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火电厂废水综合利用技术经济分析

北极星水处理网  来源:《环境与发展》  作者:渠慧英  2019/7/22 15:51:44  我要投稿  

北极星水处理网讯:摘要 : 水资源作为基础性和战略性的资源,对社会的可持续发展具有重要意义,国家对工业用水控制较为严格,所以,火力发电厂作为用 水大户,对电厂内各级废水的综合利用显得尤为重要。本文针对火力发电厂废水梯级利用做一个较为全面的技术经济比较,寻求减少取用新鲜水的途径,同时降低废水排放量;既减少了水资源的消耗,又减少了废水对环境的污染,对建设生态型环境可提供较大的贡献。

关键词 : 梯级利用;零排放;脱硫废水;废水特点分析

水资源作为基础性和战略性的资源,对社会的可持续发展具有重要意义,国家对工业用水控制较为严格,火力发电厂作为工业用水大户, 其用水量和排水量十分巨大。

1 火电厂主要废水系统

火电厂主要废水包括(辅机)循环水、排污水,锅炉补给水处理系统根据其不同的工艺流程会产生悬浮性废水、酸碱再生废水及反渗透排浓水,凝结水精处理系统再生废水,生活污水,含煤废水及脱硫废水等, 这些废水根据工艺特点进行分类收集和分质回用,实现梯级利用 [1]。通过水的梯级使用和循环利用,提高水的重复利用率,在对各类废水分类 收集和分质回用的基础上,提高废水回收率,少量难以回用的末端废水 进行蒸发结晶处理后进行回用,从而实现全厂废水“零排放”。

2 全厂废水梯级利用设计思路

通过对火电厂各类废水的水质特点进行分析可知,全厂废水主要可分为四大类,即悬浮性废水、高含盐量废水、生活污水及脱硫废水。悬浮性废水主要包括锅炉补给水处理系统过滤系统反洗排水、非经常性的空预器冲洗水、含煤废水、凝结水精处理系统除铁装置反洗废水等;高含盐量废水主要来自于(辅机)循环水排污水、锅炉补给水处理系统反渗透排浓水及离子交换器再生废水、凝结水精处理除盐系统再生废水非经常性锅炉酸洗废水等,生活污水主要是电厂生活用水排污水;悬浮 性废水通过工业废水集中处理系统经除浊处理后回用于循环水系统,高 含盐废水需除硬、脱盐处理回用于循环水系统或调整 pH 值后用于对水 质要求较低的系统,如脱硫系统、渣仓冲洗水、灰场喷洒水等 [2]。脱硫 废水的水质与脱硫工艺、烟气成分、灰及吸收剂、脱硫工艺用水的水质 等多种因素有关,与电厂其他废水差别较大,处理难度也较大,且处理 工艺中设备的设计条件和使用的药品也不同,故宜单独处理,且作为末 端处理。综上所述,废水的梯级利用流程见图 1。

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3 脱硫废水处理系统详述

脱硫系统作为末端用水点,其废水排放量直接关系全厂的废水排放水平,脱硫废水的消纳在发电厂一般主要用于灰库搅拌,但是,在干灰有综合利用途径时,脱硫废水无法消纳,或是由于废水梯级利用后,水质逐渐恶化,后续工艺难以利用,或者是废水本身水质较为恶劣,难以梯级利用,致使电厂还存在部分废水需要进一步处理;对于湿冷机组, 因废水排放量大,废水几乎不可能在厂内完全平衡,因而,脱硫废水的处理就显得尤为重要了,那么,脱硫废水系统如何选择,在技术性能满 足的前提下,经济性是系统选择的关键。

目前国内的技术方案主要是预处理 + 预浓缩 + 深度浓缩 + 结晶。 脱硫废水硬度含量高,总硬度有时可达上百毫摩尔每升,需要进行预处理软化,将脱硫废水主要阳离子为钠、镁、钙混合的杂盐体系转化为阳离子以钠离子为主的钠盐体系,钠盐的易溶性可有效防止后续浓缩处理 系统以及结晶设备结垢 [3]。脱硫废水预处理一般可采用以下方案:石灰 - 碳酸钠软化 - 沉淀池 - 过滤器处理工艺;石灰 - 碳酸钠软化 - 管式微滤膜处理工艺。 预浓缩系统目前广泛采用的是膜法,可采用电渗析工艺(ED)、 纳滤 (NF)+ 反渗透工艺、高效反渗透工艺等,使废水进一步浓缩,含盐量达到 50000~60000mg/L。

深度浓缩技术主要有膜法及热法,膜法有电渗析工艺(ED)、正渗透(FO)、碟管式反渗(DTRO)、纳滤 (NF) 等,热法主要有蒸发塘、 烟道雾化蒸发、多效强制循环蒸发系统(MED)、蒸汽机械再压缩蒸发(MVR)、低温常压蒸发技术(NED)等,使废水的盐分浓缩至约 100000~150000mg/L 左右,进入结晶器进行固液分离。

3.1 膜法浓缩技术论述

电渗析技术也是利用离子交换特性去除水中溶解类杂质的,电渗析 膜是由离子交换树脂制成,它实质上是离子交换树脂除盐的另一种形式, 按其选择透过性能分为阳膜和阴膜,用阳离子交换树脂制成的膜是阳膜, 用阴离子交换树脂制成的膜是阴膜,在直流电场作用下,利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性,使溶液中呈离子状态的溶质和溶剂分离的一种理化学过程,是膜分离技术的一种,进水水质要求低, 较低 TDS 可获得 >90% 回收率,COD 去除率低 , TDS 高时能耗高。

正渗透是一种利用膜两侧不同溶液的渗透压差作为驱动力,使得水能自发地从原料液一侧透过分离膜到达驱动液一侧,从而起到原料液脱水减量的过程 , 具有高回收率、低压运行、能耗低和抗污染等特点, 其最终浓缩液盐含量最高可达 20%,对进水水质要求较低,清洗周期较长。正渗透处理技术的进水浓度一般大于 5%,进水浓度太低则经济性较差。正渗透处理技术虽然具有一定的优势,但是其仍受制于具有选择 透过性的膜和高渗透压的驱动溶液这两个重要因素,正渗透膜两侧产生的渗透压差是正渗透过程能得以持续进行的驱动力,而汲取液的渗透压是决定这种驱动力大小的关键因素 [4]。理想的汲取液应具有高的渗透 压、能方便地与水分离、可以循环利用、无毒、高的稳定性等特点。汲取液主要有两个类型:无机汲取液和有机汲取液。无机汲取液主要为 NH4HCO3。NH4HCO3 在水中具有高的溶解度,可产生较高的渗透压, 获得较高的产水率。将稀释后的汲取液加热到 60℃,碳酸氢铵分解为 氨气和二氧化碳气体,采用蒸馏等方法从水产品中分离出来,然后再将 其重新溶解于水中得到铵盐汲取液,使其循环利用。在使用 NH4HCO3 作汲取液时,常常发生 NH4HCO3 溶解不完全,NH4HCO3 发生分解, 造成稳定性问题;而且在回收再生时很难做到 NH3 从产品水中全部去 除,可能会导致产品水中氨含量超过 2 mg/L。有机汲取液通常有 2- 甲 基咪唑类化合物、聚丙烯酸钠(PAA-Na)等聚合物。聚合物电解质溶液作为正渗透的汲取液具有高水通量、最低反向通量及易再生等优势。

DTRO 碟管式反渗透是反渗透的一种形式,是一种独特的膜分离 设备。碟管式膜组件采用开放式流道,膜组件两导流盘直接距离为 4mm,盘片表面有一定方式排列的凸点。这种特殊的力学设计使处理液 在压力作用下流经滤膜表面遇凸点碰撞时形成湍流,增加透过速率和自清洗功能,从而有效的避免了膜堵塞和浓差极化现象,成功地延长了膜片的使用寿命;清洗时也容易将膜片上的积垢洗净,保证碟管式膜组适 用于处理高浑浊度和高含沙系数的废水,适应恶劣的进水条件;是一种 应用于液体脱盐及净化的新型膜分离组件,其耐高压、抗污染特点十分 明显 , 在高浊度、高 SDI 值、高盐分、高 COD 的情况下,也能有效稳 定运行 , 是专门针对高浓度料液的过滤分离而开发的。

纳滤膜具有反渗透膜的性质,也是以压力差为推动力,介于反渗透和超滤之间的截留水中纳米级颗粒物的一种膜分离技术,或称选择性反渗透膜或松散反渗透膜。对单价阴离子盐溶液的脱除率低于高价阴离 子盐溶液,如对氯化钠及氯化钙的脱除率为 20% ~ 80%,而硫酸镁及 硫酸钠的脱除率为 90% ~ 98%,NF 一般作为高回收率 RO 单元的预处 理 , 扫除了高盐废水 RO 膜污染因素和结垢因素,纳滤去除和高倍率浓 缩 COD 及其他有机污染物 , 易于形成结垢的二价阴离子和阳离子 无机盐的分级 ( 主要是硫酸盐和其他一价盐的分级截留 ) 实现了预脱盐 , 可 降低后续 RO 系统的 TDS 负荷。

上述各类膜在零排放系统中均不是独立运行,需要结合水质条件组 合或串联运行。

3.2 热法浓缩技术论述

热法蒸发技术是用加热的方法使溶液中的一部分溶剂汽化,从而提高溶液的浓度,或使溶液浓缩饱和而析出溶质的过程。加热蒸发用于废水处理的目的就是加热废水,使水分大量汽化,将废水浓缩减量或使其 溶质结晶析出,蒸发后的冷凝水回用。蒸发减量技术主要有蒸发塘、烟道雾化蒸发、多效强制循环蒸发系统(MED)、蒸汽机械再压缩蒸发 (MVR)、低温常压蒸发技术(NED)等。

蒸发塘是利用自然蒸发的原理将高盐废水中的水分蒸发,使盐份浓 度达到饱和而结晶析出的一种技术。蒸发塘池底设置防渗系统,以防止 对地下水的影响。自然蒸发具有处置成本低、运营维护简单、使用寿命长、抗冲击负荷好、运营稳定等优点。但蒸发塘的缺点是需要较大的占 地面积且场地需要平整,风速、日照时间均需要有一定要求,在北方寒冷地区还需考虑防冻措施,地下水的防渗防污染也是必须考虑的条件, 鉴于这些缺点,蒸发塘的应用受到了限制。

烟道雾化蒸发技术将末端废水通过雾化喷嘴进行雾化,喷入电厂烟 道内,利用烟道内高温烟气将雾化后的废水颗粒蒸干,形成固体颗粒并 在除尘器中被吸附除去,达到脱硫废水零排放的目的。末端废水烟道雾化蒸发技术根据实际情况的不同,可以有多种实施方式,如在除尘器入 口前烟道雾化喷射废水、在空预器入口前烟道雾化喷射废水、引部分烟 气至蒸发器作为热源蒸发废水等。烟道雾化蒸发处理工艺需根据烟气流 量、烟气温度等参数来计算确定烟道的蒸发容量,并根据雾化喷射装置 的性能试验数据,结合烟道内流场变化特点,优化布置雾化喷射装置。

多效强制循环蒸发(MED)是在单效蒸发的基础上发展起来的蒸发技术,其特征是将一系列的水平管或垂直管与膜蒸发器串联起来,并被分为若干效组,用一定量的蒸汽通过多次的蒸发和冷凝从而得到多倍 于加热蒸汽量的淡化过程。多效蒸发中效数的排序是以生蒸汽进入的那 一效作为第一效,第一效出来的二次蒸汽作为加热蒸汽进入第二效…… 依此类推。多效蒸发技术是将蒸汽热能进行循环并多次重复用,以减少热能消耗,降低运行成本。在多效蒸发工艺中,为了保证加热蒸气在每 一效的传热推动力,各效的操作压力必须依次降低,由此使得各效的蒸 汽沸点和二次蒸汽压强依次降低。末端废水在多个串联的蒸发器中的加 热蒸气的作用下逐渐蒸发,利用前一效蒸发产生的二次蒸汽,作为后一 效蒸发器热源。由于后一效废水沸点温度和压力比前一效低,效与效之 间的热能再生利用可以重复多次。由于加热蒸汽温度随着效数逐渐降低, 多效蒸发器一般只做到四效,四效后蒸发效果就很差。

虽然多效蒸发把前效产生的二次蒸汽作为后效的加热蒸汽,但第一 效仍然需要不断补充大量新鲜蒸汽。多效蒸发过程需要消耗大量的蒸汽, 蒸发处理 1t 水大约需要消耗 0.5~1.5 t 蒸汽

蒸汽机械再压缩蒸发(MVR)系统在高盐废水的浓缩处理中有较多的应用。常用的降膜式蒸汽机械再压缩蒸发结晶系统,由蒸发器和结晶器两单元组成。废水首先送到机械蒸汽再压缩蒸发器(BC)中进行浓缩,经蒸发器浓缩之后,浓盐水再送到 MVR 强制循环结晶器系统进行进一步浓缩结晶,将水中高含量的盐分结晶成固体。其工作原理是物料经分配装置均匀分配于蒸发器各加热管内,物料在重力和真空诱导及气流作用下,成膜状自上而下流动,运动过程中与加热管外壁加热蒸汽 发生热交换而蒸发。降膜蒸发器是液膜传热 ,其传热系数高于其他形 式的蒸发器。

低温常压蒸发结晶技术(NED)是蒸发结晶一体化系统,是将废水加热到 40 ~ 80℃后,利用大流量循环风将水蒸发,然后在冷凝室将水汽凝结,废水在蒸发室不断浓缩直至结晶。经蒸发后的废水浓度不断升高,并达到饱和,达到饱和溶解度的盐从溶液中析出形成固体颗粒, 并通过固液分离器实现固体与溶液的最终分离。系统中采用热泵压缩机组在制备冷凝系统所需冷水的同时,将水中的热量转移用来加热原废水, 从而实现了系统内部能量的循环利用。低温常压蒸发结晶的设备不需要 将水加热至沸腾,在低温、常压的环境下运行。

3.3 膜系统与热法浓缩系统小结

如何选择浓缩系统成为零排放处理的关键,热法由于其静态投资较多而使其应用受到了限制,膜法作为废水的浓缩环节是目前水处理零排放的主要技术路线,经预处理、膜法深度浓缩处理后的浓缩废液含盐量 达 150000 mg/L 后进入后续蒸发结晶系统。但是,不可回避的问题是, 膜法(尤其是反渗透膜)由于其对进水的要求苛刻,不仅需去除结垢性 物质如钙、镁、硅等,还需去除有机物、悬浮物等,因而所需要的预处 理流程长,且加药量较大,会导致运行费用增加,且会增加污泥排放量; 另外,膜系统由于其特有的结构,正常使用寿命约为 5 年左右,处理高含盐废水的膜运行寿命可能会更短,使用 3 年左右可能会出现膜元件的无法恢复而更换,那么,在寿命期膜的更换费用也会相当可观。热法浓 缩根据现已有废水零排放的运行成果来看(神华榆林能源化工废水零排 放),浓缩可以达将近 30 倍,在进水含盐量约为 20000mg/L 左右的情况下, 浓缩废液含盐量可高 150000mg/L,目前运行效果较好;据有关资料介绍, 热法浓缩进水含盐量在高于 50000mg/L 时,可直接进蒸发系统,无须进 行预浓缩,蒸发浓缩倍率 10 倍以上效果较好,而结晶系统的浓缩倍率 不宜太大,宜为 2-3 倍。

4 脱硫废水处理经济性分析

4.1 预处理及预浓缩系统经济性分析

通过前述对脱硫废水处理技术的分析,预处理的主要目地是为去除结垢性离子,以满足后续系统的稳定运行,目前火电厂脱硫废水的预处理因石灰 - 碳酸钠软化 - 沉淀池 - 过滤器处理工艺较为成熟,应用较多; 预浓缩系统采用反渗透工艺较多,为防止反渗透膜有机物污染因素和结垢因素,在反渗透前设置纳滤膜或投加大量的阻垢剂及消除有机物药剂, 以去除和高倍率浓缩 COD 及其他有机污染物及易于形成结垢的二价阴离子和阳离子,由于投机药剂阻垢及消除有机物的影响需要精确的运行控制,对系统的稳定运行影响较大,故以纳滤 + 反渗透工艺作为预浓缩系统应用较多,本文以石灰 - 碳酸钠软化 - 沉淀池 - 过滤器(预处理) + 纳滤 + 反渗透工艺(工艺)为例进行经济性分析。

表 1 为一典型脱硫废水水质,以该水质为例分析预处理及与浓缩的设备如下:

预处理加预浓缩系统主要设备为:三联箱、反应池搅拌器、澄清器、 污泥浓缩池、原水箱、原水泵、污泥浓缩池搅拌风机、清水泵、废水提升泵、污泥循环泵、污泥排放泵、污泥脱水机、变孔隙滤池、纳滤混合水箱、纳滤原水箱、NF 原水泵、NF 保安过滤器、NF 高压泵、NF 装置、 反渗透低压给水泵、反渗透保安过滤器、反渗透高压泵、反渗透装置、 加药装置及仪表等。

预处理系统吨水建安工程费:4.13 万元,预浓缩系统吨水建安工程 费:18 万元,合计:22.13 万元。

吨水土建工程费:10.8 万元。 吨水静态投资合计 32.93 万元。

吨水年折旧额(按 15 年直线法折旧,不考虑残值):2.2 万元,年 利息(按 80% 贷款,年利率 4.9%):862 元。

吨水运行成本:20.08 元。

吨水完全成本:22.7 元。

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4.2 深度浓缩 + 结晶系统经济性分析

浓缩分别以热法及膜法为例分析系统运行费用及投资。

4.2.1 以膜法深度浓缩

以膜法深度浓缩的主要系统工艺组合有:DTRO+ 强制蒸发结晶系 统工艺、FO+ 强制蒸发结晶系统等,DTRO 是专门针对高浓度料液的 过滤分离而开发的工艺,而 FO 正渗透工艺由于浓缩液的分离影响运行 的稳定性,系统还不是很成熟,故本文以 DTRO+ 强制蒸发结晶系统工 艺进行经济性分析。

DTRO+ 强制蒸发结晶系统工艺主要设备为:DTRO 低压泵、安过滤器、DTRO 电加热器、膜柱、加药装置、各类水箱、蒸发系统、结晶 系统、辅助系统等。

系统吨水建安工程费:分盐 310 万元,不分盐 244 万元。

吨水土建工程费:17 万元。

吨水静态投资合计分盐 327 万元,不分盐 261 万元。

吨水年折旧额(按 15 年直线法折旧,不考虑残值):分盐 21.8 万元, 不分盐 17.4 万元,年利息(按 80% 贷款,年利率 4.9%):分盐 1.07 万元, 不分盐 0.86 万元。

吨水运行成本:膜更换费用(每 3 年更换一次膜)7.6 元,蒸汽耗 量 5 元,电费 15 元,清洗费用 0.2 元,维护费用 1.7 元,药品耗量 0.2 元, 合计 29.4 元。

吨水完全成本:分盐 55.5 元,不分盐 50.2 元。

4.2.2 以热法浓缩

2016 年 11 月实地考察了陕西某化工项目的实际运行情况,介绍如下:系统流程为热法浓缩 + 结晶系统,来水水源为高效反渗透浓水 + 两级钠离子交换器的再生废水;原水系统流程为:两级高密度澄清池(石 灰、碳酸钠双碱法)—变孔隙滤池—超率装置—两级钠离子软化—高效 反渗透—清水至循环水系统,反渗透浓水及钠离子交换器的再生废水进入蒸发结晶系统,其中反渗透浓水浓缩倍率约为 10 倍,进入蒸发系统的水质如下:

1.jpg

蒸发系统采用的是垂直降膜蒸发器 +FC 强制循环结晶器,系统处理水量设计值为 40t/h,连续稳定运行 1 年多,运行中消耗的主要药剂为阻垢剂及消泡剂,运行费用 32.19 元 / 吨,完全成本:44.57 元(其中每吨水的消耗包括:电耗:25.54KWh, 蒸汽:89.17kg,药剂:7.87 元, 人工成本:2.64 元,设备折旧:12.38 元)。

系统静态投资折算为吨水为 245 万元。

吨水年折旧额(按 15 年直线法折旧,不考虑残值):16.3 万元, 年利息(按 80% 贷款,年利率 4.9%):0.8 万元。

吨水运行成本:32.19 元。 吨水完全成本:51.7 元。

5 关于固废

因水污染的日趋严重及水资源的匮乏,目前国家各部门均对废水的 处理及水源的合理利用均非常重视,就如同十几年前对废气的重视一样, 截至到目前,废气的处理已经比较成熟且得到了有效的治理,而水的处理(零排放)现在刚处于起步阶段,对固废的处理还没引起各级部门的重视,但是可以预见的是,随着废水零排放的大面积实施与应用,固废的产生量也会成为又一环境污染源,如何处理固废会成为又一环保课题。 脱硫废水作为电厂废水的末端处理系统,其废水水质成分复杂,且常含有重金属,有些重金属是第一类污染物,经处理可以固化到固废中,因 而如何界定固废的属性及如何处理成为固废处理的关键,一般固废处理 成本较低,约 2000~3000 元 / 吨,危废的处理成本会非常高,约 4500 元 / 吨左右,根据危废的定义,含有第一类污染物离子的化合物属于危废, 那么脱硫废水产生的固废将很大程度上会被定义为危废,危废的处理进 而又引发一系列的问题,如预防地下水的污染、渗滤液的处理,填埋场的处置等等问题,会对发电成本产生较大的影响。

吨水污泥产生量:预处理 + 预浓缩系统的污泥产生量为:0.006t, 按危废界定,浓缩结晶系统污泥产生量为:0.01t, 按一般工业固废界定。

6 废水处理系统对发电成本的影响

通过上述分析,废水处理主要按 3 大块分析,即废水预处理 + 预 浓缩单元,废水深度浓缩单元,蒸发结晶单元,针对不同的电厂水质不同, 废水来源不同,系统选择会有差别,本文以火电厂典型的脱硫废水水质作为分析,预处理系统采用双碱软化 + 过滤,预浓缩系统采用纳滤 + 反渗透工艺,深度浓缩系统分别按热法及膜法工艺进行分析,最后是蒸发结晶系统。

(1)各系统单元吨水静态投资合计为:采用膜法浓缩系统:分盐 360 万元,不分盐 294 万元;采用热法浓缩 245 万元。(2)吨水运行费 用为:膜法浓缩分盐 49.48 元,热法 32.19 元;(3)吨水年折旧及利息额: 采用膜法浓缩系统:分盐 24.1 万元,不分盐 19.7 万元;采用热法浓缩 19.4 万元。(4)固体废物吨水处理费用:47 元(危废处理费按 4500 元 / 吨,一般工业固废处理费按 2000 元 / 吨)。(5)加上固废的处理费用, 吨水运行费用膜法 96 元,热法 79 元;(6)废水处理对发电成本的影响。

按处理量 10t 考虑 , 以 2 台 350MW 机组为例,机组年运行小时按 7000h, 年利用小时数按 5000h 计 , 膜法对发电成本的影响约为 2.6 元 / MWh;热法对发电成本的影响约为 2.13 元 /MWh。

参考文献

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[3] 朱法华 . 我国火电厂废水排放与利用 [J]. 电力科技与环保 ,2001,17(4):19-21.

[4] 朱法华 . 我国火电厂废水排放与利用 [J]. 电力科技与环保 ,2001,17(4):19-21. </

原标题:火电厂废水综合利用技术经济分

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