電廠濃鹽水回用及零排放設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用

鄭云慶，王 維，李 偉，范小光，蔣惠義，梁義生

(1.華潤(rùn)電力(滄州運(yùn)東)有限公司，河北 滄州 061007；2.北京永新環(huán)保有限公司，北京 101100)

火電行業(yè)每年的耗水量和排水量巨大，2018年全國(guó)火電廠耗水總量接近60億t，廢水排放量約為2.7億t[1]。因此在火電廠水資源的分質(zhì)梯級(jí)利用是節(jié)水的重要措施。燃煤電廠作為火電廠的主力軍，占總發(fā)電量的64.1%，是廢水的主要排放來(lái)源[2]，其包括煙氣濕法脫硫排放的脫硫廢水、循環(huán)水系統(tǒng)排放的污水以及鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)產(chǎn)生的高鹽水等。上述廢水的回用再利用及零排放更符合現(xiàn)代綠色發(fā)展理念，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和具有一定意義。

燃煤電廠廢水回用及零排放包括預(yù)處理階段、回用濃縮階段和零排放階段等三個(gè)主要部分。預(yù)處理技術(shù)主要是軟化、多介質(zhì)過(guò)濾和膜過(guò)濾(微濾、超濾和納濾)等[3]?；赜脻饪s技術(shù)主要是反滲透(RO/DTRO)[4-5]、正滲透(FO)[4-5]、電滲析(ED)[4-5]和MVC[6]。零排放技術(shù)主要有多效蒸發(fā)技術(shù)(MED)、蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)(MVR)、煙道霧化蒸發(fā)技術(shù)[7]和旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)[7]等[5，8]。文章根據(jù)滄州某電廠工程實(shí)例詳細(xì)介紹濃鹽水回用及零排放技術(shù)。

1 水量水質(zhì)

1.1 原水水量和水質(zhì)

電廠濃鹽水來(lái)自鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)中濃水反滲透設(shè)備排放的濃水，設(shè)計(jì)處理水量31 m3/h。設(shè)計(jì)濃鹽水原水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Raw water quality

1.2 出水水量和水質(zhì)

經(jīng)濃鹽水回用及零排放系統(tǒng)處理后，產(chǎn)水回用，水質(zhì)要求滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：pH值6～9，TDS≤300 mg/L。結(jié)晶鹽指標(biāo)達(dá)到《工業(yè)鹽》(GB/T5462-2015)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精制工業(yè)鹽干鹽一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。滿足如下指標(biāo)：氯化鈉≥98.5%，水分≤0.5%，水不溶物≤0.1%，鈣鎂離子≤0.4%，硫酸根≤0.5%。

2 工藝流程

工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程Fig.1 The process flow

3 工藝設(shè)計(jì)和主要設(shè)備

工程主要分為預(yù)處理階段、回用濃縮階段、零排放階段三個(gè)部分。

3.1 預(yù)處理階段

(1)緩沖水箱。主要是調(diào)節(jié)水量、儲(chǔ)水調(diào)蓄的作用。數(shù)量1個(gè)，碳鋼防腐材質(zhì)，有效容積1 000 m3，配套2臺(tái)提升泵。

(2)綜合池。主要是去除濃鹽水中的二氧化硅、硬度和COD。其中氧化反應(yīng)池有效容積40 m3，脫氣池有效容積60.9 m3，澄清沉淀池表面負(fù)荷1 m3/m2·h，加藥區(qū)配套攪拌機(jī)，澄清沉淀池配套中心傳動(dòng)刮泥機(jī)。

在氧化反應(yīng)加藥區(qū)投加鹽酸、氯化亞鐵和雙氧水，其中投加鹽酸控制pH值在3～4之間，氯化亞鐵投加量為210 mg/L，雙氧水投加量為300 mg/L；氧化反應(yīng)池出水自流至pH值調(diào)節(jié)池，并投加氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值為11。經(jīng)脫氣后向混凝池和絮凝池中分別投加PAC 60 mg/L和PAM 2 mg/L，再流經(jīng)澄清沉淀池實(shí)現(xiàn)固液分離，清水流入清水池。出水COD去除率52%左右，硅去除率90%左右，硬度去除率95%左右。

(3)錳砂過(guò)濾器。主要功能是去除水中懸浮物和鐵。錳砂過(guò)濾器2臺(tái)、碳鋼襯膠材質(zhì)、直徑2.6 m、錳砂填充高度1 m。設(shè)計(jì)氣反洗強(qiáng)度16 L/m2·s、水反洗強(qiáng)度10 L/m2·s，配套錳砂提升泵3臺(tái)和2臺(tái)反洗泵、3臺(tái)反洗風(fēng)機(jī)。

(4)超濾系統(tǒng)。主要作用是截留水中的膠體和懸浮物和熱敏性物質(zhì)，超濾產(chǎn)水濁度≤1 NTU。超濾和錳砂過(guò)濾器串聯(lián)，共用同一進(jìn)水泵，設(shè)置過(guò)濾精度100 μm的自清洗過(guò)濾器1臺(tái)于超濾前以保護(hù)超濾膜，超濾裝置2套。超濾膜設(shè)計(jì)運(yùn)行通量為50 L/m2· h，單套7支膜，總體回收率≥90%。反洗頻率為30 min，酸化學(xué)加強(qiáng)反洗頻率為72 h，堿化學(xué)加強(qiáng)反洗頻率為24 h，氣擦洗強(qiáng)度8 m3/h，水反洗強(qiáng)度100 L/m2·h，設(shè)計(jì)化學(xué)清洗頻率為30 d。超濾配套反洗泵2臺(tái)，化學(xué)清洗裝置和酸、堿、次氯酸鈉加藥裝置各1套。

(5)離子交換器。主要目的是去除水中硬度，產(chǎn)水經(jīng)脫碳器后進(jìn)入水箱。設(shè)置順流弱酸陽(yáng)床2臺(tái)(1用1備)，碳鋼襯膠材質(zhì)、直徑1.8 m，陽(yáng)離子交換樹脂裝填高度為1.7 m，再生周期72 h。設(shè)計(jì)再生流速3 m/h、反洗膨脹率100%。配套1 m3酸堿計(jì)量箱、酸堿噴射器各1臺(tái)，2臺(tái)再生水泵、弱酸陽(yáng)床給水泵2臺(tái)等。

3.2 回用濃縮階段

(1)ED裝置。ED是具有選擇透過(guò)性的離子交換膜交替布置在陰陽(yáng)極之間，在直流電場(chǎng)力作用下，水中陰、陽(yáng)離子定向遷移，形成了離子濃度減少的淡室和離子濃度增加的濃室且交替排列[9]。ED可以實(shí)現(xiàn)高倍率的濃縮，影響ED效果的因素有膜對(duì)電壓(電流密度)、膜面流速(循環(huán)流量)和進(jìn)水鹽濃度等，倒極可有效緩解膜結(jié)垢污染[10-11]。電滲析裝置設(shè)置2套，膜對(duì)數(shù)1 200對(duì)/套，單套處理量20 m3/h，有效膜面積2 052 m2/套。配套濃縮液循環(huán)泵2臺(tái)，脫鹽液循環(huán)泵2臺(tái)，陰極液和陽(yáng)極液泵各2臺(tái)。

(2)反滲透裝置。反滲透技術(shù)能在常溫下進(jìn)行，安全可靠、系統(tǒng)脫鹽率高，出水穩(wěn)定且能耗低，廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域[12]。反滲透裝置前設(shè)置過(guò)濾精度5 μm的保安過(guò)濾器2臺(tái)，反滲透裝置設(shè)2套。反滲透膜采用抗污染膜24支、海水淡化膜24支，設(shè)計(jì)通量≤12.5 L/m2· h，回收率75%左右，脫鹽率≥97%。選用6芯600PSI膜殼4支、1 000 PSI膜殼4支，單套一級(jí)2段設(shè)計(jì)，1 ∶ 1排列。配套化學(xué)清洗裝置1套，反滲透沖洗水泵2臺(tái)，還原劑、阻垢劑、非氧化殺菌劑加藥裝置各1套。

3.3 零排放階段

(1)MVR蒸發(fā)結(jié)晶裝置。MVR系統(tǒng)最關(guān)鍵的在于蒸汽壓縮機(jī)。當(dāng)物料沸點(diǎn)升高值過(guò)大，為保證正常蒸發(fā)，需要提高壓縮機(jī)出口蒸汽溫度來(lái)克服沸點(diǎn)升高的影響，使得系統(tǒng)能耗過(guò)高[13]。ED系統(tǒng)濃水經(jīng)換熱升溫后進(jìn)入循環(huán)管，通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)泵在加熱室和蒸發(fā)室中不斷循環(huán)，此過(guò)程水分蒸發(fā)、濃鹽漿變成過(guò)飽和狀態(tài)，鹽結(jié)晶從溶液中析出。當(dāng)漿液密度達(dá)到一定值時(shí)從鹽角排放部分漿液至離心機(jī)進(jìn)行固液分離，離心母液收集在母液罐內(nèi)返回蒸發(fā)器。蒸汽與物料換熱后進(jìn)入冷凝水罐。運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 MVR主要運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Main operating parameters of MVR

設(shè)置加熱室1臺(tái)、蒸發(fā)室1臺(tái)、氣液分離器1臺(tái)、強(qiáng)制循環(huán)泵1臺(tái)、MVR進(jìn)水泵2臺(tái)、MVR壓縮機(jī)1臺(tái)和離心機(jī)1臺(tái)，同時(shí)還配套冷凝、事故和母液泵等、換熱器、除霧器和加藥裝置等。

(2)干燥包裝裝置。離心脫水后的結(jié)晶鹽通過(guò)流化床干燥器干燥，含水率≤0.5%，干燥后的結(jié)晶鹽去包裝機(jī)包裝成袋。干燥尾氣經(jīng)兩級(jí)濕式除塵器凈化后排放。產(chǎn)品鹽成分見(jiàn)表3。

表3 產(chǎn)品鹽成分Tab.3 Product salt composition

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

依據(jù)電廠濃鹽水的特點(diǎn)，采用硅、硬度和有機(jī)物三同步去除技術(shù)，即在同一構(gòu)筑物內(nèi)、同一過(guò)程同時(shí)去除水中有機(jī)物、硅和硬度。在酸性條件下雙氧水在氯化亞鐵的催化作用下生成羥基自由基氧化廢水中有機(jī)物，后續(xù)在堿性條件下氯化亞鐵與水中硅發(fā)生復(fù)雜的絡(luò)合、攜帶包覆等共同作用下除去水中硅，而鈣鎂等硬度與水中堿度反應(yīng)生成沉淀而去除。同步除硅、硬度和有機(jī)物技術(shù)節(jié)省占地面積和設(shè)備投資，不僅在預(yù)處理階段降低了水中硅和硬度含量同時(shí)也降低了COD，避免了后續(xù)電滲析(ED)、反滲透單元的膜結(jié)垢污堵和有機(jī)物污染。工藝前端除有機(jī)物不同于濃縮后再除有機(jī)物，優(yōu)勢(shì)是前端廢水鹽含量相對(duì)較低，對(duì)高級(jí)氧化技術(shù)處理效果的影響相對(duì)較小。圖2為硅、硬度和COD去除率隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。

圖2 硅、硬度和COD去除率Fig.2 Silicon, hardness and COD removal rate

5 運(yùn)行效果

該工程自投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行狀態(tài)良好、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。運(yùn)行過(guò)程中部分檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，從表4可以看出弱酸陽(yáng)床出水硬度為0 mg/L、反滲透產(chǎn)水TDS為78.20 mg/L，反滲透產(chǎn)水滿足回用標(biāo)準(zhǔn)要求。鹽品質(zhì)達(dá)到《工業(yè)鹽》標(biāo)準(zhǔn)精制工業(yè)鹽干鹽一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 運(yùn)行期間水質(zhì)數(shù)據(jù)Tab.4 Water quality data during operation mg·L-1

6 運(yùn)行費(fèi)用

直接運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)和藥劑費(fèi)。預(yù)處理和回用濃縮階段噸水電耗為31.43 kW·h/m3，按電價(jià)0.5元/kW·h計(jì)，噸水電費(fèi)為15.72元/m3；零排放階段噸水電耗為84.81 kW·h/m3，則噸水電費(fèi)為42.41元/m3；雙氧水、氯化亞鐵、鹽酸、氫氧化鈉、PAC、PAM、次氯酸鈉、還原劑、阻垢劑、殺菌劑和消泡劑等藥劑合計(jì)噸水費(fèi)用為6.58元/m3。

7 結(jié)論

工程采用預(yù)處理-ED-蒸發(fā)結(jié)晶工藝處理電廠濃鹽水，實(shí)現(xiàn)廢水零排放。反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率平均約為146 us/cm，滿足回用水要求。結(jié)晶產(chǎn)品鹽品質(zhì)可得到保障，達(dá)到《工業(yè)鹽》(GB/T5462-2015)標(biāo)準(zhǔn)中精制工業(yè)鹽干鹽一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。期望其穩(wěn)定的運(yùn)行效果對(duì)同類廢水的處理具有參考價(jià)值。