水泥窯余熱發(fā)電鍋爐補給水處理工藝設(shè)計

□程明濤

一、引言

水泥是不可或缺的建筑材料，但生產(chǎn)過程要大量消耗一次能源(煤炭)、二次能源(電力)，屬于高能耗產(chǎn)業(yè)。雖然近年來水泥技術(shù)有了長足的發(fā)展，大大提高了工藝系統(tǒng)的熱效率，新型干法水泥生產(chǎn)線中2，500t/d、5，000t/d的熟料熱耗已分別達(dá)到3，265kJ/kg(780 kcal/kg)、2，970kJ/kg(710kcal/kg)，但能耗高、CO2排放量高的局面并未得到實質(zhì)性改善，尤其是大量的中低溫廢氣余熱沒有得到充分利用，造成余熱資源大量浪費，和節(jié)能降耗的總趨勢是相悖的。

新型干法水泥生產(chǎn)工藝中，余熱資源主要來自窯尾預(yù)熱器和窯頭篦冷機的廢氣。這部分廢氣在烘干原料和燃煤后，還蘊含有水泥熟料燒成系統(tǒng)總熱耗量30%左右的熱量。進(jìn)一步利用這些中、低品位的余熱是水泥生產(chǎn)企業(yè)資源綜合利用、節(jié)約能源、減少溫室氣體排放的有效途徑，有益于國家可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)。為降本增效，節(jié)能減排，目前大多數(shù)水泥生產(chǎn)線均利用窯頭、窯尾的中、低溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱發(fā)電，響應(yīng)國家政策。某水泥生產(chǎn)企業(yè)有兩條規(guī)模為4500t/d+5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，熱力計算后可配置余熱鍋爐4臺，具體參數(shù)見表1。

表1 鍋爐熱力參數(shù)表

經(jīng)熱力計算，本工程裝機容量為2×9MW，每一條水泥生產(chǎn)線配置一臺9MW補氣凝汽式汽輪機，聯(lián)網(wǎng)并上網(wǎng)運行。AQC和SP鍋爐的高壓蒸汽匯合后進(jìn)入汽輪機做功發(fā)電，AQC鍋爐的低壓蒸汽作為汽輪機補汽。

二、鍋爐補給水水質(zhì)要求

本項目的余熱鍋爐為汽包爐，過熱蒸汽壓力1.54MPa，AQC過熱蒸汽溫度360℃，SP鍋爐過熱蒸汽溫度300℃，額定蒸汽產(chǎn)量88.9t/h。經(jīng)查相關(guān)規(guī)范確定全廠鍋爐廠內(nèi)汽水循環(huán)損失和對外供汽損失總和為3%，鍋爐的排污率按1%設(shè)計，即正常運行時補水量為3.55t/h。為防止鍋爐結(jié)垢，延長鍋爐使用壽命，為每條生產(chǎn)線窯頭窯尾鍋爐配置一套磷酸鹽加藥裝置，爐內(nèi)加磷酸鹽控制鍋爐結(jié)垢。考慮到項目啟機或事故時的用水量(額定蒸發(fā)量的10%)及業(yè)主方面的要求，最終鍋爐補給水處理能力定為20t/h。鍋爐水、汽質(zhì)量分別執(zhí)行《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》(GB/T1576—2008)、《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》(GB/T12145—2008)的要求。

表2 汽包鍋爐給水、爐水的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)(GB1576－2008)

表3 汽包爐的過熱蒸汽和飽和蒸汽質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)(GB1576－2008)

三、鍋爐補給水處理工藝系統(tǒng)的選擇

該項目位于東北，水源為當(dāng)?shù)貦C井井水，總硬度略高為252.24 mg/L(CaCO3計)，陰離子中以HCO3－占絕大部分，其次是，Cl－僅占很小部分。

(一)處理工藝的選擇。目前，鍋爐補給水處理工藝大致分為離子交換工藝、一級反滲透+混床、反滲透+EDI等幾種，各自的工藝流程如下。

離子交換工藝:原水－原水箱－原水泵－多介質(zhì)過濾器－活性炭過濾器－5μm精密過濾器－陽離子交換床－陰離子交換床－陰陽離子混床－微孔過濾器－用水點。

一級反滲透+混床:原水－原水箱－原水泵－多介質(zhì)過濾器－活性炭過濾器－軟水器－5μm精密過濾器－一級反滲透－中間水箱－中間水泵－混合離子交換器－微孔過濾器－用水點。

反滲透+EDI:原水－原水箱－原水泵－多介質(zhì)過濾器－活性炭過濾器－軟水器－5μm精密過濾器－一級反滲透－pH調(diào)節(jié)－中間水箱－中間水泵－EDI裝置－微孔過濾器－用水點。

以上各工藝過程是制取除鹽水的主流工藝，各有其優(yōu)缺點。就離子交換工藝而言，離子交換樹脂的再生需要消耗大量酸堿，導(dǎo)致大量含酸堿廢水的產(chǎn)生，廢水的后續(xù)處理比較困難，環(huán)境污染問題也不容忽視;且樹脂交換容量的利用率低，損耗率大，再生操作復(fù)雜，需要時間長。在自動化要求越來越高和環(huán)保要求日趨嚴(yán)格的大環(huán)境下，其應(yīng)用的局限性越來越突出。在反滲透+混床工藝中，作為前處理的反滲透工藝除去了絕大部分鹽分，經(jīng)過離子交換后出水水質(zhì)可以得到很好的保證，離子再生過程中所需酸堿耗量較純離子交換工藝也有所減少，且投資成本適中，是近幾年多數(shù)熱電廠選擇鍋爐補給水工藝的首選。但是，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，混床再生時必須停機才能操作，不能實現(xiàn)連續(xù)運行，也不是最優(yōu)選擇。在反滲透+EDI工藝中，由于EDI裝置對進(jìn)水水質(zhì)要求極為嚴(yán)格，一級RO產(chǎn)水經(jīng)常達(dá)不到EDI裝置的進(jìn)水要求，需要兩級RO才能滿足EDI裝置的進(jìn)水要求，在同等出力下，投資成本將大幅增加，限制了此工藝的推廣與使用。因此，本項目采用一級反滲透+混床的水處理工藝。

表4 原水水質(zhì)

(二)一級反滲透+混床工藝設(shè)計。

1.工藝流程。鍋爐補給水采用反滲透+混床處理工藝，其主要工藝流程如下:管網(wǎng)供水→原水箱→原水泵(一用一備)→多介質(zhì)過濾器→活性炭過濾器→熱交換器→5μm保安過濾器→高壓泵(一用一備)→反滲透裝置→除碳器→中間水箱→中間水泵(一用一備)→混合離子交換器→樹脂捕捉器→除鹽水箱→除鹽水泵(一用一備)→熱力系統(tǒng)。

系統(tǒng)輔助工藝流程有:過濾器反洗系統(tǒng)、RO清洗系統(tǒng)、混凝劑投加系統(tǒng)、殺菌劑投加系統(tǒng)、阻垢劑投加系統(tǒng)、還原劑加藥系統(tǒng)、加氨系統(tǒng)和混床再生系統(tǒng)等。

2.預(yù)處理系統(tǒng)。反滲透膜對進(jìn)水水質(zhì)有著嚴(yán)格的要求(詳見表5)，必須對原水進(jìn)行預(yù)處理才能達(dá)到相關(guān)要求。本項目擬采用多介質(zhì)過濾器+活性炭過濾器的組合工藝作為預(yù)處理系統(tǒng)，對原水進(jìn)行預(yù)處理。

表5 反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求

經(jīng)多介質(zhì)過濾器，主要用于去除原水的懸浮物質(zhì)和膠體，降低原水的濁度。其主要作用機理為過濾截留。原水流經(jīng)裝有各級不同粒徑石英砂的過濾器，在較低濾速下，原水中較大的顆粒懸浮物和膠體等能有效地被過濾截留而得到去除，使出水的濁度小于1mg/L，以保證后續(xù)處理的正常運行。本項目還在多介質(zhì)過濾器投加殺菌劑與絮凝劑，對原水進(jìn)行殺菌、絮凝，確保多介質(zhì)過濾器能夠?qū)λ械臐岫冗M(jìn)行有效的去除，滿足反滲透的進(jìn)水要求。

經(jīng)多介質(zhì)過濾器過濾后的原水，濁度已經(jīng)得到很大的改善，但依然有余氯、少量的有機物和懸浮物等雜質(zhì)，需要進(jìn)一步處理才能達(dá)到反滲透膜的進(jìn)水要求?；钚蕴渴且环N多孔碳，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，堆積密度較低，具有巨大的比表面積。獨特的孔隙結(jié)構(gòu)及表面活性官能團的存在，賦予活性炭超強的吸附能力，使其對氣體、溶液中有機或無機物質(zhì)、膠體顆粒均具有較強的吸附能力。當(dāng)原水流經(jīng)活性炭過濾器時，各種懸浮顆粒、有機物等被吸附在活性炭孔隙中;同時，吸附于活性炭表面的余氯在其表面發(fā)生氧化反應(yīng)，被還原成Cl－，余氯得到了有效的去除，確保出水其含量小于0.1 mg/L，滿足RO膜的運行條件。

3.除鹽系統(tǒng)。經(jīng)過預(yù)處理的水經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入反滲透裝置，在壓力作用下，水分子透過膜成為純水，而其他可溶性離子、有機物、細(xì)菌病毒及極細(xì)小顆粒則被截留在反滲透膜表面，最終隨小部分濃水排入地溝。在進(jìn)入反滲透之前設(shè)置還原劑與阻垢劑加藥裝置，分別投加亞硫酸氫鈉溶液和反滲透專用阻垢劑，防止反滲透膜被氧化和結(jié)垢，并設(shè)置板式換熱器，對原水進(jìn)行加熱，確保水溫在25℃左右，延長設(shè)備使用壽命。

反滲透系統(tǒng)采用一級兩段設(shè)計，系統(tǒng)回收率≥75%，一段和二段采用3:1配置，第一、二段壓力容器分別為3個、1個，每個壓力容器內(nèi)裝4根膜元件，反滲透膜采用聚酰胺復(fù)合膜，其最高操作溫度45℃，最高操作壓力4.1MPa，pH范圍為2～11。

在反滲透裝置之后設(shè)置混床，對反滲透出水進(jìn)行精除鹽。在進(jìn)入混床之前，反滲透產(chǎn)水先進(jìn)行脫氣處理，除去其中的CO2，保證離子交換的正常工作。陽、陰樹脂裝填的比例為1:2，總裝填高度1.5m，并設(shè)100%的反洗再生膨脹空間。本系統(tǒng)于2014年11月初投入使用，系統(tǒng)產(chǎn)水經(jīng)當(dāng)?shù)劐仚z所檢驗后相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如下(水樣來自混床出水)。

表6 鍋檢所水質(zhì)檢驗報告

從表6中可得出，出水水質(zhì)各項指標(biāo)均符合本項目的要求。期間由于由于機井剛開挖完成不久，濁度一度達(dá)到6 FTU以上，但通過增大絮凝劑加藥量及過濾器反洗頻率，成功的保證了出水水質(zhì)的穩(wěn)定，出水電導(dǎo)率始終穩(wěn)定在1.0 μS/cm以下，為整個余熱發(fā)電項目的順利進(jìn)行提供了保障。

四、結(jié)語

通過對各種鍋爐補給水處理系統(tǒng)的分析比較可知，一級反滲透+混床除鹽工藝能夠很好地滿足鍋爐補給水的水質(zhì)要求。在水泥窯余熱發(fā)電工程中，由于補給水水量普遍偏小(＜20t/h)，反滲透+混床的工藝在保證出水水質(zhì)的同時，項目投資較其他工藝也具有比較優(yōu)勢，值得同類工程進(jìn)行借鑒。但由于混床的存在，再生過程中需要用到酸堿，并產(chǎn)生含酸堿廢水，這和日益嚴(yán)格的環(huán)保要求是相悖的，值得廣大同仁的深思。

［1］GB/T1576—2008工業(yè)鍋爐水質(zhì)［S］.

［2］GB/T12145—2008火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量［S］.

［3］GB/T50109—2006工業(yè)用水軟化除鹽設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］DL/T5068—2006火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］史大鳴，李春林.玻璃窯余熱電站鍋爐補給水處理工藝設(shè)計［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2013:97～99

［6］趙燕.鍋爐補給水水處理工藝技術(shù)及應(yīng)用［D］.山東大學(xué)，2009

［7］曾磊.火電廠鍋爐補給水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012:195～195

［8］李靜，鮑東杰，司芬改，湯夢玲.熱電廠鍋爐補給水處理方案設(shè)計與技術(shù)經(jīng)濟分析［J］.工業(yè)水處理，2006，26:80～82

［9］周軍，方少明，張宏忠，陳紹偉.反滲透膜在水處理中的研究進(jìn)展［J］.過濾與分離，2006，16:12～15

［10］鄧威閩，鄧威強，葛秀章，“全膜法”與離子交換水處理工藝運行成本分析［J］.區(qū)域供熱，2009:57～62