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

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。