電廠除鹽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

謝　峰，楊　程

(1.江蘇利港電力有限公司，江蘇江陰214444；2.陶氏化學(xué)(中國(guó))投資有限公司水處理及過(guò)程解決方案業(yè)務(wù)部，上海201203)

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電廠除鹽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

謝峰1，楊程2

(1.江蘇利港電力有限公司，江蘇江陰214444；2.陶氏化學(xué)(中國(guó))投資有限公司水處理及過(guò)程解決方案業(yè)務(wù)部，上海201203)

摘要：目前電廠除鹽水制水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都以反滲透系統(tǒng)作為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，而反滲透的產(chǎn)水精制則以電除鹽為核心的全膜法和以離子交換樹(shù)脂為核心的兩種方案并存，對(duì)各種技術(shù)路線進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較對(duì)于電力企業(yè)的除鹽水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行具有重要意義。以長(zhǎng)江水作為水源的某電廠為例，從業(yè)主的實(shí)際運(yùn)行角度對(duì)目前常見(jiàn)制水設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行成本進(jìn)行對(duì)比核算和優(yōu)化分析。成本分析顯示，電費(fèi)和蒸汽消耗在全膜法運(yùn)行成本中占據(jù)較高比例，同時(shí)廢水處理成本亦在一級(jí)反滲透-樹(shù)脂法中占比較高。兩種方案經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化之后其運(yùn)行成本均得到有效降低，而全膜法的產(chǎn)水水質(zhì)和單位制水成本為最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：全膜法；低壓反滲透膜；制水成本；節(jié)能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

近年來(lái)，隨著膜法處理技術(shù)的日趨成熟完善，反滲透膜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水處理和物料分離領(lǐng)域。尤其是在電廠的除鹽水系統(tǒng)中，反滲透膜元件的應(yīng)用比例不斷提高，出現(xiàn)了以二級(jí)反滲透-電除鹽為代表的全膜法工藝[1-3]和以多級(jí)/單級(jí)反滲透-離子交換樹(shù)脂為代表的一級(jí)反滲透-離子交換樹(shù)脂法工藝[4-5]。近二十年來(lái)的運(yùn)行案例表明，無(wú)論是全膜法還是一級(jí)反滲透-離子交換樹(shù)脂法，其系統(tǒng)出水水質(zhì)均可以保證鍋爐補(bǔ)給水的要求。本文以長(zhǎng)江水為水源，探討以反滲透膜為核心的除鹽工藝下，不同技術(shù)流程的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案與運(yùn)行成本核算，實(shí)現(xiàn)除鹽系統(tǒng)性價(jià)比的最優(yōu)。

1傳統(tǒng)制水方案工藝方案對(duì)比

1.1工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

某電廠的鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)以長(zhǎng)江水為水源，該電廠取水口的長(zhǎng)江水水質(zhì)如表1所示。

表1　某電廠取水口處長(zhǎng)江水水質(zhì)分析

某電廠三期鍋爐補(bǔ)給水制水系統(tǒng)采用全膜法方案(方案1)，其設(shè)計(jì)規(guī)模為228 m3/h，工藝流程為地表水→平流斜板沉淀池→加熱器→超濾→一級(jí)反滲透→二級(jí)反滲透→電除鹽。在設(shè)計(jì)之初，該工藝路線就已經(jīng)考慮到了用水效率的最大化，其二級(jí)反滲透濃水和EDI濃水都被回收到超濾水箱，超濾反洗水回收到預(yù)處理沉淀池，以便增加整個(gè)系統(tǒng)的回收率。該廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)亦表明，在當(dāng)前長(zhǎng)江水源逐步惡化的情況下，砂濾池的應(yīng)用對(duì)降低一級(jí)反滲透系統(tǒng)的膜污染起著舉足輕重的作用，因此該電廠三期鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的水平衡圖如圖1所示。

圖1　全膜法(方案1)設(shè)計(jì)水平衡圖

該電廠的四期鍋爐補(bǔ)給水制水系統(tǒng)采用反滲透-離子交換樹(shù)脂工藝 (方案2)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為400 m3/h，其工藝流程為地表水→平流斜板沉淀池→V型濾池→加熱器→超濾→一級(jí)反滲透→一級(jí)除鹽→混床。超濾反洗水回收至預(yù)處理沉淀池以提高系統(tǒng)回收率。圖2給出了方案2的水平衡圖，為了便于與全膜法進(jìn)行比較，其設(shè)計(jì)規(guī)模被調(diào)整為228 m3/h。

圖2　一級(jí)反滲透-離子交換樹(shù)脂法(方案2)設(shè)計(jì)水平衡圖

1.2運(yùn)行成本核算

在系統(tǒng)運(yùn)行成本的核算中，藥劑成本和膜元件的備件成本均引用于電廠實(shí)際采購(gòu)單價(jià)，其他運(yùn)行成本的估算基準(zhǔn)如表2所示，而方案1與方案2的制水成本則總結(jié)于表3。由表3可知，無(wú)論是否考慮人力成本，方案1都具有一定優(yōu)勢(shì)，但如果不計(jì)算廢水處理成本，方案2的一級(jí)反滲透-離子交換樹(shù)脂法則更具有吸引力。需要指出的是，這里的廢水處理僅僅指酸堿的再生廢水經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放，如果按照廢水零排放的標(biāo)準(zhǔn)，方案2的成本將會(huì)更加高昂。

表2　除鹽水系統(tǒng)運(yùn)行成本估算基準(zhǔn)

表3　方案1與方案2制水成本明細(xì)表 (單位：元/噸)

1.3運(yùn)行成本構(gòu)成分析

圖3和圖4分別總結(jié)了上述兩套傳統(tǒng)工藝方案運(yùn)行成本的成本構(gòu)成。在方案1中，電費(fèi)、蒸汽加熱費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用和人力成本占據(jù)較高比例，因而提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，節(jié)能降耗是該工藝未來(lái)的發(fā)展方向。而方案2除方案1的問(wèn)題之外，樹(shù)脂再生廢水的處理成本也在總成本中占據(jù)較高比例。

圖3　全膜法(方案1)的成本構(gòu)成

圖4　一級(jí)反滲透-離子交換樹(shù)脂法(方案2)的成本構(gòu)成

2制水系統(tǒng)優(yōu)化方案及成本核算

2.1優(yōu)化方案介紹

根據(jù)成本構(gòu)成分析，進(jìn)一步對(duì)方案1和方案2進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的方案1命名為方案3，二級(jí)反滲透回收率從原設(shè)計(jì)的85%提高到90%，EDI回收率從原設(shè)計(jì)90%提高到95%，由此降低預(yù)處理水量及相關(guān)加藥量。將加熱器從超濾前移到超濾產(chǎn)水以節(jié)省輔助蒸汽使用量。需要說(shuō)明的是，為了最大限度的降低加熱費(fèi)用，一級(jí)反滲透的設(shè)計(jì)水溫調(diào)整為5 °C，同時(shí)通過(guò)降低單位膜面積的通量來(lái)保證低溫下反滲透的出力，而加熱系統(tǒng)只是為了保證在難得一遇的嚴(yán)寒時(shí)才進(jìn)行加熱(只有水溫低于5 °C時(shí)，方啟動(dòng)加熱器)。

對(duì)于方案2，其改進(jìn)方案4同樣將加熱器調(diào)整到超濾產(chǎn)水側(cè)。但值得指出的是，方案2所采用一級(jí)反滲透+一級(jí)除鹽+混床的工藝對(duì)反滲透提出了較高的要求。如果將一級(jí)反滲透更換為低能耗反滲透膜，其產(chǎn)水水質(zhì)反而會(huì)在較大程度上影響后續(xù)一級(jí)除鹽樹(shù)脂的再生周期，從而進(jìn)一步推高運(yùn)行維護(hù)和再生廢液處理費(fèi)用。因此方案4仍然采用高脫鹽率反滲透膜用于一級(jí)反滲透系統(tǒng)，并維持原有的加熱量以保證系統(tǒng)出力。

2.2優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

改進(jìn)后方案3與方案4的制水成本明細(xì)總結(jié)于表4。由表可知，與反滲透-離子交換樹(shù)脂工藝相比，盡管全膜法的基建和維護(hù)費(fèi)用略高，但是在廢水處理、藥劑消耗以及輔氣加熱費(fèi)用上優(yōu)勢(shì)明顯，總噸制水成本比方案4低1元左右。如果橫向比較，則可以發(fā)現(xiàn)方案1經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，噸水成本下降0.874元。按系統(tǒng)出力228 m3/h計(jì)算，年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約可達(dá)159萬(wàn)元。

表4　方案3與方案4制水成本明細(xì)表 (單位：元/噸)

3優(yōu)化方案技術(shù)分析

方案1和方案3的技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表5。由于方案3更換低壓反滲透膜之后能夠在低溫下運(yùn)行，其年加熱水量按照年加熱時(shí)間400小時(shí)計(jì)算，為最保守估計(jì)。二級(jí)反滲透系統(tǒng)由陶氏化學(xué)反滲透模擬軟件ROSA 9.0估算[6]。由于方案3中二級(jí)反滲透和EDI的回收率得到提升，系統(tǒng)的用水效率得到優(yōu)化，因而反滲透的進(jìn)水流量都有所降低。同時(shí)，由于方案3應(yīng)用了低壓反滲透膜，其一級(jí)和二級(jí)反滲透的產(chǎn)水水質(zhì)較方案1略差。

表5　方案1與方案3技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3.1水溫

對(duì)于反滲透膜而言，進(jìn)水溫度增加在提高產(chǎn)水量的同時(shí)，也降低了產(chǎn)水水質(zhì)。反之，低溫下的反滲透系統(tǒng)往往出力降低，水量不夠。在以往的反滲透設(shè)計(jì)中，一般會(huì)在超濾前設(shè)置輔汽加熱，以保證反滲透的運(yùn)行水溫(20 °C)。然而，輔汽的費(fèi)用一般較高，以常規(guī)設(shè)計(jì)為例，輔助蒸汽一項(xiàng)的噸水成本約為0.747元，對(duì)于出力為228 m3/h的系統(tǒng)的年蒸汽費(fèi)用即為136萬(wàn)元。一個(gè)可行的解決方案是在低溫情況下設(shè)計(jì)膜系統(tǒng)，保證足夠的膜面積和系統(tǒng)出力。如果采用常規(guī)反滲透膜，增加膜面積則意味著更多的膜數(shù)量，因而需要增加基建成本，并增加制水成本折舊比例。張首君[7]等認(rèn)為常規(guī)反滲透膜的經(jīng)濟(jì)膜通量是19.9 LMH。反滲透系統(tǒng)在該通量下可確保在水溫高于5 °C時(shí)不需加熱，而此時(shí)一、二級(jí)反滲透增壓泵壓力高達(dá)2 MPa和1.6 MPa,雖然節(jié)省了蒸汽的消耗，卻增加了四分之一的設(shè)備基建費(fèi)用和三分之一的電費(fèi)。而在本文中，全膜法工藝采用了低壓膜設(shè)計(jì)，不僅大幅度降低了輔助蒸汽的消耗，同時(shí)維持基建成本與運(yùn)行電費(fèi)與原工藝持平。

3.2能耗

在全膜法的運(yùn)行成本核算中，電費(fèi)占據(jù)了相當(dāng)大的比重，而其中反滲透增壓泵又占總電費(fèi)的72%。因此采用低壓反滲透膜，降低反滲透進(jìn)水壓力是降低電耗的最有力手段。在方案3中，一級(jí)反滲透采用陶氏FILMTECTMXFRLE-400/34i膜元件，二級(jí)反滲透采用陶氏FILMTECTMHRLE-440i膜元件，一級(jí)反滲透能耗從0.69 kWh/m3下降至0.38 kWh/m3，二級(jí)反滲透能耗從0.92 kWh/m3下降至0.25 kWh/m3。與常規(guī)反滲透相比，低壓反滲透膜最大的缺點(diǎn)是脫鹽率不夠高，但一方面二級(jí)反滲透系統(tǒng)最主要的功能在于除硅，另一方面更換低壓膜之后其產(chǎn)水水質(zhì)對(duì)后續(xù)EDI的影響依然較小。在表3中方案3的二級(jí)反滲透產(chǎn)水TDS為0.36 mg/L，雖比方案1多44%，但完全滿足目前EDI進(jìn)水的水質(zhì)要求。

3.3排列比

傳統(tǒng)反滲透設(shè)計(jì)一般認(rèn)為，提高回收率需要增加系統(tǒng)級(jí)內(nèi)段數(shù)，而85%回收率的反滲透系統(tǒng)則一般設(shè)計(jì)為3段。事實(shí)上，對(duì)于二級(jí)反滲透系統(tǒng)，由于一級(jí)反滲透產(chǎn)水水質(zhì)較好，完全可以采用二段式設(shè)計(jì)并進(jìn)一步提高回收率，由此節(jié)約段內(nèi)的壓力損失。表6對(duì)不同的排列比和回收率進(jìn)行了優(yōu)化。需要說(shuō)明的是，反滲透系統(tǒng)由于溫度、反滲透膜污染、保安過(guò)濾器污堵、進(jìn)出水水箱液位波動(dòng)等影響，水泵的選擇無(wú)法完全符合管道曲線。從節(jié)能角度考慮，反滲透系統(tǒng)高壓泵應(yīng)設(shè)置變頻器，表6中方案b與方案a僅僅只是對(duì)原水泵進(jìn)行變頻，噸水能耗就從0.8 kWh/m3下降到0.57 kWh/m3，其原因即為過(guò)高的進(jìn)水壓力導(dǎo)致所選水泵效率降低。

表6　二級(jí)反滲透采用低壓膜的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

3.4低壓膜產(chǎn)水水質(zhì)

方案3的EDI工作參數(shù)和離子交換床的再生周期如表7所示，其中EDI由E-CALC MK-3 V3模擬計(jì)算得出。出于保守估算的原則，假定反滲透膜更換周期為5年，第5年一級(jí)反滲透脫鹽率96%，二級(jí)反滲透脫鹽率98%。從表7可知，二級(jí)反滲透更換低壓膜后，EDI出水水質(zhì)完全可以保證，只需把模塊的額定電流略調(diào)高即可。方案4與方案2對(duì)比，除鹽工藝沒(méi)有變化，出水水質(zhì)一致。

表7　方案1和方案3中EDI的工作參數(shù)

4結(jié)論

(1)依據(jù)電廠的實(shí)際運(yùn)行情況，將全膜法與一級(jí)反滲透-離子交換工藝進(jìn)行了運(yùn)行成本核算和成本構(gòu)成分析，結(jié)果顯示電費(fèi)、加熱蒸汽、維護(hù)和人力成本構(gòu)成了運(yùn)行成本的主要部分。當(dāng)計(jì)入樹(shù)脂再生廢水處理費(fèi)用后，全膜法具有成本上的優(yōu)勢(shì)。

(2)通過(guò)一系列措施對(duì)這兩種傳統(tǒng)方案分別進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，包括優(yōu)化加熱位置，更換低壓反滲透膜，以及對(duì)反滲透高壓泵增加變頻器等，成本分析表明優(yōu)化后的全膜法可降低20%的制水成本，并且顯著優(yōu)于改進(jìn)的一級(jí)反滲透-離子交換工藝。

(3)在目前工業(yè)廢水零排放的環(huán)境壓力和政策導(dǎo)向下，全膜法因其較少的廢水排放，具備最優(yōu)的環(huán)境相容性，因而前景廣闊。

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The Optimization Study of Power Plant Demineralization System

XIE Feng1, YANG Cheng2(1. Jiansu Ligang Power Co. Ltd., Jiangyin 214444, China; 2. DOW Chemical (China) Investment Co. Ltd. Water & Process Solutions, Shanghai 201203, China)

Abstract：It is widely accepted that the key of designing demineralization system in a power plant is the reverse osmosis (RO) system. However, there are still two main technologies for the RO permeate water refinement, electrodialysis and ion exchange resin. The comparison analysis of the two technical routes is meaningful for the design and operation of the power plant demineralization system. This paper discusses the operation cost and poses a further optimization proposal for each technical scheme from the perspective of plant-end users, taking a power plant with Yangtze River the water resource as an instance. The cost analysis demonstrates that the power and vapour consumption dominates the two pass RO-electrodialysis (EDI) process operation cost, and the cost of wastewater treatment also occupies significant portion in one pass RO-ion exchange resin process. The operation costs of the two scheme are significantly decreased after optimization, and two pass RO-EDI process balances the water quality and operation cost best.

Keywords：two pass RO-EDI proecss；low energy RO；operation cost；energy saving；optimization design

中圖分類號(hào):TM621.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.014

作者簡(jiǎn)介：謝峰 (1975-)，男，工程師，主要從事電廠化學(xué)設(shè)備管理工作，Email: xief@jlepc.com.cn。

收稿日期：2016-01-14。