理工藝及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 DTRO工藝

DTRO是反滲透的一種形式，最早應(yīng)用于垃圾滲濾液的濃縮處理，近年來逐漸應(yīng)用到高鹽廢水濃縮處理領(lǐng)域。DTRO膜組件主要由反滲透膜片、導(dǎo)流盤、中心拉桿、外殼、兩端法蘭各種密封件及聯(lián)接螺栓等組成。目前，DTRO在高鹽廢水濃縮處理中應(yīng)用較多的是壓力為9 MPa和12 MPa的膜組件，處理后產(chǎn)生的濃水中鹽的質(zhì)量濃度可以達(dá)到100 000 mg/L以上。采用12 MPa壓力的DTRO膜組件，根據(jù)高鹽廢水的含鹽量，可以將DTRO膜組件的回收率設(shè)置為50%，則濃水產(chǎn)量為25 m3/h。

DTRO系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2級(jí)，第1級(jí)膜系統(tǒng)使用9 MPa膜柱進(jìn)行反滲透處理，第2級(jí)采用12 MPa膜柱進(jìn)行反滲透處理。9 MPa反滲透系統(tǒng)分3段，第2段和第3段的入口處設(shè)置段間循環(huán)泵。9 MPa系統(tǒng)的濃水進(jìn)入中間水箱內(nèi)，經(jīng)提升泵輸送至12 MPa系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步濃縮處理。12 MPa系統(tǒng)分2套，并聯(lián)運(yùn)行。DTRO系統(tǒng)采用變頻恒流量運(yùn)行方式。

2.2 ED工藝

ED技術(shù)是在直流電場(chǎng)作用下，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過性，使溶液中呈離子狀態(tài)的溶質(zhì)和溶劑分離的一種物理化學(xué)過程，是膜分離技術(shù)的一種，已廣泛應(yīng)用于苦咸水脫鹽。近年來，ED技術(shù)在高鹽廢水濃縮處理中也得到了一些應(yīng)用。ED技術(shù)的濃縮效果較好，產(chǎn)生的濃水中鹽的質(zhì)量濃度可以達(dá)到150 000 mg/L以上，系統(tǒng)回收率較高，產(chǎn)生的末端廢水量較小。由于ED系統(tǒng)的脫鹽率相對(duì)較低，因此在方案設(shè)計(jì)中將ED系統(tǒng)與海水反滲透(SWRO)系統(tǒng)結(jié)合使用，ED系統(tǒng)產(chǎn)生的淡水進(jìn)入SWRO系統(tǒng)進(jìn)一步脫鹽。SWRO系統(tǒng)產(chǎn)生的淡水直接回用，產(chǎn)生的濃水返回ED系統(tǒng)。

50 m3/h的高鹽廢水進(jìn)入ED系統(tǒng)(回收率設(shè)計(jì)為70%，脫鹽率設(shè)計(jì)為75%)，ED產(chǎn)生的淡水中鹽的質(zhì)量濃度較高(約為18 500 mg/L)，需要進(jìn)入海水反滲透(SWRO)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步脫鹽處理。SWRO系統(tǒng)回收率設(shè)計(jì)為75%，脫鹽率設(shè)計(jì)為95%，產(chǎn)生的濃水(水量約為10 m3/h)進(jìn)入ED系統(tǒng)進(jìn)行濃縮處理，SWRO系統(tǒng)產(chǎn)生的淡水中鹽的質(zhì)量濃度達(dá)到1 200 mg/L左右，直接回用于循環(huán)水系統(tǒng)，水量為30 m3/h。ED系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水中鹽的質(zhì)量濃度達(dá)到140 000 mg/L左右，20 m3/h的濃水進(jìn)入蒸發(fā)脫鹽系統(tǒng)。ED-SWRO處理系統(tǒng)工藝流程及水量平衡示意圖如圖1所示。

圖1 ED-SWRO處理系統(tǒng)工藝及水量平衡

2.3 FO工藝

FO處理系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)、FO膜系統(tǒng)、汲取液再生系統(tǒng)、汲取液儲(chǔ)罐、凈水儲(chǔ)罐、低溫加熱系統(tǒng)、汲取液控制系統(tǒng)等。FO膜濃縮處理系統(tǒng)可以將高鹽廢水中鹽的質(zhì)量濃度濃縮到200 000 mg/L以上，系統(tǒng)回收率很高，產(chǎn)生的末端廢水量較小，并且產(chǎn)生的淡水中鹽的質(zhì)量濃度較低(<1 000 mg/L)，可以直接回用于循環(huán)水系統(tǒng)。50 m3/h的高鹽廢水經(jīng)過FO濃縮處理產(chǎn)生的35 m3/h淡水直接回用，產(chǎn)生的15 m3/h濃水進(jìn)入后續(xù)蒸發(fā)脫鹽處理系統(tǒng)。FO處理系統(tǒng)的工藝流程及水量平衡示意圖如圖2所示。

圖2 FO處理系統(tǒng)工藝及水量平衡

2.4 MVC工藝

在高鹽廢水的濃縮處理工藝中，臥管降膜MVC處理技術(shù)是目前現(xiàn)有蒸發(fā)工藝中能耗效率最高的蒸發(fā)工藝。近年來，MVC系統(tǒng)在高鹽廢水的蒸發(fā)濃縮處理中的應(yīng)用案例逐漸增多，尤其是相關(guān)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化后大大降低了系統(tǒng)的投資運(yùn)行成本，具備一定的優(yōu)勢(shì)。MVC系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要消耗少量的蒸汽，以蒸汽作為熱源將高鹽廢水加熱蒸發(fā)。高鹽廢水蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽被壓縮機(jī)壓縮，其壓力和溫度得到提升后作為熱源進(jìn)一步對(duì)高鹽廢水進(jìn)行加熱蒸發(fā)。較高溫度的蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器的換熱管，高鹽廢水在換熱管外噴淋，蒸汽在換熱管里面冷凝形成冷凝水，蒸汽的熱焓傳給管外的高鹽廢水，使高鹽廢水連續(xù)蒸發(fā)濃縮。

MVC系統(tǒng)可以將高鹽廢水中鹽的質(zhì)量濃度濃縮到180 000 mg/L以上，系統(tǒng)回收率很高，產(chǎn)生的末端廢水量較小，并且產(chǎn)生的淡水為蒸餾水，可以直接回用于鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)。50 m3/h的高鹽廢水經(jīng)過MVC處理產(chǎn)生的32 m3/h淡水直接回用，產(chǎn)生的18 m3/h濃水進(jìn)入后續(xù)蒸發(fā)脫鹽處理系統(tǒng)。

2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

ED-SWRO工藝、DTRO工藝、FO工藝以及MVC工藝均能實(shí)現(xiàn)濃鹽水的深度濃縮，實(shí)現(xiàn)濃鹽水的減量處理。以上幾種深度濃縮處理工藝具有各自的特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外高鹽廢水深度濃縮處理中均有一定的應(yīng)用。ED-SWRO工藝、DTRO工藝、FO工藝以及MVC工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比見表2。

ED-SWRO系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要專人負(fù)責(zé)，維護(hù)工作量相對(duì)較大，但對(duì)進(jìn)水要求相對(duì)較低，對(duì)化學(xué)需氧量(COD)有較高的耐受能力，系統(tǒng)能耗約為130 kW；DTRO系統(tǒng)由于運(yùn)行壓力較高，能耗相對(duì)較高(約為180 kW)，對(duì)進(jìn)水要求較高，通常需要控制進(jìn)水COD，避免出現(xiàn)堵塞；FO工藝對(duì)進(jìn)水要求較高，通常需要控制進(jìn)水COD，能耗相對(duì)較低(約為150 kW)；MVC蒸發(fā)濃縮工藝對(duì)進(jìn)水要求相對(duì)較低，對(duì)COD有較高的耐受能力，系統(tǒng)能耗最高，約為460kW。系統(tǒng)投資方面：ED-SWRO系統(tǒng)較低，約為2 385萬元；DTRO系統(tǒng)投資略高，約為2 628萬元；FO系統(tǒng)投資最高，約為3 880萬元；MVC系統(tǒng)投資約為3 488萬元。

表2 濃鹽水深度濃縮處理工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

表3 末端廢水“零排放”處理不同工藝投資及能耗對(duì)比

表4 高鹽廢水“零排放”方案投資運(yùn)行成本及能耗對(duì)比

續(xù)表

注：運(yùn)行成本包括折舊費(fèi)(5%殘值率，15年折舊)，電費(fèi)按0.45 元/(kW·h)計(jì)算，以年利用小時(shí)數(shù)5 500計(jì)算。

上述4種高鹽廢水深度濃縮處理工藝均有應(yīng)用案例，根據(jù)處理效果可以與不同的末端廢水“零排放”處理工藝結(jié)合使用，并進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。

3 “零排放”處理工藝及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

高鹽廢水經(jīng)過深度濃縮減量處理后產(chǎn)生的濃鹽水作為末端廢水，需要進(jìn)行“零排放”處理，從而實(shí)現(xiàn)全廠廢水的“零排放”。目前，末端廢水“零排放”處理工藝較多，如灰場(chǎng)噴灑，蒸發(fā)塘蒸發(fā)，MED，MVR，NED，煙道霧化蒸發(fā)技術(shù)以及旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)等，其中MED，MVR和煙道霧化蒸發(fā)在燃煤電廠高鹽廢水“零排放”改造中應(yīng)用相對(duì)較多。MED系統(tǒng)能耗相對(duì)較大、運(yùn)行成本較高、占地面積相對(duì)較大，一定程度上限制了推廣使用，本文重點(diǎn)對(duì)MVR和煙道霧化蒸發(fā)工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

3.1 MVR工藝

對(duì)于MVR系統(tǒng)，除了初次啟動(dòng)時(shí)需要外源蒸汽外，運(yùn)行過程中所消耗的僅是驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器內(nèi)廢水、蒸汽、冷凝水循環(huán)和流動(dòng)的水泵，蒸汽壓縮機(jī)和控制系統(tǒng)所消耗的電能，蒸發(fā)1 kg水僅需117 kJ或更少的熱能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MED工藝的能耗(約2 090 kJ)。MVR系統(tǒng)是國(guó)際上廣泛應(yīng)用的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，美國(guó)GE，EVATHERM以及威立雅公司可提供相關(guān)的產(chǎn)品及專業(yè)設(shè)計(jì)，目前在國(guó)內(nèi)部分電廠取得了應(yīng)用。

3.2 煙道霧化蒸發(fā)工藝

將末端廢水霧化后噴入鍋爐尾部煙道內(nèi)，利用煙氣余熱將霧化后的廢水液滴蒸發(fā)。在煙道霧化蒸發(fā)處理工藝中，霧化后的廢水蒸發(fā)后以水蒸氣的形式進(jìn)入脫硫吸收塔內(nèi)，冷凝后形成純凈的蒸餾水，進(jìn)入脫硫系統(tǒng)循環(huán)利用；同時(shí)，末端廢水中的溶解性鹽在廢水蒸發(fā)過程中結(jié)晶析出，并隨煙氣中的飛灰一起在除塵器中被捕集。目前，煙道霧化蒸發(fā)工藝在國(guó)內(nèi)已有數(shù)家應(yīng)用案例，取得了一定的處理效果。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

高鹽廢水深度濃縮處理工藝產(chǎn)生的末端廢水水量不同，由此導(dǎo)致的“零排放”處理系統(tǒng)的投資運(yùn)行成本也不同。不同處理水量下，MVR系統(tǒng)和煙道霧化蒸發(fā)工藝系統(tǒng)具體投資及能耗對(duì)比見表3。

4 高鹽廢水“零排放”處理工藝對(duì)比分析

不同的高鹽廢水深度濃縮工藝與不同的末端廢水“零排放”處理工藝搭配，可以產(chǎn)生多種燃煤電廠高鹽廢水“零排放”處理方案，各方案的投資、能耗、運(yùn)行成本等對(duì)比見表4。

5 結(jié)論

ED-SWRO工藝、DTRO工藝、FO工藝以及MVC工藝均能實(shí)現(xiàn)濃鹽水的深度濃縮，而MVR技術(shù)和煙道霧化蒸發(fā)技術(shù)也都能夠?qū)崿F(xiàn)末端廢水的“零排放”，各深度濃縮技術(shù)和“零排放”技術(shù)組合產(chǎn)生的各種技術(shù)方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)ED-SWRO工藝濃縮效果較好，末端廢水量較小；DTRO工藝產(chǎn)生末端廢水量較多，但維護(hù)工作量較少；FO工藝濃縮效果好，末端廢水量較小，但系統(tǒng)投資較高，汲取液再生不便；MVC工藝濃縮效果較好，末端廢水量較小，但系統(tǒng)投資較高，能耗較高。

(2)MVR工藝運(yùn)行穩(wěn)定性較好，但投資運(yùn)行成本顯著高于煙道蒸發(fā)工藝，并且產(chǎn)生的結(jié)晶鹽需要進(jìn)行處置；煙道蒸發(fā)工藝投資運(yùn)行成本較低，并且沒有結(jié)晶鹽處置問題，但其應(yīng)用受到煙氣及煙道安裝條件限制，需要進(jìn)行詳細(xì)論證。

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X 703；TM 621

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1674-1951(2017)12-0046-04

2017-09-04；

2017-10-30

(本文責(zé)編：劉芳)

晉銀佳(1986—)，男，河南偃師人，工程師，工學(xué)博士，從事電廠化學(xué)及水處理設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:757107023@qq.com)。