垃圾發(fā)電廠給排水設計及水系統(tǒng)管理

任美澤，劉光石，康 麗

(湖南易凈環(huán)保科技有限公司，湖南長沙 410001)

近年來，在“垃圾圍城”日益嚴峻的形勢下，垃圾焚燒發(fā)電作為“減量化、無害化、資源化”處置生活垃圾的最佳方式，引起國家高度重視與關注。根據(jù)《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設施建設規(guī)劃》，“十三五”期間，全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設施建設總投資約為2 518.4億元；到2020年，城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力要占總無害化處理能力的50%以上。目前,國內(nèi)垃圾焚燒廠給排水設計多借鑒傳統(tǒng)發(fā)電廠在給排水方面的設計，實際上垃圾電廠不同于傳統(tǒng)發(fā)電廠，在上料系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、鍋爐燃燒系統(tǒng)、主給水加熱及主蒸汽空氣預熱等方面在給排水設計上均存在差異。本文以某垃圾發(fā)電廠為例，某垃圾發(fā)電廠，建設規(guī)模為垃圾額定處理量2×300 t/d垃圾焚燒線，配套裝設1×9 MW凝汽式汽輪發(fā)電機，預留1×300 t/d垃圾焚燒線和1×6 MW凝汽式汽輪發(fā)電機組擴建位置，年利用小時數(shù)為8 000 h。本文以某垃圾發(fā)電廠給排水的具體設計為例，結合項目自身特點，并介紹相應的節(jié)水措施，給同類似項目設計人員參考。

1 垃圾電廠水務管理特點

垃圾電廠不同于“小火電”，上料系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、鍋爐燃燒系統(tǒng)、主給水加熱及主蒸汽空氣預熱等方面與常規(guī)燃煤機組差異很大。水務管理的差異主要體現(xiàn)在：一是給水方面，部分耗水設備補給水率的取值與燃煤機組不同，此外，由機組容量及燃料特點決定了其用水量及用水點均較少；二是污廢水方面，與燃煤機組相比,垃圾發(fā)電廠污廢水種類較簡單，回用水量也較少[1]。垃圾電廠水務管理具體分析如下。

(1)垃圾電廠鍋爐補給水處理流程為：原水→汽水混合式換熱器→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾水箱→一級RO升壓泵→一級RO保安過濾器→一級RO高壓泵→一級RO裝置→一級RO水箱→二級RO升壓泵→二級RO保安過濾器→二級RO高壓泵→二級RO裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房各用水點。其中,二級反滲透回收率達90%，一級反滲透回收率為75%。此系統(tǒng)由二級反滲透取代了常規(guī)燃煤機組中的離子交換工藝，減少因樹脂頻繁失效再生而造成的自用水量，且無酸堿廢水排放。

(2)垃圾電廠水、汽系統(tǒng)循環(huán)損失一般取鍋爐額定蒸發(fā)量的5%，高于國家相關規(guī)范中關于小型燃燒機組補給水率取2%～3%的規(guī)定；鍋爐排污損失取3%，啟動及事故預留出力10%，與規(guī)范中的要求相符[2]。

(3)垃圾電廠無集中式工業(yè)廢水處理系統(tǒng)。鍋爐酸洗由廠家定期上門操作，產(chǎn)生的廢水暫存至主廠房內(nèi)的廢水池，由酸洗廠家負責外運及處理。

(4)垃圾電廠無含煤及含油處理設備。

(5)垃圾電廠采用干式脫硫設施，無脫硫廢水產(chǎn)生。

(6)垃圾電廠運輸垃圾棧橋、垃圾卸料區(qū)地面沖洗及垃圾坑滲濾液需要單獨設滲濾液處理站對其污水進行處理。

2 垃圾發(fā)電廠給排水設計

根據(jù)上述垃圾電廠水務管理的特點可知，本垃圾發(fā)電廠給排水設計包括補充水泵房及補充水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、廠區(qū)生產(chǎn)用水系統(tǒng)、鍋爐補給水系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)、廠區(qū)生活污水、雨水排水系統(tǒng)、生活污水處理系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)和垃圾滲濾液處理系統(tǒng)。該電廠給排水設計具體分析如下。

2.1 取水泵房及補充水系統(tǒng)

本工程最大取水量為1 445 m3/d(60.2 m3/h)，取水泵房設在袁河鐵路大橋上游約100 m處，大橋下游約80 m處建有1座抬水溢流壩，可保證本工程取水的可靠性。補充水泵房上部結構平面尺寸直徑為6 m，地上高度為7 m，地下深度為5 m，上部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構，下部為鋼筋混凝土筒形結構。補充水泵房安裝3臺水泵，泵房內(nèi)安裝2臺補充水泵(1運1備)，預留1臺水泵位置，水泵規(guī)格：Q=72～126 m3/h，H=1.3～1.02 MPa，n=1 480 r/min，N=11 kW。補充水干管采用1條DN200鋼管，管道盡可能沿道路敷設至廠區(qū)，施工、維護方便，全長約為5.8 km。

2.2 凈水系統(tǒng)

廠內(nèi)設凈化站對原水進行混凝沉淀處理，凈水站內(nèi)設1座綜合水泵房、配電間、加藥間、污泥脫水間聯(lián)合建筑，1套處理能力為120 m3/h的高密度沉淀裝置，1座污泥池，2座總容積為2 500 m3(其中生活水池容積為60 m3，消防用水保證儲備量為600 m3)的生產(chǎn)、消防水池，經(jīng)過高密度沉淀池處理后的凈水自流進入生產(chǎn)、消防水池和循環(huán)水池，通過生產(chǎn)用水泵加壓送至各用水點。保證全廠24 h用水，生產(chǎn)、消防水池和循環(huán)水池有兩股水源，一股來自凈水系統(tǒng)，一股來自市政管網(wǎng)，當取水系統(tǒng)或凈水系統(tǒng)發(fā)生事故時，靠市政供水。綜合水泵房內(nèi)設置生產(chǎn)用水泵、消火栓水泵、消防炮水泵、消防穩(wěn)壓泵和變頻生活給水裝置1套。

2.3 循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)水系統(tǒng)由循環(huán)水池、冷卻塔、循環(huán)水泵以及相關閥門與管道組成，循環(huán)水主要用于冷卻凝汽器、冷油器、空冷器等設備，結合項目所在地的特點，循環(huán)水冷卻倍數(shù)取70、冬季取42；汽輪機組冷卻需水量如表1所示。

表1 汽輪機組冷卻需水量Tab.1 Cooling Water Demand of Steam Turbine Set

由表1可知，冷卻倍率按額定工況取m=70，凝汽器及空冷器、油冷器最大冷卻水量為2 724 m3/h(65 376 m3/d)，當汽輪機組停動時使用旁路凝汽器，冷卻水量為1 748 m3/h。

冷卻設備配置2臺名義出力為2 000 m3/h的方形逆流式機力通風冷卻塔，熱季2座塔同時運行，冬季以及只使用旁路凝汽器時采用單塔運行。冷卻塔配用玻璃鋼軸流風機，單臺功率為75 kW。配3臺循環(huán)水泵，采用露天布置，不設泵房，熱季運行2臺泵(2運1備)，冬季以及只使用旁路凝汽器時單泵運行。采用單級雙吸離心泵，Q=1 400～1 750 m3/h，H=0.21～0.19 MPa，n=980 r/min，配套電機功率N=160 kW。循環(huán)水池尺寸B×H=24 m×12 m，有效水深為1.8 m，采用鋼筋混凝土結構，設水泵吸水池，每臺循環(huán)水泵對應1個進水流道，設置平板濾網(wǎng)作除渣裝置，濾網(wǎng)尺寸B×H=2 m×2 m。

工業(yè)冷卻水泵提供風機、空壓機、取樣器、爐排液壓站等其他冷卻水設備用水，配置2臺工業(yè)冷卻水泵(1運1備)，水泵規(guī)格：Q=100 m3/h，H=0.35 MPa，n=1 450 r/min，配套電機功率N=18.5 kW。工業(yè)冷卻回水接至循環(huán)水池，作為循環(huán)水系統(tǒng)的補充水。設置1臺出力100 m3/h的重力式無閥過濾器作為循環(huán)水系統(tǒng)的旁濾裝置。

循環(huán)水供水、回水母管管徑為DN800，循環(huán)水補水來自高密度沉淀池。循環(huán)供水系統(tǒng)流程為：循環(huán)水泵→供水壓力鋼管→凝汽器→排水壓力鋼管(冷卻塔上水管)→機力通風冷卻塔→循環(huán)水池→平板濾網(wǎng)→吸水池→循環(huán)水泵。本工程設置1套水質(zhì)穩(wěn)定劑裝置(采用二箱二泵制，2臺泵1用1備)，加藥點設在循環(huán)水泵吸水池。設置2只碳鋼外刷防腐涂料固體殺菌溶藥籃，加藥點設在循環(huán)水泵吸水池。

2.4 廠區(qū)生產(chǎn)用水系統(tǒng)

生產(chǎn)用水泵設置在凈水站綜合泵房內(nèi)，設置生產(chǎn)用水泵2臺(1運1備)，水泵規(guī)格：Q=20 m3/h，H=0.37 MPa，N=11 kW。生產(chǎn)用水取自生產(chǎn)、消防水池，為化學車間提供補充水，為滲瀝液處理站提供沖洗水，在廠外補充水系統(tǒng)事故停運時為循環(huán)水系統(tǒng)臨時提供補充水，還用于全廠其他車間沖洗水、垃圾卸料區(qū)沖洗水以及其他未預見用水。

2.5 鍋爐補給水處理系統(tǒng)

鍋爐補給水處理系統(tǒng)布置在主廠房化水車間內(nèi)，原水由生產(chǎn)用水泵補充，機組補給水量計算如下。a. 正常汽水損失24×2×5%=2.4 t/h；b. 鍋爐排污損失24×2×3%=1.44 t/h；c. 啟動及事故預留出力24×10%=2.4 t/h。鍋爐補給水的正常出力按以上a、b兩項之和3.84 t/h考慮，最大出力按a、b、c 這3項之和6.24 t/h考慮。考慮間歇制水，鍋爐補給水系統(tǒng)設計出力為9 t/h。

處理工藝流程：生產(chǎn)用水泵來水→汽水混合式換熱器→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾水箱→一級RO升壓泵→一級RO保安過濾器→一級RO高壓泵→一級RO裝置→一級RO水箱→二級RO升壓泵→二級RO保安過濾器→二級RO高壓泵→二級RO裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房各用水點。超濾濃水、一級反滲透濃水、二級反滲透濃水以及系統(tǒng)反洗廢水通過管溝自流至廢水坑，廢水經(jīng)過中和處理后，作為出渣機用水。

鍋爐排污水主要含有一些Na+、Ca2+、Mg2+等鹽類離子，屬于清潔下水，但鍋爐排污水溫較高，需要降溫至≤40 ℃才能排放。本工程采用循環(huán)冷卻排污水作為鍋爐排污水降溫水，降溫后的鍋爐排污水自流至雨水系統(tǒng)。

2.6 生活用水系統(tǒng)

電廠生活用水采用獨立的供水加壓設備和生活水池聯(lián)合供水，水源來自市政水，設1個生活水池，配2臺變頻生活水泵(1運1備)，1個100 L氣壓罐，安裝于凈水站的綜合泵房內(nèi)，水泵規(guī)格：Q=20 m3/h，H=0.45 MPa，N=7.5 kW；全廠生活熱水采用生活熱水箱與生活熱水泵，采用蒸汽加熱生活水。廠區(qū)內(nèi)設員工宿舍、食堂、辦公室和主廠房等，全廠定員80人，每人綜合用水定額為250 L/d，總用水量為20 m3/d，用水量為20 m3/d。

2.7 廠區(qū)生活污水、雨水排水系統(tǒng)

廠區(qū)排水采用完全分流制，清污分流，分生活污水排水和雨水排水系統(tǒng)。生活污水系統(tǒng)主要收集廠區(qū)生產(chǎn)行政辦公樓、主廠房、輔助/附屬車間建筑，以及廠區(qū)食堂排出的生活污水，經(jīng)化糞池處理后由生活污水管收集至生活污水處理站集中處理。

雨水排水管網(wǎng)系統(tǒng)主要收集建筑屋面及道路匯集的雨水排入附近雨水溝渠。清潔下水如鍋爐排污水匯入雨水系統(tǒng)排放。對廠區(qū)垃圾車運輸易造成污染的道路、運輸棧橋、地磅區(qū)域的前15 min初期雨水設初期雨水收集池收集，15 min后的雨水可切換溢流排入廠區(qū)雨水管排放，初期雨水與生活污水一并進行處理[3]。

2.8 生活污水處理系統(tǒng)

全廠工作人員生活產(chǎn)生的生活污水，按其相應的生活用水定額的90%計，排水量為18 m3/d，經(jīng)過污水管網(wǎng)進入污水調(diào)節(jié)池，生活污水通過提升泵進入生活污水一體化設備進行處理，設備處理能力為3 m3/h，本項目采用“預處理+兼氧池+內(nèi)置式MBR+消毒”處理工藝。設計進水、出水水質(zhì)如表2所示。

表2 設計進、出水水質(zhì)Tab.2 Designed Quality of Influent and Effluent

出水水質(zhì)達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2002)城市綠化用水標準，用于廠區(qū)澆灑綠地[3]。

2.9 消防水系統(tǒng)

廠區(qū)消防系統(tǒng)包括室外消火栓、室內(nèi)消火栓及垃圾倉消防炮系統(tǒng)。消防用水儲存在廠區(qū)生產(chǎn)、消防水池中，采用獨立的消防給水系統(tǒng)，管網(wǎng)水壓由消防穩(wěn)壓泵和氣壓罐維持。

主廠房外四周設置環(huán)狀消防給水管網(wǎng)，室內(nèi)外消防共用，管徑為DN200，廠區(qū)設置室外地上式消火栓，布置間距不超過80 m，采用閥門分段，當某段損壞檢修時，該管段上停止使用的消火栓按不超過5個計。室內(nèi)設置消防環(huán)狀給水管網(wǎng)，消火栓的間距不超過30 m，每個室內(nèi)消防環(huán)狀管網(wǎng)均設置2條吸水干管從室外消防環(huán)網(wǎng)上引水，確保消防用水安全可靠。

在垃圾倉四周設置2臺消防水炮，在汽機間、焚燒鍋爐間的底層和運轉(zhuǎn)層、除氧間運轉(zhuǎn)層、樓梯間等均設室內(nèi)消火栓，配置2臺消火栓水泵(1運1備)，水泵規(guī)格：Q=180 m3/h，H=0.85 MPa，N=75 kW；配置2臺消防炮水泵(1運1備)，水泵規(guī)格：Q=216 m3/h，H=1.0 MPa，N=90 kW；配置2臺消防穩(wěn)壓泵(1運1備)，配1個φ=1 000 mm的氣壓罐，穩(wěn)壓泵規(guī)格：Q=18 m3/h，H=0.9 MPa，N=7.5 kW；配1臺電動葫蘆，起重量為2 t，消火栓水泵、消防炮水泵和消防穩(wěn)壓裝置均設置在綜合泵房內(nèi)。

2.10 垃圾滲濾液系統(tǒng)

滲濾液主要來自主廠房的垃圾池、化水間實驗室廢水、垃圾卸料區(qū)地面沖洗及車輛沖洗等污水，滲濾液統(tǒng)一收集后送往廠區(qū)的滲濾液處理站進行統(tǒng)一處理，本工程垃圾滲濾液系統(tǒng)總處理水量按照180 m3/d進行設計。采用“預處理系統(tǒng)(格柵+混凝沉淀+調(diào)節(jié)池+水解酸化)+UASB+外置式MBR系統(tǒng)(AO+UF)+深度處理膜系統(tǒng)(NF+RO)”工藝，設計進水、出水水質(zhì)如表3所示。

表3 設計進、出水水質(zhì)Tab.3 Designed Quality of Influent and Effluent

要求處理后出水水質(zhì)達到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923—2005)中敞開式循環(huán)冷卻水補充水的水質(zhì)標準(換熱器為非銅質(zhì))，出水回用作循環(huán)水補水，濃縮液一部分回噴焚燒爐焚燒，一部分用于飛灰固化增濕和煙氣凈化石灰制漿，實現(xiàn)無污水外排；滲瀝液處理后的污泥經(jīng)脫水后制成泥餅，采用污泥車送至垃圾池入爐焚燒[4]。

該滲濾液系統(tǒng)運行成本主要包括藥劑費、電費、設備維修與折舊費。a.藥耗：藥劑包括氯化鐵、膜清洗劑、還原劑、阻垢劑、PAM、鹽酸等，平均藥劑費為3.5元/t。b.電耗：用電量為218.4萬kW·h/年，電費單價為0.65元/(kW·h)，平均電費為21.6元/t。c.設備維修費：包括膜更換費、日常維護費及耗材更換費，平均費用為12.1元/t；總計噸水運行費用為37.2元/t(注：本垃圾發(fā)電廠用水，均取自天然河水，成本極低，故本次成本分析未把水費計算在內(nèi))。

3 水量平衡

該電廠水量平衡如圖1所示，水量單位為m3/d。本電廠平均用水量為1 445 m3/d(60.2 m3/h)，年運行時間為8 000 h，年用水量為48.2萬m3。

圖1 全廠水量平衡圖Fig.1 Water Balance Chart of the Plant

由圖1可知，全廠用水量最大的是循環(huán)水系統(tǒng)，用水量為1 086 m3/d，占全廠的75.16%。控制全廠用水量的關鍵在于減少循環(huán)水系統(tǒng)的補水量，本水量平衡圖循環(huán)冷卻水濃縮倍率K=4.0，循環(huán)水系統(tǒng)排水基本無污染，僅含鹽量略高，因此，把循環(huán)排污水用于鍋爐水冷卻，節(jié)水196 m3/d。

4 工程應用情況

本工程原設計生活污水處理站與滲濾液處理站是單獨設置的，但實際運行過程中，生活污水提升至滲濾液處理站的生化池，與滲濾液一并進行處理，出水水質(zhì)也完全達標。各處理工藝年平均運行情況如表4所示。

表4 滲濾液系統(tǒng)進、出水水質(zhì)Tab.4 Quality of Influent and Effluent of Leachate System

5 節(jié)水成本分析

生活污水處理站出水18 m3/d回用于廠區(qū)綠化；滲濾液處理站出水180 m3/d回用作循環(huán)水補水，濃縮液一部分回噴焚燒爐焚燒,一部分用于飛灰固化增濕和煙氣凈化石灰制漿；鍋爐補給水處理系統(tǒng)廢水62 m3/d通過提升泵送至出渣機，作為出渣機用水；循環(huán)排污水196 m3/d作為鍋爐排污水冷卻水;介質(zhì)過濾器排污水10 m3/d作為鍋爐排污水冷卻水。每天重復利用水量為466 m3/d，提高了用水效率，減少了補充水466 m3/d。本垃圾發(fā)電廠用水，取自天然河水，噸水費用按0.45元計，以年運行8 000 h計算，每年可節(jié)水15.53萬m3，節(jié)約成本6.99萬元。

6 全廠水務管理和節(jié)水措施

全廠給水遵循分質(zhì)供水、階梯使用、循環(huán)使用、提高水的重復利用率的原則，合理利用排水，最大限度減少凈水用量，做到“廢”盡其用。

(1)設備冷卻水全部回用作循環(huán)冷卻水的補水，一水多用。

(2)滲濾液處理站清液回用作循環(huán)水補水，濃縮液一部分回噴焚燒爐焚燒,一部分用于飛灰固化和煙氣凈化石灰制漿，全部回用。

(3)鍋爐補給水處理系統(tǒng)廢水通過提升泵送至出渣機，作為出渣機用水。

(4)加強對各用水點的用水量、排水量、水質(zhì)的監(jiān)測，按水質(zhì)、水量要求控制調(diào)度全廠用水，在電廠補給水母管及廠內(nèi)各用水點設流量計，在電廠運行時，將總用水量、總排水量和各車間或各系統(tǒng)的用水量進行連續(xù)和階段性統(tǒng)計，以供電廠對供、排水進行管理和檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

(5)根據(jù)生活污水處理站的情況，每天的排水量超過了設計最高日居民生活用水定額250 L/(人·d)，應加強員工節(jié)水意識，不要肆意浪費水資源，有條件的情況下在各宿舍安裝水表。

7 結論和建議

(1)該工程實際運行4年多，水務管理運行正常，生活污水提升至滲濾液處理站的生化池，與滲濾液一起進行處理，出水水質(zhì)穩(wěn)定達標，全部回用，提高用水效率，減少了補充水量，減少了生活污水處理站運行帶來的人員、藥劑和電耗等，節(jié)約了運行成本。建議新建垃圾發(fā)電廠，設計一套生活污水與滲濾液處理系統(tǒng)，適當放寬滲濾液處理站膜系統(tǒng)的處理能力。

(2)在運營過程中，滲瀝液處理系統(tǒng)的污泥通過車輛運送，還是會產(chǎn)生一些臭氣，建議在新建或改擴建垃圾焚燒發(fā)電廠時，離心脫水后的污泥改由螺桿泵進行管道輸送，直接輸送至垃圾池，減少由于污泥外置，產(chǎn)生的環(huán)境問題。

(3)本工程有部分無法被完全重復使用的鍋爐排污水排入了雨水管網(wǎng)，隨著環(huán)境保護和水資源節(jié)約要求的不斷提高，廠區(qū)生產(chǎn)清潔下水零排放是未來發(fā)展的方向，為了保證整個電廠生產(chǎn)清潔下水零排放，可把冷卻塔排污水和鍋爐排污水收集起來，采用膜系統(tǒng)進入深度處理，出水要求達到《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923—2005)中敞開式循環(huán)冷卻水補充水的水質(zhì)標準(換熱器為非銅質(zhì))，出水回用作循環(huán)水補水，濃縮液作為煙氣凈化和石灰制漿。