火電廠廢水綜合利用技術經濟分析

　　水資源作為基礎性和戰略性的資源,對社會的可持續發展具有重要意義,國家對工業用水控制較為嚴格,火力發電廠作為工業用水大戶, 其用水量和排水量十分巨大。

　　1 火電廠主要廢水系統

　　火電廠主要廢水包括（輔機）循環水、排污水,鍋爐補給水處理系統根據其不同的工藝流程會產生懸浮性廢水、酸堿再生廢水及反滲透排濃水,凝結水精處理系統再生廢水,生活污水,含煤廢水及脫硫廢水等, 這些廢水根據工藝特點進行分類收集和分質回用,實現梯級利用 [1]。通過水的梯級使用和循環利用,提高水的重復利用率,在對各類廢水分類 收集和分質回用的基礎上,提高廢水回收率,少量難以回用的末端廢水 進行蒸發結晶處理后進行回用,從而實現全廠廢水“零排放”。

　　2 全廠廢水梯級利用設計思路

　　通過對火電廠各類廢水的水質特點進行分析可知,全廠廢水主要可分為四大類,即懸浮性廢水、高含鹽量廢水、生活污水及脫硫廢水。懸浮性廢水主要包括鍋爐補給水處理系統過濾系統反洗排水、非經常性的空預器沖洗水、含煤廢水、凝結水精處理系統除鐵裝置反洗廢水等；高含鹽量廢水主要來自于（輔機）循環水排污水、鍋爐補給水處理系統反滲透排濃水及離子交換器再生廢水、凝結水精處理除鹽系統再生廢水非經常性鍋爐酸洗廢水等,生活污水主要是電廠生活用水排污水；懸浮 性廢水通過工業廢水集中處理系統經除濁處理后回用于循環水系統,高 含鹽廢水需除硬、脫鹽處理回用于循環水系統或調整 pH 值后用于對水 質要求較低的系統,如脫硫系統、渣倉沖洗水、灰場噴灑水等 [2]。脫硫 廢水的水質與脫硫工藝、煙氣成分、灰及吸收劑、脫硫工藝用水的水質 等多種因素有關,與電廠其他廢水差別較大,處理難度也較大,且處理 工藝中設備的設計條件和使用的藥品也不同,故宜單獨處理,且作為末 端處理。綜上所述,廢水的梯級利用流程見圖 1。

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　　3 脫硫廢水處理系統詳述

　　脫硫系統作為末端用水點,其廢水排放量直接關系全廠的廢水排放水平,脫硫廢水的消納在發電廠一般主要用于灰庫攪拌,但是,在干灰有綜合利用途徑時,脫硫廢水無法消納,或是由于廢水梯級利用后,水質逐漸惡化,后續工藝難以利用,或者是廢水本身水質較為惡劣,難以梯級利用,致使電廠還存在部分廢水需要進一步處理；對于濕冷機組, 因廢水排放量大,廢水幾乎不可能在廠內完全平衡,因而,脫硫廢水的處理就顯得尤為重要了,那么,脫硫廢水系統如何選擇,在技術性能滿 足的前提下,經濟性是系統選擇的關鍵。

　　目前國內的技術方案主要是預處理 + 預濃縮 + 深度濃縮 + 結晶。 脫硫廢水硬度含量高,總硬度有時可達上百毫摩爾每升,需要進行預處理軟化,將脫硫廢水主要陽離子為鈉、鎂、鈣混合的雜鹽體系轉化為陽離子以鈉離子為主的鈉鹽體系,鈉鹽的易溶性可有效防止后續濃縮處理 系統以及結晶設備結垢 [3]。脫硫廢水預處理一般可采用以下方案：石灰  -碳酸鈉軟化  -沉淀池  -過濾器處理工藝；石灰  -碳酸鈉軟化  -管式微濾膜處理工藝。 預濃縮系統目前廣泛采用的是膜法,可采用電滲析工藝（ED）、 納濾 (NF)+ 反滲透工藝、高效反滲透工藝等,使廢水進一步濃縮,含鹽量達到 50000~60000mg/L。

　　深度濃縮技術主要有膜法及熱法,膜法有電滲析工藝（ED）、正滲透（FO）、碟管式反滲（DTRO）、納濾 (NF) 等,熱法主要有蒸發塘、 煙道霧化蒸發、多效強制循環蒸發系統（MED）、蒸汽機械再壓縮蒸發（MVR）、低溫常壓蒸發技術（NED）等,使廢水的鹽分濃縮至約 100000~150000mg/L 左右,進入結晶器進行固液分離。

　　3.1 膜法濃縮技術論述

　　電滲析技術也是利用離子交換特性去除水中溶解類雜質的,電滲析 膜是由離子交換樹脂制成,它實質上是離子交換樹脂除鹽的另一種形式, 按其選擇透過性能分為陽膜和陰膜,用陽離子交換樹脂制成的膜是陽膜, 用陰離子交換樹脂制成的膜是陰膜,在直流電場作用下,利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性,使溶液中呈離子狀態的溶質和溶劑分離的一種理化學過程,是膜分離技術的一種,進水水質要求低, 較低 TDS 可獲得 >90% 回收率,COD 去除率低 , TDS 高時能耗高。

　　正滲透是一種利用膜兩側不同溶液的滲透壓差作為驅動力,使得水能自發地從原料液一側透過分離膜到達驅動液一側,從而起到原料液脫水減量的過程 , 具有高回收率、低壓運行、能耗低和抗污染等特點, 其最終濃縮液鹽含量最高可達 20%,對進水水質要求較低,清洗周期較長。正滲透處理技術的進水濃度一般大于 5%,進水濃度太低則經濟性較差。正滲透處理技術雖然具有一定的優勢,但是其仍受制于具有選擇 透過性的膜和高滲透壓的驅動溶液這兩個重要因素,正滲透膜兩側產生的滲透壓差是正滲透過程能得以持續進行的驅動力,而汲取液的滲透壓是決定這種驅動力大小的關鍵因素 [4]。理想的汲取液應具有高的滲透 壓、能方便地與水分離、可以循環利用、無毒、高的穩定性等特點。汲取液主要有兩個類型：無機汲取液和有機汲取液。無機汲取液主要為 NH4HCO3。NH4HCO3 在水中具有高的溶解度,可產生較高的滲透壓, 獲得較高的產水率。將稀釋后的汲取液加熱到 60℃,碳酸氫銨分解為 氨氣和二氧化碳氣體,采用蒸餾等方法從水產品中分離出來,然后再將 其重新溶解于水中得到銨鹽汲取液,使其循環利用。在使用 NH4HCO3 作汲取液時,常常發生 NH4HCO3 溶解不完全,NH4HCO3 發生分解, 造成穩定性問題；而且在回收再生時很難做到 NH3 從產品水中全部去 除,可能會導致產品水中氨含量超過 2 mg/L。有機汲取液通常有 2 -甲 基咪唑類化合物、聚丙烯酸鈉（PAA-Na）等聚合物。聚合物電解質溶液作為正滲透的汲取液具有高水通量、最低反向通量及易再生等優勢。

　　DTRO 碟管式反滲透是反滲透的一種形式,是一種獨特的膜分離 設備。碟管式膜組件采用開放式流道,膜組件兩導流盤直接距離為 4mm,盤片表面有一定方式排列的凸點。這種特殊的力學設計使處理液 在壓力作用下流經濾膜表面遇凸點碰撞時形成湍流,增加透過速率和自清洗功能,從而有效的避免了膜堵塞和濃差極化現象,成功地延長了膜片的使用壽命；清洗時也容易將膜片上的積垢洗凈,保證碟管式膜組適 用于處理高渾濁度和高含沙系數的廢水,適應惡劣的進水條件；是一種 應用于液體脫鹽及凈化的新型膜分離組件,其耐高壓、抗污染特點十分 明顯 , 在高濁度、高 SDI 值、高鹽分、高 COD 的情況下,也能有效穩 定運行 , 是專門針對高濃度料液的過濾分離而開發的。

　　納濾膜具有反滲透膜的性質,也是以壓力差為推動力,介于反滲透和超濾之間的截留水中納米級顆粒物的一種膜分離技術,或稱選擇性反滲透膜或松散反滲透膜。對單價陰離子鹽溶液的脫除率低于高價陰離 子鹽溶液,如對氯化鈉及氯化鈣的脫除率為 20% ～ 80%,而硫酸鎂及 硫酸鈉的脫除率為 90% ～ 98%,NF 一般作為高回收率 RO 單元的預處 理 , 掃除了高鹽廢水 RO 膜污染因素和結垢因素,納濾去除和高倍率濃 縮 COD 及其他有機污染物 , 易于形成結垢的二價陰離子和陽離子 無機鹽的分級 ( 主要是硫酸鹽和其他一價鹽的分級截留 ) 實現了預脫鹽 , 可 降低后續 RO 系統的 TDS 負荷。

　　上述各類膜在零排放系統中均不是獨立運行,需要結合水質條件組 合或串聯運行。

　　3.2 熱法濃縮技術論述

　　熱法蒸發技術是用加熱的方法使溶液中的一部分溶劑汽化,從而提高溶液的濃度,或使溶液濃縮飽和而析出溶質的過程。加熱蒸發用于廢水處理的目的就是加熱廢水,使水分大量汽化,將廢水濃縮減量或使其 溶質結晶析出,蒸發后的冷凝水回用。蒸發減量技術主要有蒸發塘、煙道霧化蒸發、多效強制循環蒸發系統（MED）、蒸汽機械再壓縮蒸發 （MVR）、低溫常壓蒸發技術（NED）等。

　　蒸發塘是利用自然蒸發的原理將高鹽廢水中的水分蒸發,使鹽份濃 度達到飽和而結晶析出的一種技術。蒸發塘池底設置防滲系統,以防止 對地下水的影響。自然蒸發具有處置成本低、運營維護簡單、使用壽命長、抗沖擊負荷好、運營穩定等優點。但蒸發塘的缺點是需要較大的占 地面積且場地需要平整,風速、日照時間均需要有一定要求,在北方寒冷地區還需考慮防凍措施,地下水的防滲防污染也是必須考慮的條件, 鑒于這些缺點,蒸發塘的應用受到了限制。

　　煙道霧化蒸發技術將末端廢水通過霧化噴嘴進行霧化,噴入電廠煙 道內,利用煙道內高溫煙氣將霧化后的廢水顆粒蒸干,形成固體顆粒并 在除塵器中被吸附除去,達到脫硫廢水零排放的目的。末端廢水煙道霧化蒸發技術根據實際情況的不同,可以有多種實施方式,如在除塵器入 口前煙道霧化噴射廢水、在空預器入口前煙道霧化噴射廢水、引部分煙 氣至蒸發器作為熱源蒸發廢水等。煙道霧化蒸發處理工藝需根據煙氣流 量、煙氣溫度等參數來計算確定煙道的蒸發容量,并根據霧化噴射裝置 的性能試驗數據,結合煙道內流場變化特點,優化布置霧化噴射裝置。

　　多效強制循環蒸發（MED）是在單效蒸發的基礎上發展起來的蒸發技術,其特征是將一系列的水平管或垂直管與膜蒸發器串聯起來,并被分為若干效組,用一定量的蒸汽通過多次的蒸發和冷凝從而得到多倍 于加熱蒸汽量的淡化過程。多效蒸發中效數的排序是以生蒸汽進入的那 一效作為第一效,第一效出來的二次蒸汽作為加熱蒸汽進入第二效…… 依此類推。多效蒸發技術是將蒸汽熱能進行循環并多次重復用,以減少熱能消耗,降低運行成本。在多效蒸發工藝中,為了保證加熱蒸氣在每 一效的傳熱推動力,各效的操作壓力必須依次降低,由此使得各效的蒸 汽沸點和二次蒸汽壓強依次降低。末端廢水在多個串聯的蒸發器中的加 熱蒸氣的作用下逐漸蒸發,利用前一效蒸發產生的二次蒸汽,作為后一 效蒸發器熱源。由于后一效廢水沸點溫度和壓力比前一效低,效與效之 間的熱能再生利用可以重復多次。由于加熱蒸汽溫度隨著效數逐漸降低, 多效蒸發器一般只做到四效,四效后蒸發效果就很差。

　　雖然多效蒸發把前效產生的二次蒸汽作為后效的加熱蒸汽,但第一 效仍然需要不斷補充大量新鮮蒸汽。多效蒸發過程需要消耗大量的蒸汽, 蒸發處理 1t 水大約需要消耗 0.5~1.5 t 蒸汽

　　蒸汽機械再壓縮蒸發（MVR）系統在高鹽廢水的濃縮處理中有較多的應用。常用的降膜式蒸汽機械再壓縮蒸發結晶系統,由蒸發器和結晶器兩單元組成。廢水首先送到機械蒸汽再壓縮蒸發器（BC）中進行濃縮,經蒸發器濃縮之后,濃鹽水再送到 MVR 強制循環結晶器系統進行進一步濃縮結晶,將水中高含量的鹽分結晶成固體。其工作原理是物料經分配裝置均勻分配于蒸發器各加熱管內,物料在重力和真空誘導及氣流作用下,成膜狀自上而下流動,運動過程中與加熱管外壁加熱蒸汽 發生熱交換而蒸發。降膜蒸發器是液膜傳熱 ,其傳熱系數高于其他形 式的蒸發器。

　　低溫常壓蒸發結晶技術（NED）是蒸發結晶一體化系統,是將廢水加熱到 40 ～ 80℃后,利用大流量循環風將水蒸發,然后在冷凝室將水汽凝結,廢水在蒸發室不斷濃縮直至結晶。經蒸發后的廢水濃度不斷升高,并達到飽和,達到飽和溶解度的鹽從溶液中析出形成固體顆粒, 并通過固液分離器實現固體與溶液的最終分離。系統中采用熱泵壓縮機組在制備冷凝系統所需冷水的同時,將水中的熱量轉移用來加熱原廢水, 從而實現了系統內部能量的循環利用。低溫常壓蒸發結晶的設備不需要 將水加熱至沸騰,在低溫、常壓的環境下運行。

　　3.3 膜系統與熱法濃縮系統小結

　　如何選擇濃縮系統成為零排放處理的關鍵,熱法由于其靜態投資較多而使其應用受到了限制,膜法作為廢水的濃縮環節是目前水處理零排放的主要技術路線,經預處理、膜法深度濃縮處理后的濃縮廢液含鹽量 達 150000 mg/L 后進入后續蒸發結晶系統。但是,不可回避的問題是, 膜法（尤其是反滲透膜）由于其對進水的要求苛刻,不僅需去除結垢性 物質如鈣、鎂、硅等,還需去除有機物、懸浮物等,因而所需要的預處 理流程長,且加藥量較大,會導致運行費用增加,且會增加污泥排放量； 另外,膜系統由于其特有的結構,正常使用壽命約為 5 年左右,處理高含鹽廢水的膜運行壽命可能會更短,使用 3 年左右可能會出現膜元件的無法恢復而更換,那么,在壽命期膜的更換費用也會相當可觀。熱法濃 縮根據現已有廢水零排放的運行成果來看（神華榆林能源化工廢水零排 放）,濃縮可以達將近 30 倍,在進水含鹽量約為 20000mg/L 左右的情況下, 濃縮廢液含鹽量可高 150000mg/L,目前運行效果較好；據有關資料介紹, 熱法濃縮進水含鹽量在高于 50000mg/L 時,可直接進蒸發系統,無須進 行預濃縮,蒸發濃縮倍率 10 倍以上效果較好,而結晶系統的濃縮倍率 不宜太大,宜為 2-3 倍。

　　4 脫硫廢水處理經濟性分析

　　4.1 預處理及預濃縮系統經濟性分析

　　通過前述對脫硫廢水處理技術的分析,預處理的主要目地是為去除結垢性離子,以滿足后續系統的穩定運行,目前火電廠脫硫廢水的預處理因石灰  -碳酸鈉軟化  -沉淀池  -過濾器處理工藝較為成熟,應用較多； 預濃縮系統采用反滲透工藝較多,為防止反滲透膜有機物污染因素和結垢因素,在反滲透前設置納濾膜或投加大量的阻垢劑及消除有機物藥劑, 以去除和高倍率濃縮 COD 及其他有機污染物及易于形成結垢的二價陰離子和陽離子,由于投機藥劑阻垢及消除有機物的影響需要精確的運行控制,對系統的穩定運行影響較大,故以納濾 + 反滲透工藝作為預濃縮系統應用較多,本文以石灰  -碳酸鈉軟化  -沉淀池  -過濾器（預處理） + 納濾 + 反滲透工藝（工藝）為例進行經濟性分析。

　　表 1 為一典型脫硫廢水水質,以該水質為例分析預處理及與濃縮的設備如下：

　　預處理加預濃縮系統主要設備為：三聯箱、反應池攪拌器、澄清器、 污泥濃縮池、原水箱、原水泵、污泥濃縮池攪拌風機、清水泵、廢水提升泵、污泥循環泵、污泥排放泵、污泥脫水機、變孔隙濾池、納濾混合水箱、納濾原水箱、NF 原水泵、NF 保安過濾器、NF 高壓泵、NF 裝置、 反滲透低壓給水泵、反滲透保安過濾器、反滲透高壓泵、反滲透裝置、 加藥裝置及儀表等。

　　預處理系統噸水建安工程費：4.13 萬元,預濃縮系統噸水建安工程 費：18 萬元,合計：22.13 萬元。

　　噸水土建工程費：10.8 萬元。 噸水靜態投資合計 32.93 萬元。

　　噸水年折舊額（按 15 年直線法折舊,不考慮殘值）：2.2 萬元,年 利息（按 80% 貸款,年利率 4.9%）：862 元。

　　噸水運行成本：20.08 元。

　　噸水完全成本：22.7 元。

　　4.2 深度濃縮 + 結晶系統經濟性分析

　　濃縮分別以熱法及膜法為例分析系統運行費用及投資。

　　4.2.1 以膜法深度濃縮

　　以膜法深度濃縮的主要系統工藝組合有：DTRO+ 強制蒸發結晶系 統工藝、FO+ 強制蒸發結晶系統等,DTRO 是專門針對高濃度料液的 過濾分離而開發的工藝,而 FO 正滲透工藝由于濃縮液的分離影響運行 的穩定性,系統還不是很成熟,故本文以 DTRO+ 強制蒸發結晶系統工 藝進行經濟性分析。

　　DTRO+ 強制蒸發結晶系統工藝主要設備為：DTRO 低壓泵、安過濾器、DTRO 電加熱器、膜柱、加藥裝置、各類水箱、蒸發系統、結晶 系統、輔助系統等。

　　系統噸水建安工程費：分鹽 310 萬元,不分鹽 244 萬元。

　　噸水土建工程費：17 萬元。

　　噸水靜態投資合計分鹽 327 萬元,不分鹽 261 萬元。

　　噸水年折舊額（按 15 年直線法折舊,不考慮殘值）：分鹽 21.8 萬元, 不分鹽 17.4 萬元,年利息（按 80% 貸款,年利率 4.9%）：分鹽 1.07 萬元, 不分鹽 0.86 萬元。

　　噸水運行成本：膜更換費用（每 3 年更換一次膜）7.6 元,蒸汽耗 量 5 元,電費 15 元,清洗費用 0.2 元,維護費用 1.7 元,藥品耗量 0.2 元, 合計 29.4 元。

　　噸水完全成本：分鹽 55.5 元,不分鹽 50.2 元。

　　4.2.2 以熱法濃縮

　　2016 年 11 月實地考察了陜西某化工項目的實際運行情況,介紹如下：系統流程為熱法濃縮 + 結晶系統,來水水源為高效反滲透濃水 + 兩級鈉離子交換器的再生廢水；原水系統流程為：兩級高密度澄清池（石 灰、碳酸鈉雙堿法）—變孔隙濾池—超率裝置—兩級鈉離子軟化—高效 反滲透—清水至循環水系統,反滲透濃水及鈉離子交換器的再生廢水進入蒸發結晶系統,其中反滲透濃水濃縮倍率約為 10 倍,進入蒸發系統的水質如下：

　　蒸發系統采用的是垂直降膜蒸發器 +FC 強制循環結晶器,系統處理水量設計值為 40t/h,連續穩定運行 1 年多,運行中消耗的主要藥劑為阻垢劑及消泡劑,運行費用 32.19 元 / 噸,完全成本：44.57 元（其中每噸水的消耗包括：電耗：25.54KWh, 蒸汽：89.17kg,藥劑：7.87 元, 人工成本：2.64 元,設備折舊：12.38 元）。

　　系統靜態投資折算為噸水為 245 萬元。

　　噸水年折舊額（按 15 年直線法折舊,不考慮殘值）：16.3 萬元, 年利息（按 80% 貸款,年利率 4.9%）：0.8 萬元。

　　噸水運行成本：32.19 元。 噸水完全成本：51.7 元。

　　5 關于固廢

　　因水污染的日趨嚴重及水資源的匱乏,目前國家各部門均對廢水的 處理及水源的合理利用均非常重視,就如同十幾年前對廢氣的重視一樣, 截至到目前,廢氣的處理已經比較成熟且得到了有效的治理,而水的處理（零排放）現在剛處于起步階段,對固廢的處理還沒引起各級部門的重視,但是可以預見的是,隨著廢水零排放的大面積實施與應用,固廢的產生量也會成為又一環境污染源,如何處理固廢會成為又一環保課題。 脫硫廢水作為電廠廢水的末端處理系統,其廢水水質成分復雜,且常含有重金屬,有些重金屬是第一類污染物,經處理可以固化到固廢中,因 而如何界定固廢的屬性及如何處理成為固廢處理的關鍵,一般固廢處理 成本較低,約 2000~3000 元 / 噸,危廢的處理成本會非常高,約 4500 元 / 噸左右,根據危廢的定義,含有第一類污染物離子的化合物屬于危廢, 那么脫硫廢水產生的固廢將很大程度上會被定義為危廢,危廢的處理進 而又引發一系列的問題,如預防地下水的污染、滲濾液的處理,填埋場的處置等等問題,會對發電成本產生較大的影響。

　　噸水污泥產生量：預處理 + 預濃縮系統的污泥產生量為：0.006t, 按危廢界定,濃縮結晶系統污泥產生量為：0.01t, 按一般工業固廢界定。

　　6 廢水處理系統對發電成本的影響

　　通過上述分析,廢水處理主要按 3 大塊分析,即廢水預處理 + 預 濃縮單元,廢水深度濃縮單元,蒸發結晶單元,針對不同的電廠水質不同, 廢水來源不同,系統選擇會有差別,本文以火電廠典型的脫硫廢水水質作為分析,預處理系統采用雙堿軟化 + 過濾,預濃縮系統采用納濾 + 反滲透工藝,深度濃縮系統分別按熱法及膜法工藝進行分析,最后是蒸發結晶系統。

　　（1）各系統單元噸水靜態投資合計為：采用膜法濃縮系統：分鹽 360 萬元,不分鹽 294 萬元；采用熱法濃縮 245 萬元。（2）噸水運行費 用為：膜法濃縮分鹽 49.48 元,熱法 32.19 元；（3）噸水年折舊及利息額： 采用膜法濃縮系統：分鹽 24.1 萬元,不分鹽 19.7 萬元；采用熱法濃縮 19.4 萬元。（4）固體廢物噸水處理費用：47 元（危廢處理費按 4500 元 / 噸,一般工業固廢處理費按 2000 元 / 噸）。（5）加上固廢的處理費用, 噸水運行費用膜法 96 元,熱法 79 元；（6）廢水處理對發電成本的影響。

　　按處理量 10t 考慮 , 以 2 臺 350MW 機組為例,機組年運行小時按 7000h, 年利用小時數按 5000h 計 , 膜法對發電成本的影響約為 2.6 元 / MWh；熱法對發電成本的影響約為 2.13 元 /MWh。