全膜法技術(shù)在電廠脫硫廢水零排放中的應(yīng)用

王可輝，王 飛，祖坤勇，趙 軍，徐 峰，蔣 芬

(中國(guó)國(guó)電北京朗新明環(huán)保科技有限公司南京分公司，江蘇南京 210019)

燃煤電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫廢水中主要含有懸浮物、硫酸鹽、過(guò)飽和的亞硫酸鹽以及重金屬等雜質(zhì)[1]，很多是國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)(GB 8978—1996)嚴(yán)格要求控制的第一類(lèi)污染物[2]。電廠目前普遍采用的中和、沉淀、絮凝澄清工藝，即三聯(lián)箱處理法[3]，很難正常穩(wěn)定運(yùn)行，更不用說(shuō)達(dá)標(biāo)排放，因此針對(duì)脫硫廢水提出新型的處理方法尤為重要。國(guó)務(wù)院2015年頒布的水污染防治行動(dòng)計(jì)劃(“水十條”)[4]，把水環(huán)境保護(hù)上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。脫硫廢水作為火電廠末端處理難度最大的廢水，對(duì)其進(jìn)行有效的深度處理，是實(shí)現(xiàn)火電廠真正意義上“零排放”的關(guān)鍵所在[5]。

國(guó)電漢川電廠在建設(shè)之初即對(duì)4×330 MW超臨界燃煤機(jī)組和2×1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組的脫硫廢水提出零排放整體要求，采用TUF(管式超濾膜)+NF(納濾)+SCRO(特殊流道卷式反滲透膜)+DTRO(高壓反滲透膜)+MVR(機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶)的全膜法工藝對(duì)脫硫廢水進(jìn)行零排放處理。

1 脫硫廢水水質(zhì)

國(guó)電漢川電廠1～6號(hào)機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)均采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝。1～6號(hào)機(jī)組脫硫廢水量共計(jì)36 m3/h，已按常規(guī)方案，即“中和(堿化)+絮凝+澄清”化學(xué)沉淀[6]方案建成并投運(yùn)。本次零排放深度處理廢水為采用傳統(tǒng)三聯(lián)箱處理后滿(mǎn)足《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質(zhì)控制指標(biāo)》(DL/T 997—2006)的廢水，水質(zhì)情況如表1所示。

表1 脫硫廢水水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Desulfurization Wastewater

由表1可知，該脫硫廢水具有如下水質(zhì)特征：(1)廢水硬度高，容易在熱力設(shè)備表面結(jié)垢，影響設(shè)備正常使用；(2)廢水總含鹽量高，波動(dòng)范圍大，Cl-濃度高達(dá)15 000 mg/L，容易對(duì)金屬設(shè)備造成腐蝕。

2 脫硫廢水零排放系統(tǒng)

2.1 脫硫廢水工藝流程

國(guó)電漢川脫硫廢水零排放處理工藝流程如圖1所示，主要由預(yù)處理軟化+膜濃縮減量+MVR蒸發(fā)結(jié)晶單元組成。

2.1.1 預(yù)處理工藝

預(yù)處理工藝主要分為兩部分：(1)加藥軟化預(yù)處理，針對(duì)脫硫廢水鈣、鎂硬度高的特點(diǎn)，向反應(yīng)器中投加石灰、氫氧化鈉和碳酸鈉藥劑，分別與廢水中的鎂、鈣離子反應(yīng)生成氫氧化鎂和碳酸鈣沉淀，濃水進(jìn)入管式超濾膜(TUF，圖2)過(guò)濾，產(chǎn)水進(jìn)入產(chǎn)水箱，同時(shí)去除重金屬離子；(2)NF分鹽裝置，主要對(duì)廢水中的一價(jià)離子和二價(jià)離子進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)分鹽處理及高品質(zhì)工業(yè)鹽、高品質(zhì)石灰石漿液的回收利用，降低固體廢物的排放量。

圖1 國(guó)電漢川電廠脫硫廢水零排放工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Desulfurization Wastewater Zero Discharge System in Guodian Hanchuan Power Plant

圖2 管式超濾膜裝置Fig.2 Tubular Ultrafiltration (TUF) Membrane Device

圖3 膜濃縮系統(tǒng)Fig.3 Membrane Concentration System

2.1.2 膜濃縮單元

膜濃縮單元的核心技術(shù)為特殊流道反滲透(SCRO)+高壓反滲透(DTRO)，該工藝段主要實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的濃縮減量處理，利用高鹽廢水專(zhuān)用反滲透膜的脫鹽作用，將脫硫廢水中的鹽截留在濃鹽水中，使得進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的廢水量降至原水的22%左右，最大限度地減小蒸發(fā)系統(tǒng)的處理規(guī)模，節(jié)約投資和運(yùn)行成本。膜濃縮系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)裝置如圖3所示。

2.1.3 蒸發(fā)結(jié)晶工藝

脫硫廢水經(jīng)軟化預(yù)處理及膜濃縮減量后進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶段，由于采用了納濾系統(tǒng)分鹽，濃鹽水中98%以上的鹽分為氯化鈉，高純度的氯化鈉濃鹽水使得蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。蒸發(fā)結(jié)晶段工藝為最節(jié)能的MVR蒸發(fā)結(jié)晶器，得到的結(jié)晶鹽經(jīng)流化床干燥處理后全自動(dòng)打包封裝，最終產(chǎn)品為純度高于96.3%的袋裝氯化鈉，達(dá)到《工業(yè)鹽》(GB/T 5462—2003)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的日曬工業(yè)鹽一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)固體廢物的綜合利用和減量處置。蒸發(fā)結(jié)晶器現(xiàn)場(chǎng)裝置及結(jié)晶鹽產(chǎn)品分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 蒸發(fā)結(jié)晶器(a)和結(jié)晶鹽(b)Fig.4 Evaporation Crystallizer(a) and Crystalline Salt(b)

2.1.4 零排放設(shè)備材質(zhì)選擇

由于脫硫廢水高含鹽量高氯離子濃度的特點(diǎn)，在材質(zhì)選擇上，應(yīng)充分考慮耐腐蝕耐高鹽分等因素。(1)泵等設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)部件選用鈦材質(zhì)，過(guò)濾器和水箱等靜設(shè)備選用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)或高密度聚乙烯(HDPE)等材質(zhì);(2)干燥結(jié)晶單元與進(jìn)料液或晶漿接觸的動(dòng)設(shè)備選用雙相不銹鋼(SS2205)或鎳合金(Alloy 400)等材質(zhì)，結(jié)晶器主體材質(zhì)選用Alloy 400，晶漿循環(huán)管路選用SS2205等材質(zhì)。

2.2 脫硫廢水零排放系統(tǒng)運(yùn)行情況

國(guó)電漢川電廠脫硫廢水的水量為36 m3/h，進(jìn)水TDS為15 000～25 000 mg/L，脫硫廢水經(jīng)加藥軟化預(yù)處理+膜濃縮減量處理后濃水水量為8 m3/h，此廢水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶器進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理，實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放。

2.2.1 軟化預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行情況

加藥軟化預(yù)處理經(jīng)TUF膜過(guò)濾后的產(chǎn)水水質(zhì)情況如表2所示。

表2 TUF產(chǎn)水水質(zhì)Tab.2 Water Quality of TUF Effluent

由表2可知，加藥軟化預(yù)處理經(jīng)過(guò)TUF膜過(guò)濾后產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，滿(mǎn)足反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求，系統(tǒng)產(chǎn)水量為36 m3/h。

2.2.2 膜濃縮系統(tǒng)運(yùn)行情況

膜濃縮處理單元由特殊流道高鹽反滲透(SCRO)裝置、高壓反滲透(DTRO)裝置、產(chǎn)水二級(jí)反滲透裝置及配套設(shè)備組成。軟化預(yù)處理產(chǎn)水經(jīng)納濾分鹽處理后TDS約為27 900 mg/L，進(jìn)入SCRO進(jìn)行初步濃縮減量。SCRO系統(tǒng)采用兩段式設(shè)計(jì)，其中SCRO一段裝置設(shè)置2套，單套產(chǎn)水能力為8 m3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)條件下的系統(tǒng)回收率為45%，一段排濃水量為20 m3/h；SCRO二段裝置設(shè)置1套，產(chǎn)水能力為4 m3/h，回收率為20%。另外配套相應(yīng)的清洗加藥及能量回收系統(tǒng)。

經(jīng)兩段SCRO濃縮減量后排濃水水量為16 m3/h，TDS達(dá)到59 200 mg/L左右，隨后濃鹽水提升進(jìn)入DTRO，進(jìn)一步濃縮TDS至約118 400 mg/L，水量減量至8 m3/h，DTRO系統(tǒng)回收率為50%。DTRO濃水水質(zhì)情況如表3所示。

本工程設(shè)置DTRO裝置2套，單套設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為4 m3/h，濃水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶處理單元進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理。由于SCRO及DTRO工藝產(chǎn)水的TDS大于500 mg/L，本項(xiàng)目設(shè)置2套苦咸水反滲透(BWRO)裝置對(duì)SCRO及DTRO產(chǎn)水作進(jìn)一步脫鹽處理，以滿(mǎn)足鍋爐補(bǔ)給水回用的要求，單套處理能力為14 m3/h。BWRO產(chǎn)水水質(zhì)情況如表4所示。

表3 DTRO濃水水質(zhì)Tab.3 Water Quality of DTRO Concentrated Wastewater

表4 BWRO產(chǎn)水水質(zhì)Tab.4 Water Quality of BWRO Effluent

2.2.3 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)運(yùn)行情況

經(jīng)膜濃縮處理后產(chǎn)生的濃鹽水含鹽量達(dá)到118 400 mg/L以上，水量減量至8 m3/h，經(jīng)軟化預(yù)處理及分鹽提純處理后，廢水為高純度的氯化鈉溶液。這部分濃鹽水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)處理，結(jié)晶鹽析出后由流化床干燥并打包，固液分離，真正實(shí)現(xiàn)零排放——冷凝水回用，結(jié)晶鹽外賣(mài)。結(jié)晶鹽品質(zhì)經(jīng)委外檢測(cè)達(dá)到96.3 g/(100 g)，達(dá)到《工業(yè)鹽》(GB/T 5462—2003)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 系統(tǒng)藥劑費(fèi)用

系統(tǒng)使用的藥劑主要有氫氧化鈣、氫氧化鈉、碳酸鈉、鹽酸、阻垢劑、化學(xué)清洗用藥劑等，藥劑費(fèi)跟水質(zhì)情況有直接關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)，計(jì)算藥劑費(fèi)用如表5所示，噸水藥劑費(fèi)為9.42元。

表5 藥劑費(fèi)用Tab.5 Chemical Cost

3.2 系統(tǒng)能耗費(fèi)用戶(hù)

系統(tǒng)能耗費(fèi)主要由電費(fèi)和蒸汽費(fèi)用組成，能耗費(fèi)用如表6所示。

表6 系統(tǒng)能耗費(fèi)用Tab.6 System Energy Consumption

注：按電價(jià)0.52元/(kW·h)、蒸汽200元/t進(jìn)行核算

3.3 設(shè)備清洗費(fèi)用

系統(tǒng)主要設(shè)備清洗費(fèi)用如表7所示，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間按照每年300 d計(jì)算。

表7 設(shè)備清洗費(fèi)Tab.7 Equipment Cleaning Fee

3.4 膜系統(tǒng)更換費(fèi)用

膜系統(tǒng)使用年限折舊(按當(dāng)年建設(shè)期采購(gòu)價(jià)計(jì)算成本費(fèi)用，折算成噸水費(fèi)用)如表8所示。

表8 膜系統(tǒng)更換費(fèi)Tab.8 Membrane System Replacement Fee

由表5、表6和表7可知，國(guó)電漢川電廠脫硫廢水零排放系統(tǒng)直接運(yùn)行費(fèi)用為26.94元/m3,膜系統(tǒng)折舊更換費(fèi)為9.68元/m3，與國(guó)內(nèi)已有零排放工程案例比較優(yōu)勢(shì)明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)電漢川電廠脫硫廢水零排放項(xiàng)目于2017年1月通過(guò)電廠168滿(mǎn)負(fù)荷性能驗(yàn)收后轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值。該脫硫廢水零排放系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)系統(tǒng)設(shè)備安全穩(wěn)定，膜濃縮系統(tǒng)按照進(jìn)零排放系統(tǒng)的最小TDS水質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)按照進(jìn)零排放系統(tǒng)的最大TDS水質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)在最小TDS和最大TDS時(shí)均能滿(mǎn)足80%～120%的設(shè)計(jì)負(fù)荷，最大處理量為36 m3/h；(2)產(chǎn)品附加值高，廢水處理后產(chǎn)水全部回用，產(chǎn)出的結(jié)晶鹽品質(zhì)高(NaCl純度>96%)，全部外賣(mài)給當(dāng)?shù)鼗て髽I(yè)，符合當(dāng)前國(guó)家的環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策；(3)積極響應(yīng)落實(shí)國(guó)家政策，通過(guò)在電廠廢水處理系統(tǒng)中應(yīng)用全膜法+MVR蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，避免了電廠高鹽分脫硫廢水的外排，徹底實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的“零排放”。

該脫硫廢水零排放系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)創(chuàng)造了多個(gè)第一：(1)國(guó)內(nèi)火電廠第一個(gè)百萬(wàn)機(jī)組脫硫廢水工程案例；(2)國(guó)內(nèi)火電廠第一次采用全膜法對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理軟化和濃縮，自動(dòng)化程度高、處理效果好；(3)國(guó)內(nèi)火電廠第一次采用分鹽技術(shù)，將廢水中的氯化鈉提純并蒸發(fā)結(jié)晶，獲得二級(jí)工業(yè)鹽；(4)國(guó)內(nèi)火電廠第一次采用120 kg級(jí)高壓反滲透技術(shù)，廢水濃縮減量75%以上；(5)國(guó)內(nèi)火電廠第一次采用MVR蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，該技術(shù)為最節(jié)能的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)。