論火電廠(chǎng)水島聯(lián)合布置之EDI的優(yōu)勢(shì)

趙 敏,郭志文，陳 永

（內(nèi)蒙古京能錫林發(fā)電有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 026000）

論火電廠(chǎng)水島聯(lián)合布置之EDI的優(yōu)勢(shì)

趙 敏,郭志文，陳 永

（內(nèi)蒙古京能錫林發(fā)電有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 026000）

近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)火電機(jī)組的大規(guī)模投入使用，對(duì)于電廠(chǎng)化學(xué)這個(gè)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐應(yīng)用起到了不可小覷的推動(dòng)作用。立足于EDI去離子系統(tǒng)的技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性，闡述了現(xiàn)代大型火電廠(chǎng)水處理系統(tǒng)的工藝和布局的優(yōu)化可以給管理和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的各方面有益之處。

水島聯(lián)合布置；水處理；EDI；水質(zhì)

1 概況

火力發(fā)電廠(chǎng)的水處理分為多個(gè)系統(tǒng)，主要由原水預(yù)處理、鍋爐補(bǔ)給水處理、工業(yè)廢水處理、脫硫廢水處理和凝結(jié)水精處理等構(gòu)成，這些系統(tǒng)除凝結(jié)水精處理需要布置在主廠(chǎng)房?jī)?nèi)，其余系統(tǒng)的布置均比較分散。這些系統(tǒng)本應(yīng)該是“首尾相連”，集中布置，但實(shí)際卻布置的互不相干，既增加了投資造價(jià)，又影響了生產(chǎn)效率。現(xiàn)代新建火電機(jī)組從源頭改進(jìn)，即從設(shè)計(jì)開(kāi)始找準(zhǔn)最優(yōu)布置方案，充分考慮投資造價(jià)、占地面積、運(yùn)行可靠和檢修的方便性。

京能五間房電廠(chǎng)一期2×660MW超超臨界空冷機(jī)組工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗吉林高勒鎮(zhèn)錫林郭勒盟煤田境內(nèi)，屬于大型坑口電廠(chǎng)，擁有良好的建廠(chǎng)條件。設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的超臨界、煙氣提水、間接空冷、脫硫、脫硝、高效除塵、廢水綜合利用等節(jié)能環(huán)保技術(shù)，節(jié)煤、節(jié)水，為高效、環(huán)保、節(jié)能型電廠(chǎng)，屬特高壓外送電源的坑口電站。

2 工藝選擇

火電廠(chǎng)水處理的工藝可謂層出不窮，但是被業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的也不過(guò)兩三種，原水預(yù)處理系統(tǒng)主要以混凝、澄清、過(guò)濾的工藝為主，工業(yè)廢水處理系統(tǒng)主要以絮凝加斜管、斜板、沉淀為主，而鍋爐補(bǔ)給水的處理則多數(shù)以超濾反滲透加離子交換除鹽或者超濾反滲透加EDI。對(duì)于離子交換除鹽和EDI的選擇一直存在爭(zhēng)議，筆者認(rèn)為傳統(tǒng)的離子交換除鹽運(yùn)行穩(wěn)定，投資成本低，但是操作的復(fù)雜性和工藝的危險(xiǎn)性增加了人力資源和運(yùn)行成本，這顯然與企業(yè)的減員增效政策相違背。EDI技術(shù)從20世紀(jì)90年代末期在國(guó)內(nèi)開(kāi)始推廣，直至現(xiàn)在從完全進(jìn)口到部分零部件國(guó)產(chǎn)化，系統(tǒng)運(yùn)行基本可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。下面就京能五間房電廠(chǎng)一期鍋爐補(bǔ)給水工藝選擇EDI作為除鹽設(shè)備的理由進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，選取EDI作為除鹽設(shè)備需要從技術(shù)應(yīng)用的可靠性和投資價(jià)值的合理性?xún)煞矫嫒タ紤]。

2.1 EDI技術(shù)的可靠性

所謂的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件和時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。就EDI制水技術(shù)而言，我們要求其在特定的條件、環(huán)境、時(shí)間內(nèi)為鍋爐提供除鹽水，為了實(shí)現(xiàn)以上目的，要求EDI設(shè)備在運(yùn)行時(shí)必須有基本條件支撐，即入口水質(zhì)滿(mǎn)足EDI入口要求、入口水壓滿(mǎn)足運(yùn)行要求、EDI設(shè)備的供電裝置可以穩(wěn)定運(yùn)行、廢水廢氣排放系統(tǒng)暢通、系統(tǒng)配套的儀表正常等。

2.1.1 EDI入、出口水質(zhì)

為了使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且出水水質(zhì)滿(mǎn)足鍋爐用水要求，研究幾大EDI品牌的技術(shù)后得出其進(jìn)水條件的共性主要看離子負(fù)荷類(lèi)和結(jié)垢污染類(lèi)兩類(lèi)指標(biāo)。

（1）離子負(fù)荷類(lèi)指標(biāo)主要由以下幾項(xiàng)構(gòu)成[1,2]：

a.pH值：pH值為7.0～8.5之間的EDI有最佳電阻率性能，但硬度要低于常規(guī)值。典型的低pH值進(jìn)水會(huì)由于CO2的存在導(dǎo)致產(chǎn)水質(zhì)量下降；

b.電導(dǎo)率：最佳電導(dǎo)率在2～10μs/cm之間，最大不能超過(guò)50μs/cm。

c.總CO2：不能超過(guò)10ppm，建議小于5ppm。因?yàn)楫a(chǎn)水率很大程度上依賴(lài)于CO2水平和pH值；

d.硅含量：最大不能超過(guò)0.5ppm。

（2）結(jié)垢污染類(lèi)指標(biāo)主要由以下幾項(xiàng)構(gòu)成：

a.硬度（以CaCO3計(jì)）：回收率大于90%時(shí)，最大不能超過(guò)1.0ppm；

b.金屬離子：鐵，錳，硫化物等變價(jià)金屬離子不能超過(guò)0.01 ppm；

c.有機(jī)物（TOC）：最大不超過(guò)0.5ppm；

d.顆粒物：在RO與EDI之間如果有水箱緩沖，需要在EDI入口增加1μm的保安過(guò)濾器以保證EDI系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；

e.氧化劑：建議不含氧化性物質(zhì)。

要特別說(shuō)明的就是離子負(fù)荷類(lèi)指標(biāo)中的CO2[3]，因?yàn)镃O2在溶液中表現(xiàn)為弱電解質(zhì)，所以轉(zhuǎn)化為HCO3-的速度比較慢，即便在進(jìn)入EDI之前可以全部轉(zhuǎn)化為HCO3-，其透過(guò)陰離子膜的速度也不會(huì)像其他離子那么快。而結(jié)垢污染類(lèi)指標(biāo)中的硬度又是決定EDI系統(tǒng)回收率的重要項(xiàng)，過(guò)高要求EDI的回收率，會(huì)導(dǎo)致濃水室中硬度和堿度的濃縮倍率成倍增長(zhǎng)，再加上透過(guò)膜的CO2就會(huì)形成濃水側(cè)結(jié)垢。為了盡量避免過(guò)多的CO2進(jìn)入EDI的濃水側(cè)，我們選擇在二級(jí)反滲透前添加NaOH,以便快速消除水中CO2。

基于以上兩類(lèi)指標(biāo)要求，在設(shè)計(jì)制水系統(tǒng)時(shí)將EDI前設(shè)置兩級(jí)RO，最終二級(jí)RO的產(chǎn)水水質(zhì)見(jiàn)下表1[4,5]：

表1 二級(jí)RO產(chǎn)水水質(zhì)Table 1 Two-stage RO water quality of water production

經(jīng)過(guò)兩級(jí)反滲透處理后的水再進(jìn)入EDI系統(tǒng)處理，EDI出水水質(zhì)，見(jiàn)下表2：

表2 EDI產(chǎn)水水質(zhì)Table 2 EDI water quality of water production

2.1.2 EDI系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行

影響EDI系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件包含離子交換膜、供電系統(tǒng)、水流分配系統(tǒng)、樹(shù)脂的選擇等方面。其中離子交換膜、供電系統(tǒng)以及樹(shù)脂的選擇等技術(shù)已經(jīng)被各個(gè)廠(chǎng)家所熟練掌握,近些年各廠(chǎng)家對(duì)水流分配系統(tǒng)都做了不同的調(diào)整，比如流道寬窄問(wèn)題、濃淡水流向問(wèn)題、極水分配問(wèn)題。

混床運(yùn)行過(guò)程中，其內(nèi)部的樹(shù)脂分為飽和區(qū)，交換區(qū)和新生區(qū)。飽和區(qū)的樹(shù)脂已經(jīng)被水中離子交換至飽和狀態(tài)，不再具有交換水中離子能力；交換區(qū)的樹(shù)脂處于半飽和狀態(tài)，除鹽過(guò)程主要在交換區(qū)完成；新生區(qū)的指樹(shù)脂未發(fā)生離子交換。隨著混床的運(yùn)行，飽和區(qū)和交換區(qū)將逐步向上移動(dòng)，新生區(qū)的空間將減少，直到被穿透（見(jiàn)圖1）。新生區(qū)的存在是產(chǎn)水水質(zhì)的保證，而新生區(qū)被穿透的時(shí)候，也就意味著混床產(chǎn)水水質(zhì)將下降，混床樹(shù)脂需要用酸堿再生恢復(fù)其交換能力。

EDI運(yùn)行過(guò)程中，樹(shù)脂分為交換區(qū)和新生區(qū)，在運(yùn)行過(guò)程中，雖然樹(shù)脂不斷進(jìn)行離子交換，但電流連續(xù)不斷的使樹(shù)脂再生，從而形成了一種動(dòng)態(tài)平衡；EDI模塊內(nèi)將能始終保持一定空間的新生區(qū)（見(jiàn)圖1）；這樣EDI內(nèi)的樹(shù)脂也就不再需要化學(xué)藥品的再生，且其產(chǎn)水品質(zhì)也得到了較高的保證。

相比于混床，由于沒(méi)有化學(xué)再生的需要，其系統(tǒng)的水利用率提升到95%～99%，這對(duì)于中大型系統(tǒng)、水資源緊缺地區(qū)的節(jié)水效益尤為明顯。

EDI的穩(wěn)定運(yùn)行主要體現(xiàn)在出水電阻率的變化率小?；齑策\(yùn)行過(guò)程為間歇運(yùn)行過(guò)程，混床在運(yùn)行一段時(shí)間后，樹(shù)脂會(huì)被穿透，此時(shí)產(chǎn)水電阻率會(huì)下降，這時(shí)就需要對(duì)混床進(jìn)行停機(jī)再生，再生后的混床將能繼續(xù)提供高品質(zhì)的產(chǎn)水，直到下一次再生。而EDI運(yùn)行過(guò)程為連續(xù)過(guò)程，EDI在運(yùn)行過(guò)程中將能持續(xù)不斷地提供10～18M·cm的產(chǎn)水，且不需要化學(xué)藥品的再生。二者運(yùn)行中電阻率變化趨勢(shì)比較（見(jiàn)圖2，圖3）。

圖1 混床和EDI工作過(guò)程Fig.1 Mixed bed and EDI working process

圖2 混床運(yùn)行產(chǎn)水電阻率Fig.2 Mixed bed water resistivity

圖3 EDI運(yùn)行產(chǎn)水電阻率Fig.3 EDI running water resistivity

影響EDI穩(wěn)定運(yùn)行的另一個(gè)主要因素為濃淡水流向問(wèn)題，傳統(tǒng)的濃淡水均設(shè)計(jì)為同向流動(dòng)，而我公司采用濃水室和淡水室的流向?yàn)槟媪餍问健?/p>

濃淡水同向順流作為最初的EDI運(yùn)行模式，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)論，當(dāng)?shù)覂?nèi)的失效層樹(shù)脂逐漸上移時(shí)，透過(guò)離子膜的陰陽(yáng)離子在濃水室被同向水流帶出濃水室的同時(shí)，也會(huì)在其末端有一部分離子再次反向透過(guò)離子膜，和淡水室還未工作的樹(shù)脂層進(jìn)行交換，這樣就導(dǎo)致淡水室內(nèi)樹(shù)脂周期制水量要低于設(shè)計(jì)值，同時(shí)也要消耗一定電量去提前再生那部分失效樹(shù)脂，這樣會(huì)影響EDI系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行（見(jiàn)圖4）。

圖4 同向順流EDI工作原理Fig.4 EDI working principle of same downstream

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的EDI將濃水和淡水流設(shè)計(jì)為反向逆流模式，即淡水室從下部進(jìn)水的同時(shí)也從濃水室上部進(jìn)水，這樣只要淡水室的樹(shù)脂交換下來(lái)的離子一經(jīng)透過(guò)離子交換膜，馬上就會(huì)被濃水側(cè)水流帶出系統(tǒng)外，且不會(huì)經(jīng)過(guò)淡水室上部未發(fā)生交換反應(yīng)的樹(shù)脂區(qū)域。所以淡水室內(nèi)樹(shù)脂的周期制水量可達(dá)設(shè)計(jì)值，同時(shí)也降低了再生頻率，節(jié)約電量[6]。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，這種反向逆流模式在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)引起電流的頻繁波動(dòng)，保證EDI制水的穩(wěn)定性（見(jiàn)圖5）。

圖5 反向逆流EDI工作原理Fig.5 EDI working principle of reverse backflow

2.2 投資價(jià)值的合理性

傳統(tǒng)2×90T/H混床的設(shè)備投資約150萬(wàn)元，同等制水能力的EDI投資為200萬(wàn)元左右，但除鹽采用混床系統(tǒng)占地方面積約為650m2，而除鹽采用EDI系統(tǒng)為100m2，并且EDI系統(tǒng)對(duì)廠(chǎng)房高度要求遠(yuǎn)低于混床的10m以上，僅為3m，由此可見(jiàn)雖然EDI設(shè)備的初期投資略高，但綜合計(jì)算，反而EDI投資要小于混床。

2.2.1 運(yùn)行費(fèi)運(yùn)比較

表3 反向逆流EDI工作原理Table3 EDI working principle of reverse backflow

2.2.2 出水水質(zhì)比較

表4 混床和EDI出水水質(zhì)對(duì)比Table 4 The comparison of water quality between mixed bed and EDI

通過(guò)以上對(duì)比可以直觀(guān)看出選擇EDI系統(tǒng)制水，既降低了運(yùn)行成本，又提高了出水水質(zhì)，保證甚至超出了鍋爐、汽輪機(jī)對(duì)水質(zhì)的要求。重要的是杜絕了酸堿污染物的排放，保護(hù)了環(huán)境。

3 系統(tǒng)布置優(yōu)化

本工程擬將主廠(chǎng)房外化學(xué)水處理系統(tǒng)工藝設(shè)施設(shè)計(jì)成為聯(lián)合布置，從物理上將各處理車(chē)間布置在一起，即將原水預(yù)處理、鍋爐補(bǔ)給水、工業(yè)廢水設(shè)計(jì)為聯(lián)合體建筑，并對(duì)水處理系統(tǒng)的工藝及設(shè)備布置進(jìn)行優(yōu)化，逐步實(shí)現(xiàn)水處理各系統(tǒng)的有機(jī)融合。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 藥品設(shè)施合并

本工程各處理系統(tǒng)所需藥劑品種如下表：

由上表可看出，上述系統(tǒng)采用了部分相同的化學(xué)藥品，如鹽酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉、絮凝劑、氧化性殺菌劑、助凝劑。

本工程擬將上述車(chē)間設(shè)計(jì)成聯(lián)合布置，因而從布置上就有條件將相同的藥品存儲(chǔ)設(shè)施進(jìn)行合并。即對(duì)公用藥品設(shè)計(jì)成共用的存儲(chǔ)設(shè)施，計(jì)量設(shè)施按照各水處理系統(tǒng)的加藥需求單獨(dú)設(shè)置。公用藥品存儲(chǔ)設(shè)施配置如下：

鹽酸貯罐、氫氧化鈉貯罐、次氯酸鈉鈉貯罐、絮凝劑溶解溶液箱、助凝劑溶解溶液箱。

通過(guò)此項(xiàng)優(yōu)化，大大減少了藥品存儲(chǔ)設(shè)施，節(jié)省了投資及占地，化學(xué)藥品集中貯存，減少了危險(xiǎn)源，也方便后續(xù)的運(yùn)行管道工作。

3.2 原水預(yù)處理系統(tǒng)優(yōu)化

本工程原水預(yù)處理設(shè)備布置與水工專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)消防蓄水池及生活蓄水池的布置綜合考慮。水工的生產(chǎn)消防蓄水池及生活蓄水池布置在地下，原水預(yù)處理系統(tǒng)布置在蓄水池上方。澄清設(shè)備出水通過(guò)重力流入蓄水池，無(wú)需提升。

此項(xiàng)優(yōu)化，充分利用了蓄水池上部的空間，節(jié)省了投資及占地。

3.3 污泥脫水系統(tǒng)合并

工業(yè)廢水處理系統(tǒng)和原水預(yù)處理系統(tǒng)的澄清設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中均需要排泥。以往的工程，在2個(gè)車(chē)間單獨(dú)設(shè)置泥漿池、加藥系統(tǒng)、脫水機(jī)進(jìn)行分別處理，既增加了投資成本，又增加了運(yùn)行檢修的工作量。

本工程由于具有水島聯(lián)合布置的優(yōu)勢(shì)，合并兩個(gè)處理系統(tǒng)的污泥脫水設(shè)施。擬在原水預(yù)處理區(qū)域設(shè)置污泥濃縮池1座，污泥濃縮液由污泥輸送泵送至脫水機(jī)脫水處理，脫水后的泥餅由汽車(chē)外運(yùn)，泥水排至泥漿池。

此項(xiàng)優(yōu)化，減少了一個(gè)系統(tǒng)的污泥脫水機(jī)，既節(jié)省了投資和占地，又減少了運(yùn)行和檢修的工作量。

3.4 節(jié)能降耗

鑒于聯(lián)合布置的綜合布局，縮短了部分工藝系統(tǒng)的連接距離，從工藝上減少了部分連接管道，也達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。

擬設(shè)計(jì)鍋爐補(bǔ)給水處理一級(jí)反滲透濃排水和膜反洗以及化學(xué)清洗廢水通過(guò)預(yù)留自然坡度的排水溝道分別自流至經(jīng)常性廢水池。

4 結(jié) 論

根據(jù)我們的實(shí)際調(diào)研和運(yùn)行結(jié)果表明，采用EDI代替混床有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）水質(zhì)穩(wěn)定?；齑仓械臉?shù)脂總有一個(gè)逐步失效的過(guò)程，所以它的電導(dǎo)率總是一個(gè)逐步變化的曲線(xiàn)，在制水周期內(nèi)，水質(zhì)是由合格逐步變?yōu)槭В嬖谂袛噙^(guò)早或滯后現(xiàn)象。而EDI制水工藝交換和再生是同步的，其水質(zhì)非常穩(wěn)定。

2）離子交換和再生同步，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，無(wú)需停機(jī)再生，更不必有酸堿儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備及計(jì)量設(shè)備等。

3）沒(méi)有酸堿廢液排放，綠色環(huán)保，節(jié)水節(jié)能合理回用全部濃水，極水排放率控制在5%以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)小于離子交換的10%的污水排放。

4）設(shè)備安裝維修簡(jiǎn)單，無(wú)需備用設(shè)備，任何膜塊維修、更換均不會(huì)影響其他膜塊的運(yùn)行。

5）操作比混床簡(jiǎn)單，只需調(diào)節(jié)整流電源的電壓、電流，容易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

6）水質(zhì)好，EDI純水電阻率可以高達(dá)16MΩ·cm，更能保證高參數(shù)機(jī)組的安全運(yùn)行。

7）設(shè)備占地少[7]，廠(chǎng)房高度要求低，混床廠(chǎng)房高度要求10m以上，而EDI廠(chǎng)房高度3m足夠，并且占地約為混床的10%左右，土建成本投資比混床少。

8）投資性?xún)r(jià)比高，雖然EDI設(shè)備本身價(jià)格比混床價(jià)格稍高一點(diǎn)，但若將占地、廠(chǎng)房投資、運(yùn)行費(fèi)運(yùn)計(jì)算在內(nèi)EDI投資反而比混床要少。

本工程結(jié)合工藝特點(diǎn)，對(duì)電廠(chǎng)部分水處理系統(tǒng)的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用聯(lián)合布置的布局，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)量，即化學(xué)運(yùn)行、巡檢、檢修人員等在一個(gè)車(chē)間就可以完成化學(xué)水處理的大部分工作，并且經(jīng)過(guò)充分調(diào)研，將鍋爐補(bǔ)給水的工藝確定為超濾反滲透加EDI，實(shí)現(xiàn)了精簡(jiǎn)工藝系統(tǒng)、減少工藝設(shè)施、減少運(yùn)行人員操作量、節(jié)省占地、降低能耗等效果。

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Study on the EDI Advantage in the Water Island Combined Layout of Heat-engine Plant

ZHAO Min,GUO Zhi-wen and CHEN Yong
（Neimenggu Nengxilin Power Generation Co.Ltd.,Hohhot 026000,China）

In recent years,with a large-scale use of domestic thermal power units,the power plant chemical industry technology innovation and practical application were promoted.Based on the deionization EDI system reliability and economic rationality,the benefits of the management and operation which brought by the process and layout of modern large-scale thermal power plant water treatment system were elaborated.

Water island combined layout;water treatment;EDI;water quality

TQ085.6

B

1001-0017（2016）06-0464-05

2016-07-13

趙敏（1982-），男，內(nèi)蒙古人，工程師，研究方向：工業(yè)廢水和原水預(yù)處理。