火電廠脫硫廢水零排放研究和實施分析

王勝虎

（國能陳家港發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224631）

0 引言

隨著國家對于工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格，部分地區(qū)要求火電廠實現(xiàn)廢水零排放，新建的電廠將不在預(yù)留排污口。廢水零排放是一種理想的閉環(huán)用水系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的水循環(huán)使用或?qū)U水處理后回用，不向外排放廢水[1]。這種對水資源的優(yōu)化利用要求火電廠對不同環(huán)節(jié)、不同工況的廢水進(jìn)行分析，利用先進(jìn)的水處理技術(shù)，將廢水處理達(dá)到能夠重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而實現(xiàn)廢水零排放。這將是火電廠節(jié)水減排，推動可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向[2]。

國外廢水零排放研究以美國GE、aquatech 等公司為代表，通過高含鹽廢水的蒸發(fā)結(jié)晶等核心工藝，于20 世紀(jì)70 年代著手研發(fā)應(yīng)用，實際涉及應(yīng)用的包括造紙、化工、電力等眾多領(lǐng)域。美國德克薩斯州的兩座燃?xì)怆姀S應(yīng)用GE公司的鹽水濃縮和結(jié)晶處理工藝來處理循環(huán)冷卻水，其回用率超過98%[3]。

當(dāng)前廢水零排放的核心技術(shù)主要在于蒸發(fā)結(jié)晶工藝。其中，鹽濃縮包括熱法蒸發(fā)濃縮和膜發(fā)濃縮，熱濃縮主要有MED 多效蒸發(fā)技術(shù)和MVR 機(jī)械蒸汽壓縮蒸發(fā)技術(shù)[4]；而膜法濃縮則主要有正滲透、反滲透、電滲析和膜蒸餾等方法[5]。當(dāng)前國內(nèi)火電廠廢水零排放因技術(shù)仍不是很成熟，尚處于逐步興起階段。真正實施火電廠廢水零排放的主要包括3 家電廠：河源電廠、三水恒益電廠以及長興電廠。廣東河源電廠采用的是“二級預(yù)處理+多效蒸發(fā)結(jié)晶”工藝，整套系統(tǒng)投資達(dá)9750 萬元，于2009 年投入運(yùn)行，是國內(nèi)第一家真正意義上實現(xiàn)廢水零排放的電廠。其預(yù)處理系統(tǒng)采用“兩級反應(yīng)+沉淀、澄清”處理工藝[6]。

三水恒益電廠應(yīng)用的廢水零排放技術(shù)是“兩級臥式機(jī)械蒸汽再壓縮+兩級多效蒸發(fā)”工藝，總投資達(dá)6000 萬元。華能長興電廠廢水零排放系統(tǒng)于2015 年4 月投運(yùn)，其工藝系統(tǒng)由預(yù)處理、膜濃縮以及蒸汽壓縮蒸發(fā)結(jié)晶等工藝組成，總投資達(dá)8000 萬元[7]?；痣姀S實施廢水零排放工藝后，末端產(chǎn)生的廢水量較少，2×600MW 的機(jī)組末端廢水總量約22m3/h；末端高鹽廢水處理設(shè)備投資的費(fèi)用比較高，每噸廢水在300 萬元～400 萬元左右，相比正常運(yùn)行而言，費(fèi)用每噸要高出100 元。所以火電廠應(yīng)用廢水零排放技術(shù)將會帶來較大的經(jīng)濟(jì)壓力，這為技術(shù)創(chuàng)新帶來了新的需求[8]。

本文結(jié)合某電廠脫硫廢水零排放設(shè)計原則，提出了“軟處理+膜濃縮處理+蒸發(fā)結(jié)晶”的廢水零排放處理工藝措施，并結(jié)合全廠當(dāng)前各系統(tǒng)DCS 控制情況，對脫硫廢水零排放系統(tǒng)整體DCS 控制策略和具體順序控制步序進(jìn)行了設(shè)計。

1 脫硫廢水系統(tǒng)分析

內(nèi)蒙古某電廠1 號機(jī)組和2 號機(jī)組脫硫系統(tǒng)都是使用的石灰石-石膏濕法脫硫工藝。兩個機(jī)組脫硫廢水量的理論設(shè)計值是6m3/h，系統(tǒng)最大出力為10.48m3/h，已釆用“中和（堿化）+絮凝+澄清”方案投運(yùn)。原脫硫系統(tǒng)設(shè)置有三聯(lián)箱、澄清器、清水池、板框壓濾機(jī)等設(shè)備。主要流程如圖1 所示。

圖1 原脫硫廢水系統(tǒng)處理流程Fig.1 Treatment process of the original desulfurization wastewater system

2 脫硫廢水零排放系統(tǒng)工藝流程設(shè)計原則

根據(jù)火電廠末端脫硫廢水的水質(zhì)和水量特點，脫硫廢水零排放系統(tǒng)工藝設(shè)計流程應(yīng)優(yōu)先考慮如下原則：一是盡最大可能實現(xiàn)脫硫廢水的脫鹽處理和回收利用；二是將固體廢棄物的排放量降至最低；三是將脫硫廢水進(jìn)行軟化預(yù)處理后的污泥實行分質(zhì)處理與綜合利用，并將氯化鈉與硫酸鈉進(jìn)行分離，達(dá)到循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目的；四是盡可能使用膜濃縮處理技術(shù)對脫硫廢水進(jìn)行濃縮減量處理。此技術(shù)能最大程度地降低蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的建造規(guī)模，減少投資和降低運(yùn)行成本。最后是要將脫硫廢水水質(zhì)和水量的波動給系統(tǒng)運(yùn)行帶來的影響考慮充分，對系統(tǒng)整體、各單元運(yùn)行及控制方式進(jìn)行優(yōu)化，保證脫硫廢水零排放系統(tǒng)可以根據(jù)水質(zhì)和水量的波動實行靈活調(diào)整，從而實現(xiàn)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，并盡可能降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，脫硫廢水排放參數(shù)要求見表1。

表1 脫硫廢水排放參數(shù)Table 1 Desulfurization wastewater discharge parameters

3 脫硫廢水零排放處理技術(shù)

3.1 脫硫廢水零排放處理工藝

脫硫廢水零排放系統(tǒng)是電廠水系統(tǒng)內(nèi)具有相對獨(dú)立功能的部分，其主要用途是對現(xiàn)有脫硫廢水系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用蒸汽進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶后達(dá)到全廠廢水零排放目的，同時結(jié)晶出的鹽作為工業(yè)鹽產(chǎn)品。

根據(jù)第2 節(jié)的脫硫廢水零排放系統(tǒng)工藝設(shè)計原則，確定采取的脫硫廢水零排放系統(tǒng)方案為“軟化預(yù)處理+膜濃縮處理+蒸發(fā)結(jié)晶干燥-零排放”工藝，工藝流程如圖2所示。

圖2 脫硫廢水零排放處理工藝流程Fig.2 Zero discharge treatment process flow of desulfurization wastewater

如圖2 所示，脫硫廢水深度處理分為3 段處理（軟化預(yù)處理、膜濃縮處理、蒸發(fā)結(jié)晶處理）。

第1 段為軟化預(yù)處理段。其核心技術(shù)是機(jī)械沉降+膜強(qiáng)化軟化（TMF），主要作用是除掉脫硫廢水中的懸浮物和鈣鎂離子，保證后端膜濃縮系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行，從而實現(xiàn)分鹽處理并對高品質(zhì)工業(yè)鹽和高品質(zhì)石灰石漿液進(jìn)行回收利用，以使固體廢物排放量盡可能降低。

第2 段為膜濃縮處理段。其核心技術(shù)是納濾（SCNF）+高壓反滲透（UHPRO），此工藝段主要是對一價離子和二價離子進(jìn)行分離，并對脫硫廢水濃縮實行減量處理，從而利用高鹽廢水反滲透膜的脫鹽作用，達(dá)到截留脫硫廢水中鹽至濃鹽水中的目的。

第3 段為蒸發(fā)結(jié)晶干燥段（MVR）。其使用的蒸發(fā)結(jié)晶段主體工藝——MVR 結(jié)晶器是最能夠節(jié)約能源的，蒸發(fā)出的結(jié)晶鹽通過離心機(jī)出鹽后，將由全自動結(jié)晶鹽打包封裝，最終的產(chǎn)品是純度高于93.3%的氯化鈉，達(dá)到了二級工業(yè)濕鹽的標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)了固體廢物的綜合利用和減量處理。

3.2 脫硫廢水零排放控制

脫硫廢水零排放控制系統(tǒng)采用DCS 控制，程控機(jī)柜、電源柜均布置在脫硫廢水零排放電子設(shè)備間內(nèi)，控制系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)，運(yùn)行人員在該控制系統(tǒng)的操作員站上實現(xiàn)對脫硫廢水零排放控制系統(tǒng)各工藝系統(tǒng)（包括預(yù)處理系統(tǒng)、蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)、加藥等子系統(tǒng)）的所有被控對象進(jìn)行監(jiān)控，包括設(shè)備啟?？刂?，閥門打開關(guān)閉操作、設(shè)備啟停狀態(tài)、閥門已開已關(guān)狀態(tài)、遠(yuǎn)方/就地切換狀態(tài)和主要工藝參數(shù)的監(jiān)視，并完成設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)。即：

1）脫硫廢水零排放控制系統(tǒng)釆用以微處理器為基礎(chǔ)的過程控制器（DPU）進(jìn)行順序控制，順控邏輯設(shè)計符合工藝系統(tǒng)的控制要求。

2）控制系統(tǒng)對整個脫硫廢水零排放工藝系統(tǒng)實行集中監(jiān)視、管理和自動程序控制，同時在DCS 中設(shè)置必要的保護(hù)和閉鎖功能。

3）對于工藝系統(tǒng)內(nèi)所有的電動/氣動閥門、風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備，均可進(jìn)行程序（遠(yuǎn)方）控制及就地控制，對于氣動閥門還能在電磁閥箱上進(jìn)行控制，控制邏輯中提供必要的閉鎖手段。

脫硫廢水零排放控制系統(tǒng)DCS 操作員站，在DCS 操作員站上進(jìn)行監(jiān)控、歷史追憶、報警等功能。

脫硫廢水零排放系統(tǒng)所有設(shè)備釆用國電智深DCS 系統(tǒng)控制，集成設(shè)備控制采用PLC 設(shè)備，配置PLC 與DCS 硬接線連接，DCS 系統(tǒng)與PLC 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊，硬接線信號包括設(shè)備后停和緊急狀態(tài)跳閘指令、設(shè)備聯(lián)鎖指令、設(shè)備狀態(tài)和報警、電源故障等。

具體控制步序包括預(yù)處理單元、污泥脫水單元、管式膜系統(tǒng)、膜濃縮系統(tǒng)和蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的控制。其中，管式膜系統(tǒng)運(yùn)行要經(jīng)過采水、反洗、酸洗（包括清水排空、酸洗循環(huán)、浸泡、酸洗回流、清水沖洗）等3 個步驟。膜濃縮系統(tǒng)主要包括納濾系統(tǒng)和高壓反滲透系統(tǒng)，蒸發(fā)結(jié)晶蒸發(fā)前準(zhǔn)備（泵、閥啟動）、MVR 壓縮機(jī)啟動、蒸發(fā)結(jié)晶出鹽開始、蒸發(fā)結(jié)晶晶漿回流管道沖洗、蒸發(fā)結(jié)晶至稠厚罐沖洗、蒸發(fā)結(jié)晶鹽腿管道沖洗、蒸發(fā)結(jié)晶母液出口管道沖洗、蒸發(fā)結(jié)晶稠厚罐出口管道沖洗。

3.3 脫硫廢水零排放系統(tǒng)調(diào)試

脫硫廢水零排放系統(tǒng)調(diào)試包括預(yù)處理系統(tǒng)調(diào)試和納濾、高壓反滲透系統(tǒng)調(diào)試。

預(yù)處理系統(tǒng)主要由脫硫廢水調(diào)節(jié)池、管式膜三聯(lián)箱、殺菌劑加藥系統(tǒng)、堿液加藥系統(tǒng)、碳酸鈉加藥系統(tǒng)、鹽酸加藥系統(tǒng)、管式膜系統(tǒng)等部件組成，其調(diào)試包括滿水實驗、攪拌機(jī)試轉(zhuǎn)、預(yù)處理系統(tǒng)及加藥系統(tǒng)清洗和管式膜系統(tǒng)調(diào)試。而管式膜系統(tǒng)調(diào)試需先進(jìn)行系統(tǒng)沖洗和管式膜浸泡，隨后實施管式膜系統(tǒng)邏輯步序調(diào)試，如下：

1）管式膜系統(tǒng)的運(yùn)行與反洗、停機(jī)、酸洗、堿洗程序無法同時觸發(fā)，調(diào)試此邏輯步序。

2）管式膜系統(tǒng)共享反洗、停機(jī)資源，故多套管式膜運(yùn)行時，同時觸發(fā)反洗、停機(jī)時應(yīng)排序進(jìn)行，調(diào)試此邏輯步序。

3）當(dāng)其中任意一套或幾套管式膜系統(tǒng)進(jìn)行酸洗或者堿洗時，其余管式膜系統(tǒng)均無法觸發(fā)停機(jī)條件，調(diào)試此邏輯步序。

因管式膜系統(tǒng)步序復(fù)雜，聯(lián)鎖條件較多，故應(yīng)分別對3 套管式膜系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行、反洗、停機(jī)、酸洗、堿洗步序調(diào)試。

最后，待預(yù)處理加藥軟化系統(tǒng)各單元系統(tǒng)及管式膜系統(tǒng)調(diào)試正常后，可對整套系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)手動調(diào)試，即可對脫硫廢水系統(tǒng)進(jìn)行手動調(diào)試。通過手動切換管線閥門、手動啟停主管線動力泵、手動啟停藥劑投加泵、手動啟停攪拌曝氣系統(tǒng)，對軟化系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

納濾、高壓反滲透系統(tǒng)調(diào)試主要包括系統(tǒng)沖洗、安裝，如下：

a）在管式膜系統(tǒng)運(yùn)行制水后，開始沖洗納濾系統(tǒng)的進(jìn)水管道和壓力容器。沖洗時間約15min，取樣觀察無明顯雜質(zhì)后停泵。

b）打開壓力容器端蓋，人工拖布擦拭容器內(nèi)部，再用管式膜產(chǎn)水沖洗10min。

c）安裝結(jié)束后，啟動納濾供水泵，打開納濾進(jìn)水閥；啟動還原劑計量泵，打開納濾沖洗排放門，打開納濾產(chǎn)水排放門，沖洗納濾設(shè)備1h，然后進(jìn)行浸泡，之后再將浸泡水排掉。

d）試壓工作。啟動納濾供水泵，打開納濾進(jìn)水閥，打開納濾沖洗排放閥，打開納濾產(chǎn)水排放閥，啟動還原劑計量泵，沖洗約30min 后，啟動高壓泵，啟動阻垢劑計量泵，開始手動進(jìn)行試運(yùn)行。

同樣的方式對高壓反滲透設(shè)備進(jìn)行沖洗，安裝膜元件，浸泡。

3.4 脫硫廢水零排放系統(tǒng)故障處理

脫硫廢水零排放系統(tǒng)常見故障處理包括：蒸發(fā)量低故障處理（見表2）、壓縮機(jī)故障處理（見表3）、結(jié)晶蒸發(fā)裝置進(jìn)料少故障處理（見表4）、泵運(yùn)行故障處理（見表5）。

表2 蒸發(fā)量低故障處理Table 2 Troubleshooting for low evaporation capacity

表3 壓縮機(jī)故障處理Table 3 Compressor fault handling

表4 結(jié)晶蒸發(fā)裝置進(jìn)料少故障處理Table 4 Troubleshooting of insufficient feed in the crystallization evaporation device

表5 結(jié)晶蒸發(fā)裝置進(jìn)料少故障處理Table 5 Troubleshooting of insufficient feed in the crystallization evaporation device

4 結(jié)論

燃煤電廠是工業(yè)用水的第一大戶，通過廢水零排放的研究減少用水量，同時減少廢水污染物排放總量，對于走可持續(xù)發(fā)展道路有著現(xiàn)實而重要的意義。目前，廢水零排放技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用尚且較少，投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用較高。本文依據(jù)某電廠脫硫廢水零排放設(shè)計原則，提出了“軟化預(yù)處理+膜濃縮處理+蒸發(fā)結(jié)晶處理”的廢水處理工藝，并就脫硫廢水系統(tǒng)控制提出了整體的控制策略和具體的順序控制步序、廢水零排放系統(tǒng)的調(diào)試建議，最后對脫硫廢水零排放系統(tǒng)蒸發(fā)量低、壓縮機(jī)故障、結(jié)晶蒸發(fā)裝置進(jìn)料少、泵運(yùn)行故障等問題提出了解決建議，為電廠脫硫廢水零排放的研究和實施提供了參考。