喬日平，左萌

(1. 神華國華清遠發(fā)電有限責任公司，清遠 51300； 2. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663)

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脫硫廢水零排放技術在清遠電廠中的應用探討

喬日平1，左萌2

(1. 神華國華清遠發(fā)電有限責任公司，清遠 51300； 2. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663)

結合國華清遠項目的建廠條件，針對對脫硫廢水零排放的蒸餾法、反滲透法和正滲透法三種主要處理工藝，通過對其技術性能和經(jīng)濟成本的綜合比較，提出了將反滲透濃縮結晶工藝作為電廠脫硫廢水處理工藝首選方案的建議，為電廠下階段零排放處理工藝選擇提供了重要技術支持和參考。

電廠；脫硫廢水；零排放；反滲透；正滲透；蒸餾

神華國華清遠電廠項目本期新建2×1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，由于廠址位于珠三角地區(qū)飲用水水源地北江流域，為保護周邊生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)國家節(jié)能減排、資源綜合利用等產(chǎn)業(yè)政策，項目環(huán)評報告要求全廠廢水須實現(xiàn)零排放。本項目煙氣脫硫工藝補充水來自廠內(nèi)循環(huán)水排污水、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)出水和濕式除塵器排水，本期兩臺百萬機組的脫硫廢水量為17 m3/h。

1 脫硫廢水水質(zhì)特征

濕法煙氣脫硫工藝所排放廢水是一種較難處理的高含鹽量、高硬度、高氯離子和高硫酸鹽工業(yè)廢水，合理規(guī)劃其出路是目前所有廢水零排放電廠亟需解決的問題。

2 脫硫廢水零排放處理工藝

2.1 工藝流程

表1 脫硫廢水水質(zhì)

Tab. 1 FGD waste water quality

水質(zhì)指標單位結果水質(zhì)指標單位結果K+mg/L100NO-3mg/L250Na+mg/L3500全硅mg/L200Ca2+mg/L1800活性硅mg/L100Mg2+mg/L3200pH值—60Sr2+mg/L10氨氮mg/L20Cl-mg/L15000CODCrmg/L350F-mg/L150BOD5mg/L150SO2-4mg/L3000溶固mg/L28000HCO-3mmol/L3懸浮物mg/L60000CO2-3mg/L0溫度℃50

脫硫廢水零排放處理是指通過物理和化學方法，將水中懸浮物、硬度、重金屬、可溶鹽等雜質(zhì)與水分離，最終獲得可在廠內(nèi)重復利用的潔凈水，且不向電廠外排放廢水的綜合處理工藝，其處理流程通常包含三個階段：預處理、濃縮處理、結晶干燥處理。

預處理的目的是通過常規(guī)處理結合化學加藥，大幅去除懸浮物、COD、重金屬離子和和結垢性的離子如Ca2+、Mg2+，為廢水濃縮處理創(chuàng)造條件。預處理產(chǎn)水水質(zhì)通常也可以達到國家和地方相關排放標準的要求。濃縮處理的目的是通過分離工藝，將廢水分離為濃水和產(chǎn)水。濃水水量較原廢水量大幅減少，其含鹽量進一步提高；而產(chǎn)水含鹽量低，水質(zhì)較好，可進行回收復用。結晶干燥處理的目的是將濃縮后的高含鹽量廢水進行固液分離，最終將脫硫廢水中的雜質(zhì)以固體的形式析出，同時將產(chǎn)生的產(chǎn)水回收復用。

根據(jù)濃縮處理工藝的不同，脫硫廢水零排放處理工藝通常分為：蒸餾法、反滲透法和正滲透法，分別對應的工藝流程如下：

1)蒸餾濃縮結晶法

工藝流程為：預處理→二級預處理→蒸餾裝置→結晶干燥裝置。

2)反滲透濃縮結晶法

工藝流程為：預處理→二級預處理→超濾→反滲透裝置→濃水二級反滲透裝置→結晶干燥裝置。

3)正滲透濃縮結晶法

工藝流程為：預處理→二級預處理→超濾→反滲透裝置→正滲透裝置→結晶干燥裝置。

2.2 三種濃縮工藝概述

2.2.1 蒸餾法

蒸餾法是利用廠內(nèi)蒸汽，加上蒸汽壓縮機產(chǎn)生的二次蒸汽，在蒸餾裝置內(nèi)與脫硫廢水進行熱交換，使水分蒸發(fā)冷凝后回收，從而提高廢水含鹽量，達到濃縮的目的。目前，蒸餾裝置有多效蒸發(fā)器、臥式噴淋蒸發(fā)器、立式降膜蒸發(fā)器等多種型式。

蒸餾法的回收率較高，能回收80%～85%的廢水，預濃縮后TDS濃度可以達到20%。但投資大、能耗高、需注意高溫下的結垢和腐蝕問題。此外，蒸餾法對設備的材質(zhì)要求很高，普遍要求采用鈦材[2]。

2.2.2 反滲透法

反滲透法是通過預處理加藥軟化，對Ca2+、Mg2+結垢離子進行徹底去除，再進入反滲透裝置，利用半透膜的原理，對廢水施加克服滲透壓的壓力，將廢水中的水分子透過膜，到達產(chǎn)水側，而絕大部分雜質(zhì)離子截留在濃水側，從而達到濃縮的目的[3]。

反滲透濃縮結晶的主要工藝流程：脫硫廢水兩級預處理系統(tǒng)來水→超濾單元→超濾水箱→反滲透提升泵→反滲透單元→反滲透濃水箱→濃水二級反滲透提升泵→濃水二級反滲透單元→濃水至結晶處理。

反滲透法投資小、能耗低，但回收率相對稍低，僅能回收60%～70%的廢水，濃縮后TDS濃度可達10%～12%，且其對預處理的運行要求高、化學藥品耗量相對較大。

由于進水含鹽量高，一級反滲透裝置需采用海水反滲透膜元件，同時具備抗污染能力，濃水二級反滲透裝置采用耐高壓的STRO/DTRO等特種反滲透膜元件。

2.2.3 正滲透法

正滲透法是目前國際上新興起的一種水處理技術，與反滲透的原理相反，正滲透無需施加克服滲透的壓力，通過配置濃度比脫硫廢水更高的汲取液，使得廢水中的水分子通過膜進入到汲取液中，從而將廢水進行濃縮。而進入汲取液中的水分子通過加熱裝置使得原有汲取液中的溶質(zhì)發(fā)生蒸發(fā)后分離出來并回收。

正滲透法的回收率可略高于蒸餾法，投資與蒸餾法相當，能耗介于蒸餾法和反滲透法之間。正滲透法需采用正滲透膜元件，并應通過計算選擇合適的汲取液及其分離方式。正滲透膜法系統(tǒng)回收率為85%～90%，正滲透前需要設置反滲透進行預濃縮，達到4%～7%TDS后再進入正滲透工藝，正滲透工藝濃縮后TDS濃度可以達到20%～25%[2]。

2.3 結晶干燥工藝

脫硫廢水經(jīng)濃縮后，進入結晶裝置最終被干燥、結晶轉換為鹽。

電廠處理脫硫廢水用結晶裝置通常為立式單效強制循環(huán)結晶器。立式干燥器利用蒸汽作為熱源，通過并加熱多層固定的圓盤，圓盤上層的旋轉耙將鹽慢慢從上面撥到下面慢慢被蒸干，所產(chǎn)生的蒸汽連同結晶系統(tǒng)的再生蒸汽送到壓縮機提溫。當晶體通過多層圓盤并到達最低兩層時，其晶體含水率已經(jīng)小于8%，最低的兩層固定圓盤內(nèi)通冷卻水，將晶體冷卻以便送往包裝。

濃縮與結晶生成的潔凈產(chǎn)水水質(zhì)好，含鹽量低，可用于脫硫廢水處理系統(tǒng)各加藥設施的配藥，多余部分可作為脫硫工藝用水。結晶出的固體鹽，其主要成分是NaCl、Na2SO4，可通過進一步分離后打包處置或外售以便回收部分運行成本。

2.3.1 混鹽與分鹽結晶工藝

以反滲透法為例，其工藝流程如下：脫硫廢水兩級預處理系統(tǒng)來水→超濾單元→納濾裝置(產(chǎn)水去向a/濃水去向b)

1)產(chǎn)水去向a：納濾裝置產(chǎn)水(約80%水量)→二級反滲透單元濃縮→氯化鈉結晶器→工業(yè)氯化鈉。

2)濃水去向b：納濾裝置濃水(約20%水量)+氯化鈉結晶器母液→雜鹽結晶器→雜鹽。

2.3.2 混鹽與分鹽結晶的技術性能和經(jīng)濟比較

混鹽結晶與分鹽結晶的技術性能比較詳見表2，混鹽與分鹽結晶的經(jīng)濟比較如下：

1)混鹽結晶：根據(jù)脫硫廢水水質(zhì)、水量及采用工藝，本項目結晶器的處理水量約5 t/h(按反滲透法濃縮)，每天可產(chǎn)混合鹽12 t/d。耗電量約50 kW/噸水(結晶裝置采用MVR工藝)。

2)分鹽結晶：氯化鈉結晶器處理水量約2 t/h，每天產(chǎn)出氯化鈉約10.2 t/d；雜鹽結晶器處理水量約3 t/h，每天產(chǎn)出雜鹽約1.8 t/d。耗電量約60 kW/噸水(結晶裝置采用MVR工藝)。

表2 混鹽結晶與分鹽結晶的技術性能對比表

Tab. 2 Technical performances compare of brine mixture crystallization & brine separate crystallization

對比項目混鹽結晶分鹽結晶設備占地成套結晶裝置占地約15m×6m，設置三層鋼結構廠房。成套結晶裝置占地約18m×6m，設置三層鋼結構廠房。工藝設備相對簡單，只需要做一套混合鹽結晶裝置即可(單套蒸發(fā)室、單臺循環(huán)泵)。相對復雜，需要設一套雜鹽結晶裝置，一套氯化鈉結晶裝置，并增設一臺循環(huán)泵。運行維護工作量雜鹽多，成分復雜，易發(fā)生堵管，與單純氯化鈉結晶器相比，運行維護的煮罐周期較短，一般每3～4周需要煮罐一次。氯化鈉結晶罐中鹽純度較高，成分相對簡單，煮罐周期較長，約6周；但雜鹽結晶罐的運行維護與與混鹽結晶相同。產(chǎn)品的回收與利用混合鹽產(chǎn)出后目前主要是用于印染企業(yè)的助染劑，若果附近有此類工廠可以就近銷售，若沒有，則需按固廢處理?？蓪⒅饕}分氯化鈉單獨分離出來進行銷售，獲得一定的經(jīng)濟效益，并節(jié)省固廢的處理費用。

表3 混鹽結晶與分鹽結晶的經(jīng)濟成本估算表

Tab. 3 Costs compare of brine mixture crystallization & brine separate crystallization

項目混鹽結晶分鹽結晶(含納濾裝置)結晶裝置設備投資成本/萬元～1000～1700運行成本/(元·m-3)電耗1725207熱耗～0～0維護及材料更換成本/(元·m-3)053148單位總使用成本/(元·m-3)17782218年運行費用/(萬元/年)16921最小年費用/(萬元/年)1869310

注：(1)年運行小時數(shù)按5 500 h；(2)電費按發(fā)電單位總成本0.345元/度計算；(3)標煤價格按950元/t計；(4)分鹽結晶的維護及材料更換成本計入了納濾膜的更換成本，納濾膜壽命為3年；(5)運行成本與脫硫廢水實際水質(zhì)密切相關，上表數(shù)據(jù)作為參考；(6)最小年費用=f×年固定費用+年運行費用，1983年以來，電規(guī)院為了投標橫向比較在一個平臺上有可比性，避免各院獨樹一幟，規(guī)定固定費用率統(tǒng)一取f= 0.17，至今仍在繼續(xù)使用。

表4 混鹽結晶與分鹽結晶的收益與處置費用估算

Tab. 4 Returns estimation & disposition costs of brine mixture crystallization & brine separate crystallization

項目混鹽結晶分鹽結晶鹽年銷售收益/(萬元/年)鹽年處置費用/(萬元/年)+825-550+4675

注：(1)若混鹽有銷路，單價可按30元/t，若混鹽無法外售，則需尋求廢固處理單位回收處置，處置費用為2 000元/t，氯化鈉(二等品)單價按200元/t計算；(2)年運行小時數(shù)按5 500 h；(3)表中電廠收益以“+”表示，支出以“-”表示。

根據(jù)表3和表4，分鹽結晶固然可以分離出較為純凈的氯化鈉并可賣出更高的價格，但若混鹽結晶所產(chǎn)生的混合鹽可尋求到接收單位時，根據(jù)用最小年費法算得的分鹽結晶年運行成本來看，因銷售高純度氯化鈉而增加的電廠年收益仍不夠填補為分離鹽而增加的設備運行最小年費用，并且增加的系統(tǒng)、設備將帶來更大的占地和運行維護工作量，綜合來看并不經(jīng)濟，此時結晶方式推薦采用混鹽結晶工藝。當然，若混合鹽無外售渠道而必須考慮委托專門的廢固處理單位處置時，由于其處置費用過高，此時采用分鹽結晶顯然更為經(jīng)濟。

2.4 各濃縮結晶工藝技術性能比較

蒸餾濃縮結晶法、反滲透濃縮結晶法與正滲透濃縮結晶法，三種廢水濃縮結晶處理工藝的技術性能對比見表5。

表5 三種廢水濃縮結晶處理工藝技術性能對比表

Tab. 5 Technical performances compare of three waste water treatment process options

對比項目蒸餾濃縮結晶反滲透濃縮結晶正滲透濃縮結晶主要設備材質(zhì)及設備投資主體設備為鈦合金、哈斯特合金、超級雙相鋼，投資高。主體設備為玻璃鋼、UPVC、316L，投資低。主體設備為玻璃鋼、UPVC、316L，投資高。對配套設備的要求后處理配套結晶器進料無機鹽濃度20%，結晶器容量小(本工程結晶器為255t/h)。后處理配套結晶器進料無機鹽濃度10%～12%，結晶器容量大(本工程結晶器為5t/h)。后處理配套結晶器進料無機鹽濃度20%～25%，結晶器容量小(本工程結晶器為19t/h)。設備占地占地面積大，設備總高25～30m，土建成本高。占地面積小，土建成本低。占地面積相對較大，土建成本較高。安裝工作量現(xiàn)場焊接，蒸發(fā)器垂直固定，安裝費用高。模塊化組裝，現(xiàn)場管道連接，安裝費用低。模塊化組裝，現(xiàn)場管道連接，安裝費用低。

表5(續(xù)) 三種廢水濃縮結晶處理工藝技術性能對比表

對比項目蒸餾濃縮結晶反滲透濃縮結晶正滲透濃縮結晶運行維護電耗很高，噸水電耗約50～70kWh；換熱管需要定期清洗，清洗頻率2～4周一次；換熱管、管道及連接件須定期更換，維護工作量較大。電耗很低，噸水電耗小于4kWh；清洗由自動控制完成；膜使用壽命3～4年，僅需更換少量脫鹽率衰減膜組件，維護工作量較小。電耗很低，噸水電耗小于4kWh；清洗由自動控制完成；膜使用壽命4～5年，僅需更換少量脫鹽率衰減膜組件。

2.5 各濃縮結晶工藝經(jīng)濟比較

清遠項目脫硫廢水量為17 m3/h，三種廢水濃縮結晶處理工藝的經(jīng)濟成本估算見表6。

表6 三種廢水濃縮結晶處理工藝的經(jīng)濟成本估算表

Tab. 6 Costs of three waste water treatment process

經(jīng)濟成本蒸餾濃縮結晶反滲透濃縮結晶正滲透濃縮結晶成套設備投資成本/萬元550035005500運行成本/(元·m-3)化學藥劑消耗電耗熱耗7652127～07651062～0765411715維護及材料更換成本/(元·m-3)23824545單位總使用成本/(元·m-3)1001589579226年運行費用/(萬元/年)937838863最小年費用/(萬元/年)187214331798

注：(1)年運行小時數(shù)按5 500 h；(2)電費按發(fā)電單位總成本0.345元/度計算；(3)標煤價格按950元/t計；(4)反滲透膜壽命為3.5年；正滲透膜壽命為5年；(5)預處理設備維護費20萬元/年；(6)蒸餾設備維護費30萬元/年；(7)運行成本與脫硫廢水實際水質(zhì)密切相關，上表數(shù)據(jù)作為參考；(8)最小年費用=f×年固定費用+年運行費用，1983年以來，電規(guī)院為了投標橫向比較在一個平臺上有可比性，避免各院獨樹一幟，規(guī)定固定費用率統(tǒng)一取f=0.17，至今仍在繼續(xù)使用。

3 結論

通過以上對技術性能和經(jīng)濟成本的分析、比較可知，采用反滲透濃縮結晶工藝相比蒸餾濃縮結晶工藝，具有投資造價低、電耗低、蒸汽需求量小、模塊化組裝安裝簡單等優(yōu)點，相比正滲透濃縮結晶工藝，具有工藝流程簡單、投資造價低、工藝成熟等優(yōu)點，最適合清遠項目的脫硫廢水水量較小的情況。因此清遠項目若擬上馬脫硫廢水濃縮結晶零排放處理裝置，宜將反滲透濃縮結晶(不分鹽)工藝作為首選方案。

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[1] 林建中, 張贏. 脫硫廢水零排放方案選擇 [R]. 廣州：廣東省電力設計研究院，2014.

[2]吳海波，龍國慶，唐剛. 高硫酸根高氯根高硬度含鹽廢水處理工藝的選擇 [J]．中國給水排水，2015，31(18)：31-33.

[3]李培元. 火力發(fā)電廠水處理及水質(zhì)控制(第二版) [M]. 北京：中國電力出版社，2008：238.

(責任編輯 張春文)

Applicable Discussion of the FGD Waste Water Zero-discharging Treatment Process for QingYuan Power Plant

QIAO Riping1, ZUO Meng2

(1. Shenhua Guohua Qingyuan Power Co.,Ltd., Qingyuan 51300, China； 2. China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

This paper focuses on the three main treatment processes of FGD waste water zero-discharging: distillation treatment, reverse osmosis treatment & forward osmosis treatment. By mean of comparing their technical performances and costs, combined with the site condition of QingYuan Power Plant the paper recomands reverse osmosis treatment process as the superior option,which provides a piont of view for selection of FGD waste water zero-discharging treatment opitons to the owner in next stage of the projcet.

power plant; FGD waste water; zero-discharge; reverse osmosis; forward osmosis; distillation

2016-04-12

喬日平(1974)，男，山西朔州人，工程師，學士，主要從事電站工程管理及新技術研究及應用工作(e-mail)16149811@shenhua.cc。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.016

X773

A

2095-8676(2016)04-0078-04