劉思遠(yuǎn)

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

0 引言

我國自來水，工業(yè)用水占65%以上，而且，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過程中，工業(yè)用水量勢必進(jìn)一步增加，因此，加強(qiáng)工業(yè)節(jié)水水資源保護(hù)對我國具有重要意義[1-2]。燃煤電廠和其他工業(yè)企業(yè)在中國最突出的問題是工廠用水重用率過低，大量的一次性水資源的應(yīng)用程序必須處理后重復(fù)使用或排放，大大增加了工廠總供水和污水;單位高水消費(fèi)是產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題，隨著社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)能的增加，單位用水量也在不斷上升，工業(yè)用水量急劇上升[3-5]，因此，節(jié)水減排工作是我國迫切需要。

1 水處理系統(tǒng)概況

1.1 供水系統(tǒng)

設(shè)計(jì)水源主要為城市中水及自來水。 城市中水由包頭市河?xùn)|區(qū)東污水處理站和西污水處理站供給，東污水處理站日處理能力2萬t，西污水處理站日處理能力3萬t。中水通過DN600碳鋼管道輸送至0廠中水池，經(jīng)中水提升泵送往“中水島”經(jīng)過深度處理后送往清水池，再由清水泵供給廠區(qū)工業(yè)水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)使用。

水平衡試驗(yàn)期間(2014年9月～10月)機(jī)組負(fù)荷為70%，某電廠實(shí)際取水量為1 082 m3/h。其中，城市中水取水量為873 m3/h，占總?cè)∷康?0.68%；自來水來水取水量209 m3/h，占總?cè)∷康?9.32%，補(bǔ)入清水池的自來水量為153 m3/h。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)四臺立式斜流循環(huán)泵，冷卻塔采用管槽內(nèi)、外區(qū)配水系統(tǒng)，一個豎井，管槽內(nèi)外區(qū)壓力配水，反射Ⅲ型噴濺裝置。夏季運(yùn)行工況，一臺機(jī)開兩臺泵，全塔配水；春秋季運(yùn)行工況為兩臺機(jī)3臺泵，全塔配水。水平衡試驗(yàn)期間，#2機(jī)存在故障，最高負(fù)荷240 MW，一臺循泵運(yùn)行；#1機(jī)最高負(fù)荷320 MW，在負(fù)荷較高時兩臺循泵運(yùn)行。

1.3 脫硫系統(tǒng)

脫硫系統(tǒng)采用石灰石——石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)，采用一爐一塔設(shè)計(jì)。脫硫系統(tǒng)用水主要為工藝水和工業(yè)水，工藝水箱補(bǔ)水為工業(yè)廢水，工藝水主要用于脫硫系統(tǒng)各設(shè)備沖洗及吸收塔補(bǔ)水；工業(yè)水來自廠區(qū)工業(yè)水管網(wǎng)，主要用于脫硫系統(tǒng)真空泵、氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵等設(shè)備冷卻，冷卻后的工業(yè)水收集回用至吸收塔。脫硫系統(tǒng)設(shè)單獨(dú)的脫硫廢水處理系統(tǒng)，廢水經(jīng)處理后排放至高鹽井。

圖2 循環(huán)水系統(tǒng)水量分配圖

圖3 脫硫系統(tǒng)水量分配圖

2 常見幾種類型廢水工藝技術(shù)

按照國家對污水再生利用工程建設(shè)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢及技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，本項(xiàng)全廠廢水“零排放”改造工程可行性研究項(xiàng)目中工藝方案的選擇遵循下述原則：

(1)貫徹落實(shí)國家及地方的有關(guān)法律法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求;

(2)優(yōu)化工藝方案設(shè)計(jì)，節(jié)約能耗，降低工程基建投資和運(yùn)行費(fèi)用;

(3)在采用成熟、可靠工藝設(shè)備的基礎(chǔ)上，積極穩(wěn)妥地利用新技術(shù)、新工藝，在確保處理后水質(zhì)滿足用水系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，努力保證技術(shù)的先進(jìn)性;

(4)在設(shè)備選擇上要提高質(zhì)量把關(guān)，重點(diǎn)關(guān)注相應(yīng)的一站式服務(wù)準(zhǔn)則。

2.1 蒸發(fā)濃縮處理技術(shù)

常見的有蒸發(fā)系統(tǒng)(MED)、立管降(升)膜機(jī)械蒸汽壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)(立管 MVC、MVR)、臥式噴淋機(jī)械蒸汽壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)(臥式 MVC)等。多效蒸發(fā)是將一個蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的蒸汽引入下一蒸發(fā)器，利用其凝結(jié)放出的熱加熱蒸發(fā)器中的水，兩個或兩個以上串聯(lián)以充分利用熱能的蒸發(fā)系統(tǒng)。多效蒸發(fā)時，將生蒸汽通入一效蒸發(fā)器，溶液受熱而產(chǎn)生二次蒸汽，其壓力與溫度較生蒸汽為低，二次蒸汽仍可作為加熱蒸汽，引入后效蒸發(fā)器。

2.2 電滲析工藝技術(shù)

這種工藝的核心是在強(qiáng)直流作用電場的效果下，采用化學(xué)中的離子交換裝置，這種離子的通過作用具有一定的選擇性，核心是膜分離技術(shù)，是世界上某些地區(qū)生產(chǎn)淡水的主要方法。

圖4 電滲析工作原理圖

2.3 煙道霧化蒸發(fā)技術(shù)

這種蒸發(fā)技術(shù)的核心是在鍋爐尾部的煙道內(nèi)完成的整個過程，廢水處理過程之中的余熱可以把水變?yōu)檎羝麪顟B(tài)，另一種方式可以利用干燥裝置同樣將其變?yōu)闅鈶B(tài)。研究表明，在整個處理過程之中，廢水的主要存在形式是蒸汽狀態(tài)，蒸餾水的產(chǎn)生是冷凝過程的產(chǎn)物，作為循環(huán)介質(zhì)存在整個過程中。另一方面，可溶解的鹽類物質(zhì)會以晶體形式析出，合成的產(chǎn)物將在除塵裝置之中被捕獲。

2.4 蒸汽機(jī)械再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)

機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶(MVR)系統(tǒng)在高鹽濃度和結(jié)晶處理廢水，更普遍的應(yīng)用機(jī)械蒸汽再壓縮降膜式蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，由兩個單元組成，蒸發(fā)器和模具。廢水先經(jīng)過機(jī)械蒸汽再壓縮的濃縮蒸發(fā)器(BC)，后蒸發(fā)器濃縮。濃縮的鹽水MVR強(qiáng)制循環(huán)進(jìn)一步濃縮結(jié)晶，結(jié)晶器系統(tǒng)高含量的鹽結(jié)晶水變成固體，水重用，固體鹽出站重用離心分離后，干燥。

圖5 末端廢水煙道蒸發(fā)處理技術(shù)工藝技術(shù)圖

圖6 蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)原理圖

3 廢水“零排放”改造

本工程目前處于工程的可行性研究階段，建議將全廠廢水“零排放”改造工程分為全廠水務(wù)管理及梯級利用、廢水軟化及濃縮減量處理、末端廢水處理三個層次進(jìn)行改造。

3.1 改造依據(jù)及測算過程

(1)水平衡：用水包括冷卻渣渣船系統(tǒng)帶走水蒸發(fā)的水渣。一般來說，汽車運(yùn)輸?shù)臈l件下，水渣含量為30%，渣總重量的30%礦渣可以帶走。測試后，在挖泥船零溢流系統(tǒng)，1 t熱渣冷卻用水量氣化過程中約為0.25 t，也就是1 t/h渣對應(yīng)用水量為0.55 t/h。維持放電系統(tǒng)的水平衡，可以參考渣用水每t0.55 t/h補(bǔ)水，以確保正常的挖泥船不會溢出。

(2)熱平衡：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零溢出后，渣系統(tǒng)進(jìn)入刮渣機(jī)可以保持熱平衡熱量由三部分組成水的熱量蒸發(fā)，凈補(bǔ)給水吸收熱量溫度上升，帶走熱量的熱交換器。根據(jù)需要，吹渣池水溫應(yīng)低于一定溫度。

(3)水熱過程平衡計(jì)算：渣滓的初始溫度為t′=850 ℃，換熱器入口溫度32 ℃，出口溫度48 ℃，渣比熱：CZ=0.97 kJ/(kg·℃)，水比熱：CS=4.2 kJ/(kg·℃)，補(bǔ)給水溫度32 ℃，最高水溫60 ℃，100 ℃水的汽化熱為2 258.4 kJ/kg。

(4)換熱器帶走的熱量：1 t渣需要3 t封閉循環(huán)水換熱器，3 t水溫度從32 ℃上升到48 ℃時吸收的熱量Qs=1 000×3×4.2×(48-32)=201 600 kJ。

3.2 全廠水務(wù)管理及梯級利用

改造要點(diǎn)是水平衡系統(tǒng)優(yōu)化，通過級聯(lián)用水，提高水的重復(fù)利用率。通過工廠廢水綜合治理、廢水復(fù)蘇，在確保安全的前提下操作的設(shè)備，大部分廢水回收，有點(diǎn)難以重用脫鹽處理的廢水，工廠廢水“零排放”。

(1)水的優(yōu)化平衡，整個工廠以滿足工廠廢水“零排放”水平衡系統(tǒng)。

(2)電廠排水量最大的廢水為循環(huán)水排污水，要實(shí)現(xiàn)全廠廢水“零排放”，必須提高循環(huán)水濃縮倍率。針對電廠的實(shí)際情況，在提高循環(huán)水濃縮倍率的基礎(chǔ)上，對循環(huán)水排污水進(jìn)行脫鹽處理后回用。

3.2.1 循環(huán)水加入新型藥劑提高濃縮倍率

采用新型高效水穩(wěn)劑，提高循環(huán)水濃縮倍率，使循環(huán)水排污水量與脫硫系統(tǒng)工藝用水量相匹配，最終僅處理脫硫廢水，以實(shí)現(xiàn)全廠廢水零排放。

圖7 水量平衡圖

3.2.2 維持正常濃縮倍率，加裝脫鹽裝置

(1)脫硫廢水預(yù)處理采用石灰-碳酸鈉兩級軟化，去除廢水中的硬度離子和硅酸鹽，并降低硫酸鹽的含量。

(2)將預(yù)處理后的脫硫廢水與循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)的反滲透濃排水混合，經(jīng)過砂濾過濾后，進(jìn)行納濾處理，去除硬度離子和有機(jī)物，納濾回收率設(shè)計(jì)為80%。

(3)納濾產(chǎn)水進(jìn)海水反滲透，反滲透設(shè)計(jì)為75%，脫鹽率是98%，反滲透水冷卻塔水、反滲透水和納濾濃水混合蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。

(4)上清液回反應(yīng)池繼續(xù)處理，泥渣作為脫硫吸附劑。

圖8 加裝脫鹽裝置改造方案

3.3 廢水軟化及濃縮減量處理

本部分著重從含煤廢水、脫硫廢水、高鹽廢水的改造工程方案進(jìn)行研究。

3.3.1 含煤廢水處理系統(tǒng)

煤水處理系統(tǒng)主要由煤泥水調(diào)節(jié)預(yù)沉池、排煤泥泵、加藥裝置、混合器、YZJ15一體化處理設(shè)備、中間水箱、中間水泵、過濾裝置、清水池、清水泵、煤水提升泵、排污泵設(shè)備組成。各段煤泥水經(jīng)過污水泵排到煤泥沉淀池后，由煤泥水泵提升到Y(jié)ZJ15 型一體化凈水器，在煤泥水泵提升管路上裝設(shè)有在線濁度儀可控制加藥裝置的變量計(jì)量泵調(diào)節(jié)加藥量的大小，管道混合器使藥劑和污水充分混合，提高煤水處理率，混合加藥后的煤泥水進(jìn)入YZJ15型一體化凈水器，經(jīng)過反應(yīng)區(qū)、分離區(qū)、過濾區(qū)處理后清水排到清水池，煤泥排到煤場。清水池的清水由清水泵排到輸煤水沖洗與煤場噴淋系統(tǒng)再利用。

3.3.2 脫硫廢水處理系統(tǒng)

由于脫硫廢水懸浮物含量高達(dá)42 400 mg/L，懸浮雜質(zhì)含量過多。導(dǎo)致廢水處理系統(tǒng)污泥量偏大，設(shè)備、管道、閥門等堵塞嚴(yán)重。通過在石膏脫水機(jī)上部增加廢水旋流站，依靠離心力的作用實(shí)現(xiàn)漿液的濃縮和分級。將石膏旋流站上清液經(jīng)過廢水旋流站的二級旋流，使大部分懸浮雜質(zhì)沉降，將上清液送入脫硫廢水池。通過增設(shè)廢水旋流站，避免脫硫廢水處理系統(tǒng)設(shè)備堵塞現(xiàn)象，并提高系統(tǒng)的處理效果。

3.3.3 高鹽廢水處理系統(tǒng)

高含鹽量廢水濃縮處理系統(tǒng)來水包括兩部分：一部分為循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)的反滲透濃排水 30 m3/h，一部分為脫硫廢水15 m3/h，水量合計(jì)45 m3/h。脫硫廢水和反滲透濃排水含鹽量、有機(jī)物均偏高，反滲透濃排水硬度離子含量較低，脫硫廢水中硬度離子、硫酸鹽含量偏高，這兩股水按照水量比例進(jìn)行混合后，混合水的硬度和有機(jī)物含量偏高，處理難度大。脫硫廢水由于含有高濃度的鈣鎂離子及硫酸根、硅等結(jié)垢性離子，為了避免后續(xù)膜處理系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)垢堵塞，需要對脫硫廢水先進(jìn)行除硬除硅除濁處理。

圖9 高鹽廢水處理系統(tǒng)流程圖

3.4 末端廢水處理

末端廢水處理有MVR蒸發(fā)結(jié)晶和煙道霧化蒸發(fā)兩種處理方案。根據(jù)高鹽廢水深度濃縮處理工藝的不同，末端廢水量也有所不同(電滲析-反滲透方案末端廢水量為7 m3/h，DTRO方案末端廢水量為8 m3/h)，水量差別不大，因此末端廢水處理系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)基本相同。

3.4.1 MVR蒸發(fā)結(jié)晶

蒸發(fā)系統(tǒng)：經(jīng)過電滲析-反滲透系統(tǒng)或DTRO系統(tǒng)進(jìn)一步濃縮后的末端廢水量，MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)處理量為8 m3/h，進(jìn)水濃度按12%，濃縮至排鹽，排鹽率按100%，總面積1 060 m2。設(shè)計(jì)采用二段MVR節(jié)能蒸發(fā)系統(tǒng)。

結(jié)晶系統(tǒng)：末端廢水經(jīng)過MVR蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)處理產(chǎn)生的濃鹽漿進(jìn)入結(jié)晶系統(tǒng)，結(jié)晶系統(tǒng)的具體 流程為：

(1)水泵將濃鹽漿送至結(jié)晶器。

(2)進(jìn)水與循環(huán)濃鹽漿混合，并由循環(huán)泵送至列管式加熱器。由于換熱管呈全充滿狀態(tài)，濃鹽漿在此承受一定的壓力，不會沸騰。這樣可以防止管內(nèi)結(jié)垢的產(chǎn)生。

(3)循環(huán)濃鹽漿與結(jié)晶器閃蒸罐呈一定角度進(jìn)入，隨后鹽漿在罐內(nèi)旋轉(zhuǎn)形成渦流。此時一小部分濃鹽漿發(fā)生汽化。

(4)水從濃鹽漿中蒸發(fā)，鹽分就結(jié)晶析出晶體。

(5)絕大部分濃鹽漿仍然循環(huán)回到加熱器，一小部分濃鹽漿被從循環(huán)管線上抽出，送至脫水設(shè)備進(jìn)行脫水。

(6)蒸發(fā)產(chǎn)生的工藝蒸汽經(jīng)除霧器后，取出夾帶的顆粒及液滴。

(7)蒸汽經(jīng)壓縮后進(jìn)入結(jié)晶器加熱器用于加熱濃鹽漿，蒸汽則在殼程冷凝(也可采用工廠蒸汽進(jìn)行加熱)。

(8)蒸餾水為高品質(zhì)水，經(jīng)收集后回用。

3.4.2 煙道霧化蒸發(fā)

對于煙道霧化蒸發(fā)處理部分，改造內(nèi)容較少，僅需要增加霧化噴射裝置、空氣壓縮機(jī)、壓縮空氣罐、吹灰器以及輸水輸氣管路等設(shè)備。由于霧化噴射裝置、吹灰器安裝在空預(yù)器入口前的煙道內(nèi)，不需要在室內(nèi)占用空間。設(shè)置2個壓縮空氣罐(尺寸為Φ1*3米，碳鋼襯膠)，占地面積較小，可以室外布置。根據(jù)末端廢水水量(約10 m3/h，考慮25%的余量)， 壓縮空氣消耗量約為40 Nm3/min，根據(jù)某電廠實(shí)際調(diào)研情況，需要新加一臺空氣壓縮機(jī)(壓縮空氣量為40 Nm3/min)。

圖10 末端廢水煙道霧化噴射系統(tǒng)安裝位置圖

3.4.3 旁路煙道蒸發(fā)

高鹽廢水經(jīng)過電滲析或 DTRO深度濃縮處理后產(chǎn)生的末端廢水量約為6～7m3/h。每臺機(jī)組設(shè)置2臺旁路煙道蒸發(fā)器，單臺旁路煙道蒸發(fā)器引接SCR出口高溫?zé)煔饬考s為24 000 Nm3/h。旁路煙道蒸發(fā)器桶體直徑 2.2～2.50 m，長13.30 m，重8～10 t/臺，材質(zhì)為雙相鋼復(fù)合材質(zhì)。整個旁路煙道呈“S”形，一端接SCR出口煙道，一端接除塵器入口前煙道。為了避免旁路煙道內(nèi)出現(xiàn)積灰、結(jié)垢，旁路煙道與除塵器入口前煙道接口處應(yīng)設(shè)計(jì)為鈍角(>110°)。

旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)主要包括廢水輸送系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、旁路煙道蒸發(fā)結(jié)晶器、自動清灰系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢修平臺等。

4 環(huán)境效益與社會效益

本部分研究著重從零排放工程的環(huán)境效益以及社會效益兩個方面進(jìn)行闡述。

4.1 環(huán)境效益

全廠廢水“零排放”工程全部實(shí)施運(yùn)行后，發(fā)電水耗將由目前的2.42 m3/(MW·h)(水平衡報告數(shù)據(jù))降低至1.75 m3/(MW·h)。改造后，可減少水源水取水量70.66萬m3/年，節(jié)約取水費(fèi)114.5萬元/年(年運(yùn)行時間按4 512 h計(jì)，取水費(fèi)1.62元/m3計(jì))。全廠廢水“零排放”處理系統(tǒng)改造實(shí)施后，廢水經(jīng)過處理后能夠滿足回用要求，不再有廢水外排并且能夠節(jié)約水資源。因此全廠廢水零排放處理系統(tǒng)的改造對減輕電廠的環(huán)保壓力、改善當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境質(zhì)量有著重要作用，環(huán)境與社會效益顯著。

對產(chǎn)生噪聲較大的設(shè)備可設(shè)置消聲器，對于其它運(yùn)行中產(chǎn)生噪音可能超過國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，均采取其它有效措施，將噪聲降低至60dB(A)以下，滿足《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GBZ1-2010)的規(guī)定。

在本項(xiàng)目改造實(shí)施后，系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動設(shè)備(如泵、風(fēng)機(jī)等)數(shù)量較少，能夠滿足國家規(guī)定的《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GBZ1-2010)的要求。

4.2 社會效益

燃煤電廠的廢水中通常存在懸浮物、重金屬等超標(biāo)的問題，直接排放進(jìn)入環(huán)境后會造成嚴(yán)重的污染。全廠廢水零排放改造工程實(shí)施后，全廠的廢水可以得到有效的處理，并進(jìn)行回用，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量的改善具有重要促進(jìn)作用。

5 結(jié)論

預(yù)計(jì)某電廠全廠廢水零排放改造工程實(shí)施后，2×320 MW組發(fā)電水耗將由目前的2.42 m3/(MW·h)降低至1.75 m3/(MW·h)。DTRO-旁路煙道蒸發(fā)方案年運(yùn)行總成本為1 868萬元，增加上網(wǎng)電費(fèi)為6.95元/MWh；本工程目前處于工程的可行性研究階段，建議將本全廠廢水“零排放”改造工程分為全廠水務(wù)管理及梯級利用、廢水軟化及濃縮減量處理、末端廢水處理三個層次進(jìn)行改造，改造費(fèi)用分別為2 725萬元、4 746萬元和1 870萬元(靜態(tài)投資，不包括基本預(yù)備費(fèi)和其他費(fèi)用)。