劉思遠

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127)

0 引言

我國自來水，工業(yè)用水占65%以上，而且，在經(jīng)濟快速發(fā)展的過程中，工業(yè)用水量勢必進一步增加，因此，加強工業(yè)節(jié)水水資源保護對我國具有重要意義[1-2]。燃煤電廠和其他工業(yè)企業(yè)在中國最突出的問題是工廠用水重用率過低，大量的一次性水資源的應用程序必須處理后重復使用或排放，大大增加了工廠總供水和污水;單位高水消費是產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題，隨著社會科學技術的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)能的增加，單位用水量也在不斷上升，工業(yè)用水量急劇上升[3-5]，因此，節(jié)水減排工作是我國迫切需要。

1 水處理系統(tǒng)概況

1.1 供水系統(tǒng)

設計水源主要為城市中水及自來水。 城市中水由包頭市河東區(qū)東污水處理站和西污水處理站供給，東污水處理站日處理能力2萬t，西污水處理站日處理能力3萬t。中水通過DN600碳鋼管道輸送至0廠中水池，經(jīng)中水提升泵送往“中水島”經(jīng)過深度處理后送往清水池，再由清水泵供給廠區(qū)工業(yè)水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)使用。

水平衡試驗期間(2014年9月～10月)機組負荷為70%，某電廠實際取水量為1 082 m3/h。其中，城市中水取水量為873 m3/h，占總取水量的80.68%；自來水來水取水量209 m3/h，占總取水量的19.32%，補入清水池的自來水量為153 m3/h。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設四臺立式斜流循環(huán)泵，冷卻塔采用管槽內(nèi)、外區(qū)配水系統(tǒng)，一個豎井，管槽內(nèi)外區(qū)壓力配水，反射Ⅲ型噴濺裝置。夏季運行工況，一臺機開兩臺泵，全塔配水；春秋季運行工況為兩臺機3臺泵，全塔配水。水平衡試驗期間，#2機存在故障，最高負荷240 MW，一臺循泵運行；#1機最高負荷320 MW，在負荷較高時兩臺循泵運行。

1.3 脫硫系統(tǒng)

脫硫系統(tǒng)采用石灰石——石膏濕法煙氣脫硫技術，采用一爐一塔設計。脫硫系統(tǒng)用水主要為工藝水和工業(yè)水，工藝水箱補水為工業(yè)廢水，工藝水主要用于脫硫系統(tǒng)各設備沖洗及吸收塔補水；工業(yè)水來自廠區(qū)工業(yè)水管網(wǎng)，主要用于脫硫系統(tǒng)真空泵、氧化風機、漿液循環(huán)泵等設備冷卻，冷卻后的工業(yè)水收集回用至吸收塔。脫硫系統(tǒng)設單獨的脫硫廢水處理系統(tǒng)，廢水經(jīng)處理后排放至高鹽井。

圖2 循環(huán)水系統(tǒng)水量分配圖

圖3 脫硫系統(tǒng)水量分配圖

2 常見幾種類型廢水工藝技術

按照國家對污水再生利用工程建設的相關規(guī)定，結合當前國內(nèi)外水處理技術的發(fā)展趨勢及技術應用現(xiàn)狀，本項全廠廢水“零排放”改造工程可行性研究項目中工藝方案的選擇遵循下述原則：

(1)貫徹落實國家及地方的有關法律法規(guī)、規(guī)范和標準要求;

(2)優(yōu)化工藝方案設計，節(jié)約能耗，降低工程基建投資和運行費用;

(3)在采用成熟、可靠工藝設備的基礎上，積極穩(wěn)妥地利用新技術、新工藝，在確保處理后水質(zhì)滿足用水系統(tǒng)要求的基礎上，努力保證技術的先進性;

(4)在設備選擇上要提高質(zhì)量把關，重點關注相應的一站式服務準則。

2.1 蒸發(fā)濃縮處理技術

常見的有蒸發(fā)系統(tǒng)(MED)、立管降(升)膜機械蒸汽壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)(立管 MVC、MVR)、臥式噴淋機械蒸汽壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)(臥式 MVC)等。多效蒸發(fā)是將一個蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的蒸汽引入下一蒸發(fā)器，利用其凝結放出的熱加熱蒸發(fā)器中的水，兩個或兩個以上串聯(lián)以充分利用熱能的蒸發(fā)系統(tǒng)。多效蒸發(fā)時，將生蒸汽通入一效蒸發(fā)器，溶液受熱而產(chǎn)生二次蒸汽，其壓力與溫度較生蒸汽為低，二次蒸汽仍可作為加熱蒸汽，引入后效蒸發(fā)器。

2.2 電滲析工藝技術

這種工藝的核心是在強直流作用電場的效果下，采用化學中的離子交換裝置，這種離子的通過作用具有一定的選擇性，核心是膜分離技術，是世界上某些地區(qū)生產(chǎn)淡水的主要方法。

圖4 電滲析工作原理圖

2.3 煙道霧化蒸發(fā)技術

這種蒸發(fā)技術的核心是在鍋爐尾部的煙道內(nèi)完成的整個過程，廢水處理過程之中的余熱可以把水變?yōu)檎羝麪顟B(tài)，另一種方式可以利用干燥裝置同樣將其變?yōu)闅鈶B(tài)。研究表明，在整個處理過程之中，廢水的主要存在形式是蒸汽狀態(tài)，蒸餾水的產(chǎn)生是冷凝過程的產(chǎn)物，作為循環(huán)介質(zhì)存在整個過程中。另一方面，可溶解的鹽類物質(zhì)會以晶體形式析出，合成的產(chǎn)物將在除塵裝置之中被捕獲。

2.4 蒸汽機械再壓縮蒸發(fā)結晶技術

機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結晶(MVR)系統(tǒng)在高鹽濃度和結晶處理廢水，更普遍的應用機械蒸汽再壓縮降膜式蒸發(fā)結晶系統(tǒng)，由兩個單元組成，蒸發(fā)器和模具。廢水先經(jīng)過機械蒸汽再壓縮的濃縮蒸發(fā)器(BC)，后蒸發(fā)器濃縮。濃縮的鹽水MVR強制循環(huán)進一步濃縮結晶，結晶器系統(tǒng)高含量的鹽結晶水變成固體，水重用，固體鹽出站重用離心分離后，干燥。

圖5 末端廢水煙道蒸發(fā)處理技術工藝技術圖

圖6 蒸汽機械再壓縮技術原理圖

3 廢水“零排放”改造

本工程目前處于工程的可行性研究階段，建議將全廠廢水“零排放”改造工程分為全廠水務管理及梯級利用、廢水軟化及濃縮減量處理、末端廢水處理三個層次進行改造。

3.1 改造依據(jù)及測算過程

(1)水平衡：用水包括冷卻渣渣船系統(tǒng)帶走水蒸發(fā)的水渣。一般來說，汽車運輸?shù)臈l件下，水渣含量為30%，渣總重量的30%礦渣可以帶走。測試后，在挖泥船零溢流系統(tǒng)，1 t熱渣冷卻用水量氣化過程中約為0.25 t，也就是1 t/h渣對應用水量為0.55 t/h。維持放電系統(tǒng)的水平衡，可以參考渣用水每t0.55 t/h補水，以確保正常的挖泥船不會溢出。

(2)熱平衡：系統(tǒng)實現(xiàn)零溢出后，渣系統(tǒng)進入刮渣機可以保持熱平衡熱量由三部分組成水的熱量蒸發(fā)，凈補給水吸收熱量溫度上升，帶走熱量的熱交換器。根據(jù)需要，吹渣池水溫應低于一定溫度。

(3)水熱過程平衡計算：渣滓的初始溫度為t′=850 ℃，換熱器入口溫度32 ℃，出口溫度48 ℃，渣比熱：CZ=0.97 kJ/(kg·℃)，水比熱：CS=4.2 kJ/(kg·℃)，補給水溫度32 ℃，最高水溫60 ℃，100 ℃水的汽化熱為2 258.4 kJ/kg。

(4)換熱器帶走的熱量：1 t渣需要3 t封閉循環(huán)水換熱器，3 t水溫度從32 ℃上升到48 ℃時吸收的熱量Qs=1 000×3×4.2×(48-32)=201 600 kJ。

3.2 全廠水務管理及梯級利用

改造要點是水平衡系統(tǒng)優(yōu)化，通過級聯(lián)用水，提高水的重復利用率。通過工廠廢水綜合治理、廢水復蘇，在確保安全的前提下操作的設備，大部分廢水回收，有點難以重用脫鹽處理的廢水，工廠廢水“零排放”。

(1)水的優(yōu)化平衡，整個工廠以滿足工廠廢水“零排放”水平衡系統(tǒng)。

(2)電廠排水量最大的廢水為循環(huán)水排污水，要實現(xiàn)全廠廢水“零排放”，必須提高循環(huán)水濃縮倍率。針對電廠的實際情況，在提高循環(huán)水濃縮倍率的基礎上，對循環(huán)水排污水進行脫鹽處理后回用。

3.2.1 循環(huán)水加入新型藥劑提高濃縮倍率

采用新型高效水穩(wěn)劑，提高循環(huán)水濃縮倍率，使循環(huán)水排污水量與脫硫系統(tǒng)工藝用水量相匹配，最終僅處理脫硫廢水，以實現(xiàn)全廠廢水零排放。

圖7 水量平衡圖

3.2.2 維持正常濃縮倍率，加裝脫鹽裝置

(1)脫硫廢水預處理采用石灰-碳酸鈉兩級軟化，去除廢水中的硬度離子和硅酸鹽，并降低硫酸鹽的含量。

(2)將預處理后的脫硫廢水與循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)的反滲透濃排水混合，經(jīng)過砂濾過濾后，進行納濾處理，去除硬度離子和有機物，納濾回收率設計為80%。

(3)納濾產(chǎn)水進海水反滲透，反滲透設計為75%，脫鹽率是98%，反滲透水冷卻塔水、反滲透水和納濾濃水混合蒸發(fā)結晶系統(tǒng)。

(4)上清液回反應池繼續(xù)處理，泥渣作為脫硫吸附劑。

圖8 加裝脫鹽裝置改造方案

3.3 廢水軟化及濃縮減量處理

本部分著重從含煤廢水、脫硫廢水、高鹽廢水的改造工程方案進行研究。

3.3.1 含煤廢水處理系統(tǒng)

煤水處理系統(tǒng)主要由煤泥水調(diào)節(jié)預沉池、排煤泥泵、加藥裝置、混合器、YZJ15一體化處理設備、中間水箱、中間水泵、過濾裝置、清水池、清水泵、煤水提升泵、排污泵設備組成。各段煤泥水經(jīng)過污水泵排到煤泥沉淀池后，由煤泥水泵提升到YZJ15 型一體化凈水器，在煤泥水泵提升管路上裝設有在線濁度儀可控制加藥裝置的變量計量泵調(diào)節(jié)加藥量的大小，管道混合器使藥劑和污水充分混合，提高煤水處理率，混合加藥后的煤泥水進入YZJ15型一體化凈水器，經(jīng)過反應區(qū)、分離區(qū)、過濾區(qū)處理后清水排到清水池，煤泥排到煤場。清水池的清水由清水泵排到輸煤水沖洗與煤場噴淋系統(tǒng)再利用。

3.3.2 脫硫廢水處理系統(tǒng)

由于脫硫廢水懸浮物含量高達42 400 mg/L，懸浮雜質(zhì)含量過多。導致廢水處理系統(tǒng)污泥量偏大，設備、管道、閥門等堵塞嚴重。通過在石膏脫水機上部增加廢水旋流站，依靠離心力的作用實現(xiàn)漿液的濃縮和分級。將石膏旋流站上清液經(jīng)過廢水旋流站的二級旋流，使大部分懸浮雜質(zhì)沉降，將上清液送入脫硫廢水池。通過增設廢水旋流站，避免脫硫廢水處理系統(tǒng)設備堵塞現(xiàn)象，并提高系統(tǒng)的處理效果。

3.3.3 高鹽廢水處理系統(tǒng)

高含鹽量廢水濃縮處理系統(tǒng)來水包括兩部分：一部分為循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)的反滲透濃排水 30 m3/h，一部分為脫硫廢水15 m3/h，水量合計45 m3/h。脫硫廢水和反滲透濃排水含鹽量、有機物均偏高，反滲透濃排水硬度離子含量較低，脫硫廢水中硬度離子、硫酸鹽含量偏高，這兩股水按照水量比例進行混合后，混合水的硬度和有機物含量偏高，處理難度大。脫硫廢水由于含有高濃度的鈣鎂離子及硫酸根、硅等結垢性離子，為了避免后續(xù)膜處理系統(tǒng)出現(xiàn)結垢堵塞，需要對脫硫廢水先進行除硬除硅除濁處理。

圖9 高鹽廢水處理系統(tǒng)流程圖

3.4 末端廢水處理

末端廢水處理有MVR蒸發(fā)結晶和煙道霧化蒸發(fā)兩種處理方案。根據(jù)高鹽廢水深度濃縮處理工藝的不同，末端廢水量也有所不同(電滲析-反滲透方案末端廢水量為7 m3/h，DTRO方案末端廢水量為8 m3/h)，水量差別不大，因此末端廢水處理系統(tǒng)的選型設計基本相同。

3.4.1 MVR蒸發(fā)結晶

蒸發(fā)系統(tǒng)：經(jīng)過電滲析-反滲透系統(tǒng)或DTRO系統(tǒng)進一步濃縮后的末端廢水量，MVR蒸發(fā)結晶系統(tǒng)的設計處理量為8 m3/h，進水濃度按12%，濃縮至排鹽，排鹽率按100%，總面積1 060 m2。設計采用二段MVR節(jié)能蒸發(fā)系統(tǒng)。

結晶系統(tǒng)：末端廢水經(jīng)過MVR蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)處理產(chǎn)生的濃鹽漿進入結晶系統(tǒng)，結晶系統(tǒng)的具體 流程為：

(1)水泵將濃鹽漿送至結晶器。

(2)進水與循環(huán)濃鹽漿混合，并由循環(huán)泵送至列管式加熱器。由于換熱管呈全充滿狀態(tài)，濃鹽漿在此承受一定的壓力，不會沸騰。這樣可以防止管內(nèi)結垢的產(chǎn)生。

(3)循環(huán)濃鹽漿與結晶器閃蒸罐呈一定角度進入，隨后鹽漿在罐內(nèi)旋轉形成渦流。此時一小部分濃鹽漿發(fā)生汽化。

(4)水從濃鹽漿中蒸發(fā)，鹽分就結晶析出晶體。

(5)絕大部分濃鹽漿仍然循環(huán)回到加熱器，一小部分濃鹽漿被從循環(huán)管線上抽出，送至脫水設備進行脫水。

(6)蒸發(fā)產(chǎn)生的工藝蒸汽經(jīng)除霧器后，取出夾帶的顆粒及液滴。

(7)蒸汽經(jīng)壓縮后進入結晶器加熱器用于加熱濃鹽漿，蒸汽則在殼程冷凝(也可采用工廠蒸汽進行加熱)。

(8)蒸餾水為高品質(zhì)水，經(jīng)收集后回用。

3.4.2 煙道霧化蒸發(fā)

對于煙道霧化蒸發(fā)處理部分，改造內(nèi)容較少，僅需要增加霧化噴射裝置、空氣壓縮機、壓縮空氣罐、吹灰器以及輸水輸氣管路等設備。由于霧化噴射裝置、吹灰器安裝在空預器入口前的煙道內(nèi)，不需要在室內(nèi)占用空間。設置2個壓縮空氣罐(尺寸為Φ1*3米，碳鋼襯膠)，占地面積較小，可以室外布置。根據(jù)末端廢水水量(約10 m3/h，考慮25%的余量)， 壓縮空氣消耗量約為40 Nm3/min，根據(jù)某電廠實際調(diào)研情況，需要新加一臺空氣壓縮機(壓縮空氣量為40 Nm3/min)。

圖10 末端廢水煙道霧化噴射系統(tǒng)安裝位置圖

3.4.3 旁路煙道蒸發(fā)

高鹽廢水經(jīng)過電滲析或 DTRO深度濃縮處理后產(chǎn)生的末端廢水量約為6～7m3/h。每臺機組設置2臺旁路煙道蒸發(fā)器，單臺旁路煙道蒸發(fā)器引接SCR出口高溫煙氣量約為24 000 Nm3/h。旁路煙道蒸發(fā)器桶體直徑 2.2～2.50 m，長13.30 m，重8～10 t/臺，材質(zhì)為雙相鋼復合材質(zhì)。整個旁路煙道呈“S”形，一端接SCR出口煙道，一端接除塵器入口前煙道。為了避免旁路煙道內(nèi)出現(xiàn)積灰、結垢，旁路煙道與除塵器入口前煙道接口處應設計為鈍角(>110°)。

旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)主要包括廢水輸送系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、旁路煙道蒸發(fā)結晶器、自動清灰系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢修平臺等。

4 環(huán)境效益與社會效益

本部分研究著重從零排放工程的環(huán)境效益以及社會效益兩個方面進行闡述。

4.1 環(huán)境效益

全廠廢水“零排放”工程全部實施運行后，發(fā)電水耗將由目前的2.42 m3/(MW·h)(水平衡報告數(shù)據(jù))降低至1.75 m3/(MW·h)。改造后，可減少水源水取水量70.66萬m3/年，節(jié)約取水費114.5萬元/年(年運行時間按4 512 h計，取水費1.62元/m3計)。全廠廢水“零排放”處理系統(tǒng)改造實施后，廢水經(jīng)過處理后能夠滿足回用要求，不再有廢水外排并且能夠節(jié)約水資源。因此全廠廢水零排放處理系統(tǒng)的改造對減輕電廠的環(huán)保壓力、改善當?shù)氐乃h(huán)境質(zhì)量有著重要作用，環(huán)境與社會效益顯著。

對產(chǎn)生噪聲較大的設備可設置消聲器，對于其它運行中產(chǎn)生噪音可能超過國家現(xiàn)行標準的設備，均采取其它有效措施，將噪聲降低至60dB(A)以下，滿足《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》(GBZ1-2010)的規(guī)定。

在本項目改造實施后，系統(tǒng)中的轉動設備(如泵、風機等)數(shù)量較少，能夠滿足國家規(guī)定的《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》(GBZ1-2010)的要求。

4.2 社會效益

燃煤電廠的廢水中通常存在懸浮物、重金屬等超標的問題，直接排放進入環(huán)境后會造成嚴重的污染。全廠廢水零排放改造工程實施后，全廠的廢水可以得到有效的處理，并進行回用，對當?shù)丨h(huán)境質(zhì)量的改善具有重要促進作用。

5 結論

預計某電廠全廠廢水零排放改造工程實施后，2×320 MW組發(fā)電水耗將由目前的2.42 m3/(MW·h)降低至1.75 m3/(MW·h)。DTRO-旁路煙道蒸發(fā)方案年運行總成本為1 868萬元，增加上網(wǎng)電費為6.95元/MWh；本工程目前處于工程的可行性研究階段，建議將本全廠廢水“零排放”改造工程分為全廠水務管理及梯級利用、廢水軟化及濃縮減量處理、末端廢水處理三個層次進行改造，改造費用分別為2 725萬元、4 746萬元和1 870萬元(靜態(tài)投資，不包括基本預備費和其他費用)。