中水作為水源的超臨界電廠水處理的工程實踐

孫 霞，羊智成，王龍勝*，林木松

(1.湖北工業大學 材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068；2.華能應城熱電有限責任公司，湖北 孝感 432406；3.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

電能是當今人類生產生活、工業生產所不可或缺的能源動力。盡管目前有核能發電、風力發電、太陽能發電、水力發電、天然氣發電、潮汐發電等多種發電方式，但是燃煤火力發電在當前電力能源結構中仍然占據了很大的比例，2015年我國約有65%的發電裝機容量為火電。傳統的亞臨界小火電機組具有能耗大、效率低、污染嚴重等諸多缺點。因此具有低排放、效率高、低能耗優點的超臨界發電技術得到了迅速發展[1]。

超臨界狀態是指某流體的溫度和壓力超過臨界溫度(Tc)和臨界壓力(Pc)時所處的狀態。水蒸汽作為火力發電的工作介質，提高水蒸汽的溫度和壓力有助于提高熱電轉換效率。水的超臨界溫度為374.14℃，超臨界壓力為22.115 MPa，工作溫度和壓力高于水的超臨界條件的發電機組均為超臨界發電機組。目前亞臨界電廠的熱電效率可達39%，而超臨界電廠的熱電效率可達50%，同亞臨界電廠長相比，超臨界發電大大提高了燃料的利用效率，減少了二氧化碳、PM2.5等污染物的排放，是當前火力發電的發展趨勢[2]。我國自1992年引進首臺超臨界機組以來，在湖北、浙江、江蘇、廣州、福建等地都建有相應的超臨界發電廠，超臨界發電機組更是達到了數千余臺。超臨界電廠在運行中對于水質的要求很高，其含鹽量必須低于10 μg/L，否則容易造成爐管超溫，爆管等事故，因此超純水處理工廠是超臨界電廠的必需配套設施。

目前超臨界電廠大多采用芳香聚酰胺反滲透(RO)膜來脫除水中過量的鹽，以達到超臨界機組所需供水標準[3]。然而我們電廠設計水源為含鹽量較高的市政中水[4]，為彌補中水水量的不足，同時采用了當地一湖泊的湖水作為備用水源，然而該湖水硬度和堿度均偏高，且pH不穩定，時高時低，微生物較多。此外，武漢地區夏天溫度很高，平均氣溫超過35℃的高溫桑拿天連續超過兩個月，較高的溫度也影響了反滲透膜的除鹽率。我們發現在進水鹽度偏高、硬度偏高、pH不穩定、溫度偏高時的復雜條件下，反滲透膜的脫鹽率會時高時低，出水不能滿足超臨界機組的用水要求。因此針對這一系列復雜工程問題，我們在雙膜法的基礎上，通過引入納濾膜、陰離子交換樹脂、脫氣膜工藝、PLC自動加藥系統等水凈化工藝，使配套水廠的出水品質達到了超臨界發電機組的用水要求，確保了超臨界發電機組的長期穩定運行。

1 水凈化工程簡介

該熱電廠配套超純水工廠的補給水源為市政中水，并采用了一附近湖泊的湖水作為備用水源，由于水源的硬度、堿度含量均屬中度以上，含鹽量(>500 mg/L)，BOD(生物需氧量)(1.85～8.2 mg/L)，COD(化學需氧量)(16～30 mg/L)，Fe3+(0.159～0.344 mg/L)含量均較高。經過水預處理系統后，再經過超濾(UF)裝置，納濾膜，反滲透膜處理凈化后，最后經過陰陽混合離子交換器進一步除鹽后的水才可供給超臨界發電機組，本裝置的最大水處理能力為15800 t/d。本流程在雙膜法水凈化工藝流程的基礎上，在反滲透膜和超濾裝置之間增加了納濾膜，以提高反滲透膜的脫鹽率和使用壽命。整個水凈化工程的主要流程見圖1。

圖1 超臨界電廠超純水工廠的水處理工藝流程

2 水預處理系統

水預處理工藝主要采用了混凝石灰處理和變孔隙濾池的過濾處理方式，以除去水中的懸浮物膠體，降低水的硬度，同時降低水中COD、BOD的含量，然后用NaClO(次氯酸鈉)進行殺菌處理，通過以上工藝可以控制預處理水質，并進入下個工段的水純化處理。該系統于2014年1月正式投產，一直處于滿負荷運行，脫鹽率仍能保持98%以上，單套產水量接近設計水量218 t/h。

3 反滲透(RO)系統

反滲透(RO)膜是水脫鹽工藝的核心裝置，其原理是使用高壓水泵將原水加壓至6～20 kg壓力，使原水在壓力作用下滲透通過孔徑約為0.0001 μm的反滲透膜。真菌、病毒體、細菌、離子不能通過反滲透膜，隨廢水排出，反滲透膜只允許尺寸小于0.0001 μm的水分子或溶劑通過[5]。常用的滲透膜為聚酰胺卷式復合膜，該膜的除鹽率可達99.5%，由于RO膜的脫鹽率容易受到進水pH值、進水鹽濃度和水溫的影響，因此反滲透(RO)系統對進水的pH值和鹽濃度有嚴格的要求。

3.1 進水pH值

進水pH值對RO膜的脫鹽率有較大影響。pH值對水中溶解的二氧化碳有較大影響，pH值較低時，二氧化碳會以氣態形式存在，容易透過反滲透膜，脫鹽率較低；pH值較高時，氣態二氧化碳會轉化為HCO3-離子，脫鹽率也逐漸上升。但當pH值高于8.5時，脫鹽率反而下降，且結垢傾向十分明顯。進水pH值在7.5～8.5之間時反滲透膜的脫鹽率最高。

新增納濾一級系統的給水pH值一般在7～7.5，則納濾系統產水的pH值將會低于7，即此時反滲透給水的pH值低于7，使得反滲透膜脫鹽率降低，這與提高脫鹽率相矛盾，對此還需進一步精細優化，除了調整二級給水pH值，即用氫氧化鈉藥劑調節pH值外，另加入了脫氣膜工藝。脫氣膜工藝是利用了擴散原理，大量中空纖維疏水超濾膜網氨裝在脫氣膜容器內，疏水超濾膜上的微孔可以通過氣體分子，卻不能通過水分子。脫氣膜運行時，水體在特定壓力下從中空纖維內側切向通過，而水中的二氧化碳等氣體在中空纖維外側真空泵的負壓作用下，被不斷抽走，從而達到去除水中二氧化碳等各種氣體的目的，脫氣膜裝置的脫氣效果可高達99.99%。

為了使得反滲透系統的進水pH值在適當的(7.5～8.5)范圍內，我們建立了水質在線pH檢測及自動加藥系統，根據進水的pH值，通過PLC控制實現自動加堿或加酸，確保進水pH值在7.8～8.3之間[6]。

3.2 進水鹽濃度

反滲透膜正反兩側的鹽濃度差對反滲透膜的脫鹽率有較大影響，進水含鹽量越高，濃度差越大，透鹽率變大，脫鹽率變小。我們在RO反滲透膜系統前加裝了用陰離子交換樹脂(R-OH)以除去進入反滲透膜水中的SO42-離子和Cl-離子。實踐表明，增設離子交換裝置在提高了反滲透膜脫鹽率的同時，還延長了反滲透后級水處理“陰陽混床”的使用壽命，并降低了總的運行費用。

3.3 進水溫度

溫度對反滲透膜的脫鹽率和膜壓降有較大影響。夏季溫度較高，進入反滲透膜的水溫也高，高溫會降低反滲透膜的脫鹽率。為解決高溫時反滲透(RO)膜脫鹽率降低的問題，我們在反滲透膜系統和水預處理系統之間安裝了一套耐高溫(70℃)的納濾系統(PRO_NF8040HR)進一步脫鹽，通過降低反滲透(RO)裝置給水的含鹽度來降低反滲透(RO)裝置出水的含鹽量。

4 納濾系統

納濾膜(Nanofiltration Membranes)是擁有l nm左右微孔結構的一種新型分離膜，能截留納米級(0.001 μm)的物質，可截留有機物的分子量約為200～800 MW，介于超濾膜和反滲透膜之間，對無機鹽的截留率在20%～98%[7]。納濾系統的產水作為反滲透膜系統的給水，納濾系統的濃水直接排放，但是反滲透系統的產生濃水回流至納濾系統進水側，與預處理系統出水混合后構成新增納濾系統的總給水(圖2)。此工藝不僅提高了全系統的水回收利用率，也降低了納濾系統給水的含鹽量。

圖2 納濾系統與反滲透系統工段的水處理工藝流程

系統總水回收率采用以下公式：系統總的回收率 = 總的產水量/總的進水量×100%。

兩級系統的進水量為Qr，二級系統回收率為Re2=Qp2/Qf2=Qp2/Qp1，一級系統回收率為Re1=Qp1/Qf1，則兩級系統回收率：

其中Re2，Qp2，Qf2，分別為二級系統回收率，產水量，進水量；Re1，Qp1，Qf1分別為一級系統回收率，產水量，進水量；Qc1為一級濃水量，優化后系統回收率可達到85%以上，遠高于優化前65%。

5 結論

我們針對湖北某超臨界電廠配套水廠所面臨的水源為市政中水和地表湖水所帶來的含鹽量和硬度偏高、微生物較多、BOD和COD較高、夏季高溫，且pH值時高時低等一系列復雜工程問題，我們在雙膜法水處理工藝的基礎上采用了以下措施來優化水處理工藝，保證水廠的出水品質：1)在反滲透系統之前增加納濾系統和陰離子交換樹脂，降低了反滲透系統進水的鹽濃度，即使在高溫反滲透膜脫鹽率降低時，也能保證反滲透系統出水具有較低的含鹽量；2)為了使納濾系統的進水pH值在脫鹽率最佳的7.5～8.5之間，我們在納濾系統前增加了脫氣膜工藝，以除去水中的二氧化碳，并利用在線水質pH檢測及自動加藥系統，控制進水水質的pH值在7.5～8.5之間；3)將反滲透系統所產生的濃水回流至納濾系統的進水箱，使得水處理系統的水回收率達到85%，降低了系統的運營成本。