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      生物質(zhì)發(fā)電機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水工程設(shè)計

      2022-01-19 07:57:30李定青
      工業(yè)用水與廢水 2021年6期
      關(guān)鍵詞:反滲透冷卻水預(yù)處理

      李定青

      (南電能源綜合利用股份有限公司陽山南電生物質(zhì)發(fā)電有限公司, 廣東 清遠 513100)

      隨著國家生態(tài)文明建設(shè)進程的持續(xù)深入和人民生活水平日益提高, 國家對水環(huán)境重視程度再次提升, 工業(yè)節(jié)水與水污染防治逐漸成為社會關(guān)注的熱點[1-3]。 火力發(fā)電企業(yè)作為重要的水用戶, 用水系統(tǒng)主要包含循環(huán)冷卻水、 工業(yè)消防水、 化學(xué)制水和鍋爐沖洗水等, 對生物質(zhì)發(fā)電項目而言, 沒有可消耗高鹽濃水的末端用水系統(tǒng)[4-5]。 從用水量比例來看, 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水在火力發(fā)電企業(yè)用水總量中的占比超過80%, 因此要從根本上達到電廠的廢水零排放要求, 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改進和流程優(yōu)化是關(guān)鍵環(huán)節(jié), 應(yīng)盡可能保持高濃縮倍率, 減少循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水, 同時有效脫鹽和再回用[6-12]。

      本文以50 MW 生物質(zhì)發(fā)電機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)零排放改造工程為例, 對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)零排放預(yù)處理和濃縮階段的工藝進行設(shè)計, 并通過工程應(yīng)用論證工藝路線的可行性。

      1 工程概況

      某生物質(zhì)發(fā)電機組容量為2×50 MW, 配備相應(yīng)的凝汽式汽輪機組和高溫高壓循環(huán)流化床(CFB)鍋爐。 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用間冷開式, 補水來源為經(jīng)一體化裝置處理后的河水, 系統(tǒng)通過投加無磷阻垢緩蝕劑, 將濃縮倍率控制在2 ~3。 排污水具有成分復(fù)雜, 水量大, 但含鹽率、 硬度相對低等特點, 排污水總量為68 m3/h。

      循環(huán)冷卻水系統(tǒng)零排放一般經(jīng)過2 個主要階段, 第一是深度節(jié)水階段, 包括用水流程優(yōu)化、 降低排污水量、 廢水處理回用, 第二是末端廢水處理階段[13]。 據(jù)此, 在實現(xiàn)該電廠循環(huán)冷卻水零排放時, 首先開展深度節(jié)水工作, 循環(huán)冷卻水濃縮倍率由3 提高至6, 減少排污水量[14], 其次對排污水進行有效收集和循環(huán)利用的節(jié)水改造, 再次開展廢水末端治理, 最終達到廢水零排放。 具體措施包括:根據(jù)循環(huán)冷卻水水質(zhì)特點, 采取措施將循環(huán)冷卻水濃縮倍率提高至6 ~ 7, 使排污水量由68 m3/h減少至25 m3/h, 其中12 m3/h 作為生物質(zhì)料場噴霧抑塵用水, 最終剩下13 m3/h 進入末端廢水處理系統(tǒng), 工程上按照15 m3/h 廢水處理量進行設(shè)計,設(shè)計出水水質(zhì)需達到GB 50335—2002《污水再生利用工程設(shè)計規(guī)范》中再生水用作循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求, 并滿足機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行工況(濃縮倍率為6.0)的要求。 設(shè)計進出水水質(zhì)見表1。

      表1 設(shè)計進出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

      2 廢水處理工藝

      廢水末端處理技術(shù)主要有膜法和熱濃縮法。 傳統(tǒng)的膜法技術(shù)相對成熟可靠, 工程應(yīng)用較多, 但是其軟化處理要求高, 加藥量大, 運行費用偏高, 一般適合處理低鹽廢水。 熱法濃縮工藝投資相對較高, 設(shè)備折舊高, 但是無需預(yù)處理, 維護費較低,若利用余熱煙氣作為熱源可降低運行成本[15]。 結(jié)合該廠實際情況, 原鍋爐煙氣濕度設(shè)計值為18%, 實際已經(jīng)超過40%, 接近飽和濕度, 同時考慮原鍋爐設(shè)備的安全穩(wěn)定運行, 盡量減小改造對原系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)水影響, 故設(shè)計采用膜法工藝作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水深度處理系統(tǒng)的改造工藝。 膜法工藝分為預(yù)處理和濃縮2 個階段, 工藝流程見圖1。

      圖1 工藝流程Fig. 1 Process flow

      2.1 預(yù)處理工藝

      預(yù)處理工藝采取NaOH-Na2CO3軟化法+沉淀過濾工藝, 排污水進入調(diào)節(jié)池, 由自吸泵將廢水輸送至高效澄清器, 通過在高效澄清器混合池添加30%NaOH, 絮凝池添加10%Na2CO3, 沉淀池出口添加30% 鹽酸, 降低廢水的總硬度、 二氧化硅和有機物濃度, 調(diào)節(jié)出水pH 值。 處理后廢水溢流至清水箱, 經(jīng)泵輸送至多介質(zhì)過濾器, 將廢水中的懸浮物等過濾除去, 降低濁度。 出水進入超濾原水箱, 通過泵輸送至超濾裝置進行后續(xù)處理[16-18]。 高效澄清器沉降污泥通過污泥泵輸送至污泥緩沖池,由污泥脫水機進行泥水分離處理。

      2.2 濃縮處理工藝

      濃縮處理工藝采用雙膜法(超濾+反滲透)進行脫鹽濃縮, 預(yù)處理后的中間水進入超濾原水箱,由超濾水泵輸送進入超濾系統(tǒng)進行處理, 主要去除水中部分膠體、 大顆粒物質(zhì)、 細菌和病毒等,經(jīng)過超濾處理后出水SDI ≤3。 超濾產(chǎn)水進入超濾產(chǎn)水箱, 由反滲透高壓泵輸送至反滲透膜裝置進行處理, 反滲透產(chǎn)水回用于電廠工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補水, 濃水用于拌干渣。

      3 主要處理系統(tǒng)及設(shè)計參數(shù)

      (1) 調(diào)節(jié)池。 設(shè)計2 座, 尺寸均為11 300 mm×7 000 mm×3 800 mm, 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 總?cè)莘e為600 m3; 設(shè)廢水提升泵2 臺, 1 用1 備, 單臺流量為20 m3/h。

      (2) 高效澄清器。 設(shè)計1 臺, 處理水量為20 m3/h, 其中, 混凝池和絮凝池尺寸均為1 200 mm×1 200 mm × 5 000 mm, 中心導(dǎo)流筒尺寸為φ700 mm×2 700 mm, 澄清池尺寸為φ2 500 mm×5 000 mm, 中心導(dǎo)流筒尺寸為φ500 mm×3 140 mm, 主體材質(zhì)為碳鋼襯膠防腐。 配套設(shè)置NaOH、Na2CO3、 凝聚劑、 助凝劑和鹽酸加藥裝置。

      (3) 多介質(zhì)過濾器。 設(shè)計2 套, 1 用1 備, 單套出力為20 m3/h, 每套由6 個罐體組成, 罐體尺寸為φ750 mm×2 680 mm, 濾料采用石英砂、 無煙煤、 火山礫填充高度分別為600、 400、 200 mm,布水區(qū)配材質(zhì)為ABS 的水帽, 濾速設(shè)計為9 m/h。正常運行期間, 多介質(zhì)過濾器反洗閥保持常閉,當(dāng)運行時間累積超過2 h 時系統(tǒng)自動反洗, 反洗時間為5 min。

      (4) 超濾系統(tǒng)。 設(shè)超濾原水箱1 個, 尺寸為φ3 000 mm×4 000 mm, 容積為25 m3, 停留時間為1.25 h, 主體材質(zhì)為碳鋼襯膠防腐; 超濾裝置1 套,6 支膜組成, 設(shè)計凈出力為15 m3/h, 超濾膜型號UNA-620AB, 屬于立式外壓膜, 單根膜組件有效膜面積為65 m2, 系統(tǒng)回收率為90%; 超濾產(chǎn)水箱1個, 尺寸為φ2 500 mm×3 300 mm, 容積為15 m3,停留時間為1 h, 主體材質(zhì)為碳鋼襯膠防腐。 配超濾水泵2 臺, 1 用1 備, 單臺流量為20 m3/h。 配超濾反洗水泵2 臺, 1 用1 備, 單臺流量為15 m3/h。

      (5) 反滲透系統(tǒng)。 設(shè)計出力為15 m3/h。 設(shè)反滲透裝置1 套, 采用PROC10 反滲透膜膜元件24支, 單支膜面積為37.1 m2, 膜元件排列比為3 ∶2 ∶1, 系統(tǒng)回收率為87%; 設(shè)淡水箱1 個, 容積為25 m3, 停留時間為1.9 h, 主體材質(zhì)為碳鋼襯膠防腐。配反滲透給水泵2 臺, 1 用1 備, 單臺流量為20 m3/h。 配反滲透沖洗水泵2 臺, 1 用1 備, 單臺流量為15 m3/h。 反滲透裝置啟動前先用產(chǎn)水沖洗3 min、 正洗1 min 后開始產(chǎn)水, 系統(tǒng)停止運行后自動啟動反滲透沖洗水泵進行低壓反洗, 時間為3 min。 當(dāng)系統(tǒng)運行一段時間后, 通常為3~6 個月,出現(xiàn)脫鹽率下降或反滲透壓升高等現(xiàn)象, 需對膜進行化學(xué)清洗, 一般按照脫鹽率下降至設(shè)計值的85%以下進行化學(xué)清洗。

      (6) 控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用DCS 控制系統(tǒng), 設(shè)置就地和遠程控制2 種控制方式, 主要設(shè)備有操作員站、 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)備、 過程控制站、 盤柜及其他系統(tǒng)設(shè)備。 DCS 系統(tǒng)設(shè)計具有數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理和自診斷功能, 系統(tǒng)具備步序啟動邏輯, 可實現(xiàn)系統(tǒng)全程自動控制。 控制系統(tǒng)主要功能包括: 單體設(shè)備聯(lián)鎖啟動和停止、 超濾自動正反洗、 反滲透自動正反洗、 超濾急停順控、 反滲透急停順控、 系統(tǒng)步序啟動、 設(shè)備重要參數(shù)實時監(jiān)視和報警、 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視等。

      4 工程運行效果

      工程調(diào)試期間因排污水濁度較低, 預(yù)處理添加助凝劑量偏大, 對后續(xù)的膜表面容易造成污染, 調(diào)試后期通過減少助凝劑的添加量, 保證了后續(xù)膜處理工藝的穩(wěn)定運行, 實際運行過程需要根據(jù)廢水濁度調(diào)節(jié)加藥量。 另外, 末端反滲透處理產(chǎn)生的高鹽濃水2 m3/h, 因用于干渣拌濕的消耗量偏少, 剩余需要重新設(shè)計增加管路, 送至燃料堆場噴淋消耗。該系統(tǒng)調(diào)試運行正常后, 出水水質(zhì)穩(wěn)定, 運行期間主要系統(tǒng)設(shè)備性能指標(biāo)如表2 所示, 滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

      表2 主要設(shè)備性能指標(biāo)Tab. 2 Performance indexes of main equipments

      工程改造前全廠平均取水量為303 m3/h, 按全年運行7 380 h 計算, 單位發(fā)電取水量為3.03 m3/(MW·h), 采取深度節(jié)水措施和末端處理改造運行后取水量為251.9 m3/h, 單位發(fā)電量取水量為2.519 m3/(MW·h), 減少取水量為51.1 m3/h, 減少排污量為68 m3/h, 實現(xiàn)循環(huán)水零排放。

      5 投資及運行成本

      該工程總投資為1 852 萬元。 按照機組年利用7 380 h 計算, 年運行成本不考慮設(shè)備折舊費以及新增人員工資福利, 總成本費用為269.57 萬元,其中電費97.00 萬元, 藥劑費133.57 萬元, 設(shè)備維護費39.00 萬元, 按設(shè)計水量15 m3/h 計算, 全年處理廢水量為11.07 萬m3, 折算每噸廢水處理成本約為24.4 元。

      6 結(jié)語

      (1) 該工程實踐表明, 對于生物質(zhì)發(fā)電機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水的零排放處理, 選取NaOH-Na2CO3軟化預(yù)處理和超濾-反滲透膜法濃縮工藝是可行的, 系統(tǒng)運行穩(wěn)定, 出水水質(zhì)達到設(shè)計指標(biāo), 滿足循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水處理和回用水質(zhì)要求。

      (2) 預(yù)處理階段選擇NaOH-Na2CO3軟化預(yù)處理工藝可有效去除廢水中致垢離子, 運行穩(wěn)定性高, 出水水質(zhì)穩(wěn)定, 自動化程度高, 管理維護方便, 此外, 系統(tǒng)設(shè)備占地面積小, 高效澄清器反應(yīng)效率高, 可有效降低藥劑投加量, 藥劑費用較低。

      (3) 濃縮階段采用超濾-反滲透膜法濃縮工藝系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較好, 適合生物質(zhì)發(fā)電機組循環(huán)冷卻系統(tǒng)水排污水含鹽量低的水質(zhì), 產(chǎn)水可直接進行回用, 投資及運行費用均較低。

      (4) 針對濁度低的廢水, 助凝劑的添加量應(yīng)根據(jù)水質(zhì)變化情況進行調(diào)整, 避免對后續(xù)的超濾膜、 反滲透膜造成污染, 保證膜處理系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。

      (5) 針對該工程濃縮后產(chǎn)生的高鹽廢水消耗途徑單一、 消耗量低的特點, 設(shè)計時應(yīng)考慮增加不同途徑消耗高鹽廢水。

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