燃氣電廠深度節(jié)水及零排放技術(shù)研究

郭 寧

(晉能控股電力集團嘉節(jié)燃氣熱電分公司)

0 引言

燃氣電廠的生產(chǎn)狀況與煤電廠全然不同, 因此前者在節(jié)水技術(shù)及零排放技術(shù)上的應(yīng)用也不能照搬后者。這主要是因為燃氣電廠廢水來源以反滲透濃水為主, 并非煤電廠的脫硫廢水, 反滲透濃水的水質(zhì)和回收利用空間都更理想, 貿(mào)然應(yīng)用脫硫廢水的處理工藝會大幅增加成本支出; 而燃氣電廠煙氣中幾乎沒有煙塵, 若應(yīng)用脫硫廢水的煙氣余熱干燥技術(shù), 會導(dǎo)致廢水中的鹽類蒸發(fā)結(jié)晶形成固體微小顆粒, 這些微小顆粒在管道及構(gòu)件上的附著會造成腐蝕。這意味著針對燃氣電廠節(jié)水及零排放技術(shù)的研究, 應(yīng)立足于燃氣電廠的生產(chǎn)特征、廢水特性及實際的工藝需求, 也就需要在相關(guān)技術(shù)研究過程中參考具體的燃氣電廠案例內(nèi)容, 以逐步驗證的策略確保相關(guān)技術(shù)研究的可靠性與有效性, 從而推進燃氣電廠深度節(jié)水及零排放技術(shù)的實現(xiàn)。

1 燃氣電廠實際案例

1.1 燃氣電廠概況

某燃氣電廠現(xiàn)配備了兩臺350MW 級單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組, 應(yīng)用的燃氣輪機為西門子廠牌下生產(chǎn)的V94.3 型燃氣輪機, 汽輪機為上海汽輪機公司生產(chǎn)的E-30 -25 -1 ×12.5 型凝汽式汽輪機。整個燃氣電廠用水系統(tǒng)包括化學(xué)水處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)及生活消防水系統(tǒng), 除循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用水源為中水外, 另兩組水系統(tǒng)應(yīng)用的水源均為自來水[1]。該燃氣電廠在夏季滿負荷運行狀況下的水平衡狀況如下圖1所示。

1.2 燃氣電廠耗水、排水狀況及存在的問題

已知該燃氣電廠平均單位發(fā)電量取水量為1.79m3/ (MW·h), 全廠外排水率達到42.7%, 而整座燃氣電廠三套系統(tǒng)耗水、排水水量則如下表1所示。

表1 全廠各系統(tǒng)耗水、排水水量表(m3/h)

結(jié)合燃氣電廠運行狀態(tài)及表1 中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 該燃氣電廠部分中水在未經(jīng)預(yù)處理的前提下直接補充入冷卻塔, 中水Cl-質(zhì)量濃度、堿度及硬度分別為157mg/L、5.4mmol/L 及6.2mmol/L, 滿足電廠要求循環(huán)水對Cl-的要求(質(zhì)量濃度≤1000mg/L、堿度≤8mmol/L、硬度≤19mmol/L), 然而當前該電廠循環(huán)水濃縮倍率被控制在2.5 倍以下, 倍率表現(xiàn)明顯偏低, 由此可見中水硬度及堿度成為影響循環(huán)水濃縮倍率的關(guān)鍵要素[2]。

另一方面, 電廠實際生產(chǎn)過程中的化學(xué)水系統(tǒng)工藝流程為生水-生水加熱器-盤式過濾器-超濾-保安過濾器-一級反滲透-二級反滲透-連續(xù)電除鹽。但在生產(chǎn)時包括盤式過濾器沖洗排水、一級反滲透弄排水及沖洗水、超濾反洗及正洗排水、連續(xù)電除鹽極水是在由地溝匯聚之后直接排入雨水系統(tǒng)中, 這就導(dǎo)致這些水體中的高低鹽未經(jīng)分離回收利用[3]。而廠區(qū)生活用水在匯聚后經(jīng)缺氧/好氧生物處理之后會直接排放至污水管網(wǎng), 未能重視這部分污水的回收利用, 且循環(huán)水排污水、RO 濃水及處理后的生活污水磷酸鹽含量分別為1.5mg·L-1、2.57mg·L-1與2.09mg·L-1,均超過GB 8978—1996 二級標準要求的1.0mg·L-1。

2 燃氣電廠深度節(jié)水及零排放技術(shù)應(yīng)用

2.1 整體方案設(shè)計

結(jié)合此燃氣電廠用水系統(tǒng)中存在的問題, 規(guī)劃方案時計劃新建水體預(yù)處理系統(tǒng), 新建的預(yù)處理系統(tǒng)需滿足提升循環(huán)水濃縮倍率的需求, 通過降低循環(huán)水補充水致垢性離子含量來減少電廠新鮮水需求量及外排水量; 針對全廠水系統(tǒng)缺乏廢水高低鹽分類回收的情況, 對已進行過生產(chǎn)的水體執(zhí)行高低鹽分類回收及分質(zhì)回用的措施, 將低鹽化學(xué)廢水與生活污水處理后加入循環(huán)水中; 循環(huán)水排污水及高鹽化學(xué)廢水則匹配逐級濃縮措施以減少高鹽廢水量, 針對少量末端高鹽廢水予以蒸發(fā)結(jié)晶處理, 最終實現(xiàn)全廠廢水零排放[4]。

2.2 原水預(yù)處理系統(tǒng)及化學(xué)水處理系統(tǒng)優(yōu)化

電廠所用中水碳酸鹽硬度為5.4mmol/L, 占中水總硬度87%, 需采用石灰軟化處理工藝, 具體操作為每升中水加入310mg 氫氧化鈣、15mg 聚合硫酸鐵、0.2mg 聚丙烯酰胺。采用該工藝后中水總磷、堿度、硬度、全硅及 COD 去除率分別達到93.20%、89.79%、53.45%、50.33%、32.52%, 整體表現(xiàn)較為理想, 經(jīng)計算后若原水預(yù)處理工藝中加入石灰軟化處理工藝, 則可將循環(huán)水濃度提升4.5 倍。該處理工藝成本較低, 且處理量越大獲得的效益越大, 對水質(zhì)、水量波動也有較強適應(yīng)性, 因而可以得到有效應(yīng)用[5]。而在化學(xué)水處理系統(tǒng)中由于盤式過濾器沖洗排水、超濾反洗及正洗排水、一級反滲透沖洗水與連續(xù)電除鹽極水含鹽量均較低, 僅有一級反滲透濃排水含鹽量較高, 因此可采用高低鹽分離方案, 將低鹽化學(xué)廢水及處理后的生活污水經(jīng)由原水預(yù)處理后加以回收利用。

2.3 匹配濃水減量系統(tǒng)

完成上一技術(shù)應(yīng)用后, 該燃氣電廠需要處理的廢水僅余循環(huán)水排污水與化學(xué)車間反滲透濃水, 由于燃氣電廠不存在可直接消耗濃水的脫硫、輸煤、除渣等工藝, 因此回收利用這部分濃水需要以脫鹽處理為前提, 結(jié)合表中數(shù)據(jù)及燃煤電廠運行狀況加以計算得知, 匹配的濃水減量系統(tǒng)需分別滿足循環(huán)水排污水113m3/h 與化學(xué)車間一級反滲透濃排水23m3/h 的需求。而在現(xiàn)有用于脫鹽處理的反滲透與電滲析兩種工藝中, 電滲析無法去除水中的非離子態(tài)物質(zhì), 會因這類物質(zhì)堆積導(dǎo)致循環(huán)水水質(zhì)進一步惡化, 因此推薦采用反滲透脫鹽工藝, 實際應(yīng)用中的關(guān)鍵在于保障該工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

首先是針對有機物的預(yù)處理。循環(huán)水中的有機物或來源于循環(huán)水補充水, 或來源于運行過程中投入的水質(zhì)穩(wěn)定劑: 前者中可生化降解的有機物由污水處理廠的生物處理工藝負責(zé), 殘留的不可降解有機物可生化性不足; 而后者作為化學(xué)合成藥劑, 也面臨著極高的生物降解難度。因此在生物處理成果不理想、高級氧化法藥劑成本高且存在風(fēng)險的情況下, 采用混凝澄清工藝執(zhí)行電廠循環(huán)水排污水的有機物預(yù)處理作業(yè)。

其次是針對致垢性離子的預(yù)處理。此工藝也被稱為除硬工藝, 具體方法包括石灰軟化、石灰-碳酸鈉聯(lián)合軟化、氫氧化鈉-碳酸鈉聯(lián)合軟化。結(jié)合該燃氣電廠的生產(chǎn)流程來看, 石灰軟化工藝無法滿足后續(xù)膜運行穩(wěn)定性的需求, 而石灰-碳酸鈉聯(lián)合軟化工藝雖可完全去除循環(huán)水硬度, 但會因為工藝中的石灰導(dǎo)致循環(huán)水Ca2+濃度上升, 并因此造成碳酸鈉加藥量增加致使成本上漲的情況, 綜合考量后決定應(yīng)用氫氧化鈉-碳酸鈉聯(lián)合軟化的工藝, 該工藝除控制難度較低之外, 運行狀況也更為理想。在實際應(yīng)用此工藝后反滲透回收率達到70%, 產(chǎn)水中可補充至冷卻塔的部分上升至93m3/h, 循環(huán)水濃縮倍率可提升至5.0 倍,濃水40m3/h 進入后續(xù)高鹽濃縮系統(tǒng)。

2.4 建設(shè)高鹽廢水濃縮蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)

濃水減量系統(tǒng)中反滲透產(chǎn)生的濃排水在含鹽量、氯離子含量、全硅、有機物等物質(zhì)上的指標均較高,需在經(jīng)歷過深度處理的前提下才可加以回收利用, 且這部分廢水若直接執(zhí)行蒸發(fā)結(jié)晶處理, 將產(chǎn)生高昂的投資及運行成本。在這種情況下國內(nèi)外慣例解決方法為采用成本整體較低的膜濃縮技術(shù), 通過膜濃縮技術(shù)減少這類廢水的蒸發(fā)結(jié)晶處理量, 來實現(xiàn)投資及運行成本的有效控制。

現(xiàn)有高含鹽廢水膜濃縮處理技術(shù)包括電驅(qū)動膜、

對于結(jié)晶蒸發(fā)環(huán)節(jié), 綜合考慮燃氣電廠經(jīng)濟狀況及生產(chǎn)規(guī)模之后, 可采用的方式包括多效蒸發(fā)與機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)兩種方式。就造價層面而言前者具有明顯優(yōu)勢, 但綜合運維、能耗及各方面成本考量之后,后者前期投資導(dǎo)致的成本支出可在后續(xù)運行費用節(jié)約下的部分中逐步回收, 因此案例中燃氣電廠綜合考量后應(yīng)用了機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)的方式來蒸發(fā)結(jié)晶。

綜合上述, 具體工藝完成后形成完整的高鹽廢水濃縮蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng), 整個工藝流程相對簡單, 僅包括軟化預(yù)處理——碟管式反滲透膜濃縮處理——蒸發(fā)結(jié)晶三個步驟, 實際投入應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)碟管式反滲透膜濃縮處理的處理量達到40m3/h, 回收率達到80%, 蒸發(fā)結(jié)晶處理量達到7m3/h。此工藝流程中形成的結(jié)晶鹽采取外運處置措施, 產(chǎn)生的水體則回收至冷卻塔用于改善循環(huán)水水質(zhì)。

3 技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)及評價

上述深度節(jié)水及零排放技術(shù)的應(yīng)用需以保證整個系統(tǒng)運行安全為前提, 在確保系統(tǒng)運行足夠穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上, 該燃氣電廠的用水系統(tǒng)得到全局性的優(yōu)化。該燃氣電廠實現(xiàn)深度節(jié)水及廢水零排放技術(shù)改造之后, 全廠生產(chǎn)過程中的新鮮取水量從1245m3/h 降至728m3/h, 單位發(fā)電取水量自1.79m3/ (MW·h)降至1.04m3/ (MW·h), 外排水量實現(xiàn)了零排放。在經(jīng)濟上雖然初期投資總計達到8338 萬元, 年運行費用達2171.6 萬元, 但每年節(jié)約取水費及排污費共計達到723.9 萬元。

4 結(jié)束語

此次針對燃氣電廠深度節(jié)水及零排放技術(shù)的研究加入了具體案例, 以充分提升研究的實際意義與價值。研究過程中充分證明了不同技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢, 最后則指出技術(shù)應(yīng)用在總成本上偏高的問題, 因此燃氣電廠在實際應(yīng)用深度節(jié)水及零排放技術(shù)的過程中, 可分階段進行技術(shù)應(yīng)用及建設(shè), 以減輕經(jīng)濟壓力并創(chuàng)造更理想的經(jīng)濟效益與社會效益。