皙全純水設備淺析火電廠脫硫廢水零排放處理技術
【天津純水設備http://m.xyzpkj.cn】根據國家提出的“實施國家節水行動”，“加快水污染防治”的決定，在保證電廠安全運行前提下，采用先進節水與廢水零排放技術，使有限的水資源發揮更大經濟效益，是我國發展電力工業的必然選擇和發展趨勢。本文列舉了某電廠1000MW機組脫硫廢水零排放處理中試實例，對大型火電機組脫硫廢水零排放處理技術路線選擇與問題解決提供參考。
某電廠2×1000MW機組采用石灰石-石膏濕法脫硫，系統工藝要求需要連續排放一定量的廢水以維持吸收塔氯離子濃度天津純水設備，脫硫系統設計廢水處理采用常用的三聯箱沉淀法，通過中和、沉淀、絮凝等工藝去除脫硫廢水中的重金屬和懸浮物等污染物，蘇州水處理設備處理后廢水水質達到國家《污水綜合排放標準》(GB8978-2002)規定第一類污染物最高允許排放濃度及第二類污染物最高允許排放濃度一級標準，處理后脫硫廢水主要用于鍋爐渣水系統、干灰拌濕、灰場噴灑等，為進一步提高電廠節水綜合利用水平，電廠委托江蘇某環保科技公司進行了脫硫廢水零排放處理中試。
1 電廠脫硫廢水零排放處理中試工藝技術
根據電廠現有工藝系統、水質情況及應用要求，經過綜合分析，確定電廠中試采用“化學預處理+分質(鹽)+膜減量濃縮+MVR蒸發結晶”技術路線。
1.1 技術要求
1.1.1進水條件
電廠中試進水水量為5m3/h，水質具有以下特點。
1)進水硬度較高，鎂硬遠高于鈣硬;
2)進水含鹽量較高，僅采用普通卷式反滲透的濃縮倍數較低，采用極性分流(質)與高壓平板膜結合的技術可以有效的提高濃縮倍數，降低蒸發水量;
3)水體中主要陰離子為氯離子、硫酸根離子，其他離子共存，同時水中COD較高。采用極性分流(質)單元將氯化物與硫酸鹽分離，同時分離大分子COD和氯化物，使得極性分流(質)產水氯化鈉純度較高，其余鹽分在蒸發結晶單元利用溶解度的差異與氯化鈉進行分離。
1.1.2 產水水質要求
根據《城市污水再生利用工業用水水質》GBT19923-2005的規定，經過脫硫廢水零排放系統處理后的產水可以回用于系統內部。
1.1.3固化鹽要求
經過脫硫廢水零排放系統后的工業鹽可以達到《工業鹽》GBT5462-2003標準中精制工業鹽二級標準。
1.2 工藝流程
電廠中試采用“化學預處理+分質(鹽)+膜減量濃縮+MVR蒸發結晶”技術路線，見下列系統框圖。
圖1 工藝流程
脫硫廢水中試設備預處理及膜濃縮設備均為集裝箱式。系統主要由GIC預處理系統、極性分流系統、膜濃縮系統、MVR蒸發系統及配套的清洗系統組成。設計處理量5m3/h，通過膜濃縮后剩余廢水進入蒸發器蒸發，天津純水設備得到純度較高的合格工業鹽。
1.2.1 中試裝置來水為系統三聯箱出水，經過三聯箱后出水懸浮物得到較好去除，直接進入GIC預處理系統加藥，加藥系統采用料倉加藥，每種藥劑配一個溶藥箱一個計量箱，軟化系統加藥主要包括石灰、硫酸鈉、碳酸鈉、PFS、PAM。加藥系統集裝箱還包括污泥處理系統，含污泥沉淀箱、板框壓濾機及其配套設備。
1.2.2 GIC軟化產水溢流進入浸沒式超濾系統將未完全沉淀的懸浮物過濾，保證后續膜分離及膜濃縮系統的正常運行。
1.2.3過濾后的產水進入極性分流(質)系統進行分鹽，分離后濃水氯離子含量較低，回用到脫硫塔系統，產水為較純凈的氯化鈉濃鹽水，通過高壓反滲透系統濃縮后最終濃水進入MVR蒸發系統。
1.3 中試技術路線主要特點
1.3.1 GIC預處理系統采用硫酸鈉代替大部分碳酸鈉可以極大的降低系統的運行成本;
1.3.2極大限度的利用膜系統作為蒸發的預處理，160bar高壓平板膜系統將蒸發水量降到最低，降低整體系統的運行及投資成本;
1.3.3極性分流(質)系統濃水氯離子含量較低，天津純水設備回流至脫硫塔利用，分鹽的同時可以降低后續設備的投資成本;
1.3.4集成化設計，占地面積小，運輸方便，布置自由;
1.3.5采用MVR蒸發工藝比傳統多效蒸發，降低運行成本;
1.3.6采用鹽鹽分離、鹽與COD分離的工藝，只產生一種合格的工業鹽(氯化鈉)，簡化了副產物處理環節，工業鹽滿足《工業鹽》GBT5462-2015標準中精制工業鹽二級標準，實際生產增加二級處理后產水可達到《城市污水再生利用工業用水水質》GBT19923-2005標準回用，減少場內購水成本。
2 脫硫廢水零排放中試效果與經驗總結
2.1 中試各階段實施情況
2.1.1 GIC除硬技術
目前較為常用的除硬技術包括石灰-碳酸鈉除硬法，即雙堿法;江蘇某環保科技公司在雙堿法的基礎上做了適當改進：水質相對穩定且優時，加入硫酸鈉;水質劣化時，加入適量碳酸鈉，有效地降低了化學軟化的藥劑成本，是經濟有效的除硬技術。
本次中試通過添加石灰、硫酸鈉、結晶引發劑、碳酸鈉、PAC、PAM等，在GIC預處理過程中分質沉淀，盡可能的降低了危廢處理量，將脫硫廢水中大部分硬度去除，同時去除廢水中的重金屬及懸浮物。
加入石灰主要與水中的重金屬、碳酸鹽硬度及鎂離子進行反應：
Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2O
Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→CaCO3↓+ MgCO3+2H2O
MgCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Mg(OH)2↓
MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCl2
加入硫酸鈉與水中的鈣離子反應：
CaCl2+Na2SO4→CaSO4↓+2NaCl
加入純堿與未反應完全的鈣離子發生反應剩余：
CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCl
2.1.2極性分流(質)系統
極性分流(質)為本工藝的核心環節，其作用在于分離濃縮二價鹽的同時，負截流一價鹽，使得濃水氯化鈉含量降低，可以返回軟化系統前端，同時可以返回脫硫塔內回用。
I.若不采用極性分流(質)系統：
1)軟化出水直接進入抗污染反滲透或高壓平板膜系統，會增加反滲透及高壓平板膜的負荷，增加抗污染反滲透及高壓平板膜的支數;
2)水體為混鹽系統，最終蒸發后只能得到混鹽，晶體為硫酸鈉、氯化鈉和COD的混合物，沒有利用價值，還要增加固廢處理成本，若采用傳統工藝進行分鹽，最終產生兩種鹽，增加副產物處理環節;
II.采用極性分流(質)系統：
1)濃水氯離子含量較低，可回流至脫硫系統再利用，產水則經過海水淡化膜及高壓平板膜系統進行再濃縮，最終進行蒸發結晶達到零排放;
2)采用極性分流(質)系統后，減少了后續工段的負荷，同時二價鹽被截留，減少了水體含鹽量，提高了后續工段的濃縮倍數，進一步降低蒸發水量，可有效降低運行成本;
3)采用極性分流(質)分離二價鹽后，一價鹽的純度更高，最終蒸發后的結晶可以達到精制工業鹽二級標準。
注：以下數值為水樣送檢檢測的平均值。
圖2 極性分流(質)系統對二價鹽的截留率
圖3 極性分流(質)系統通量變化曲線
1)極性分流(質)系統對二價鹽截流效果較好，出水硫酸根離子幾乎檢測不到;
2)極性分流(質)系統對氯離子的負截流效果較好，濃水氯離子含量約2000mg/L;
3)極性分流(質)系統運行半個多月期間處理效果穩定，通量穩定且大于500L/支;
4)極性分流(質)產水鈣硬<1mmol/L，完全能能保證后續深度濃縮不結垢的要求;
5)運行半個月期間未進行化學清洗，性能維持穩定。
2.1.3 海水反滲透系統
極性分流(質)產水主要含鹽為氯化鈉，在進高壓平板膜系統前，先通過海水反滲透進行預濃縮以減少設備投資。海水反滲透是在反滲透的基礎上做了改進，使得膜系統耐壓更高，對鹽的截留率更高，本系統采用的陶氏SW30HRLE-400型海水淡化膜，不僅對鹽類具有較高的截留率，還能降低耗能。
圖5 卷式反滲透系統平均通量變化曲線
1)經過極性分流(質)后的產水水質較好，海水反滲透設計通量可以適當增加，減少整體設備投資，運行期間平均通量大于20L/m2?h，運行半個多月未進行化學清洗，通量波動不大;
2)運行期間反滲透系統截留率最高可達98%，平均截留率大于96%，運行穩定，產水可根據用途進行二級處理;
3)經過海水反滲透處理后的氯化鈉溶液平均含鹽量約3.5%，由于進水氯化鈉與硫酸鈉含量波動較大，所以海水反滲透濃水含鹽量略有波動，按照中試進水氯化鈉含量，實際生產大水量可繼續提高該段濃縮倍數，使得最終濃水含鹽量大于5%，進一步減少后續高壓平板膜投資。天津純水設備
2.1.4 高壓平板膜系統
高壓平板膜系統是一種超高壓力的反滲透系統，最高運行壓力可達到160bar，適用于高鹽度廢水、海水、以及各種高濃度水性物料的高倍數濃縮和處理。本次中試高壓平板膜系統使用160bar級別的高壓平板膜元件，最高進膜壓力可達160bar，濃水最高平均含鹽量大于11.5%，運行穩定，其優勢在于：
1)不需頻繁的清洗維護，高濁度進水的情況下，清洗周期也能達到3周以上;
2)只需按動啟動開關，系統自動啟動;
3)無需單獨設置工作崗位、經過培訓后普通工人均可操作;
4)無需頻繁現場管理，只需偶爾巡視;
5)設備穩定可靠，單次運行無故障時間可達3000小時;
6)正常年檢修時間不超過100小時;
7)對原水預處理要求低，最高適用于濁度80NTU的進水水質的處理;
8)抗污染性能好，即使在高濁度進水的情況下，通量衰減依然較小。
中試高壓平板膜系統所使用的膜材質為聚酰胺材質，加速老化實驗表明，膜柱在使用3年后，其膜截留率是最開始使用時的95%以上，蘇州水處理設備其使用壽命按照設計經驗在3～5年，對于有機廢水，由于水中的有機物含量高，膜的使用壽命正常情況下在3～5年以上。
圖7 DTRO膜系統截留率及進膜壓力變化曲線
1)運行期間高壓平板膜系統平均截留率可達97%以上，運行穩定，產水可根據用途進行二級處理;
2)經過高壓平板膜處理后的氯化鈉溶液含鹽量約10%-12%，系統運行壓力可達150bar，系統運行穩定，運行期間僅進行了一次清洗，通量變化不大，平均通量大于100L/支膜。
2.1.5 MVR蒸發系統
上述經膜濃縮系統濃縮后的高鹽濃水，最后進入MVR蒸發系統制取高純度氯化鈉工業鹽產品，機械蒸汽再壓縮蒸發(MVR)技術是采用機械壓縮的方法，將二次蒸汽的溫度、壓力提高后做為加熱蒸汽使用的一種技術，與傳統蒸發器加熱方式相比，在蒸發等量液體的情況下其所需能耗將大大降低，以下表所示為例，將60℃的水加熱到80℃的加熱蒸汽時，所需熱媒提供的熱量為2391.9kJ/kg，而由60℃的蒸汽加熱到相同狀態的加熱蒸汽時，所需要的能量僅為34.27kJ/kg。因此MVR技術只需少量的動力輸入就可以維持系統的運行，而無需如多效蒸發器那樣為獲得生蒸汽消耗大量的能量。
2.3 經驗總結
1)化學軟化出水水質穩定，隨進水硬度的增加，加藥成本有所增加，穩定運行時出水硬度可達2-5mmol/L;系統運行處理成本約48.85元/噸水;
2)極性分流(質)系統運行穩定，濃水氯離子小于2000mg/L，平均運行通量大于500L/支;
3)反滲透系統在為期一個月的運行中未進行化學清洗，通量穩定，系統對鹽的平均截留率大于96%，實際生產對反滲透及高壓平板膜產水進行二級處理，最終產水含鹽量可小于500ppm，達到《城市污水再生利用工業用水水質》(GB/T 19923-2005)標準;
4)采用高壓平板膜系統濃縮反滲透濃水，最高濃縮倍數可達5倍以上(與進水含鹽量有關)，最終濃水含鹽量可達12%，有效的降低了后續MVR蒸發設備的投資及運行成本;最高進膜壓力可達160bar，在高鹽濃度下系統對鹽類的平均截留率大于97%;
5)高壓平板膜濃水經過MVR蒸發后得到晶體鹽，該鹽中氯化鈉含量高，大于98%，達到GB5462-2015《工業鹽》中精制工業鹽二級標準;
6)中試整體運行平穩，持續運行時間半個多月，處理期間未進行清洗，沒有污堵和結垢問題。
3 結語
本文介紹了“化學預處理+分質(鹽)+膜減量濃縮+MVR蒸發結晶”脫硫廢水零排放處理技術在某電廠2×1000MW機組的中試應用情況。經檢測結果和驗收情況表明，各項指標達到國家、行業標準，符合電廠提升節水綜合利用的要求。通過進一步概述工藝系統的GIC除硬技術、極性分流(質)系統、海水反滲透系統、高壓平板膜系統、MVR蒸發系統等介紹，為脫硫廢水零排放技術路線的選擇提供參考。就目前國內脫硫廢水零排放處理技術路線而言，有成熟應用的技術路線較多，各種技術總體可分為濃縮減量段、尾水固化處理段兩部分。濃縮減量段多采用“部分軟化+常溫結晶分鹽+膜濃縮”等，副產硫酸鈣及氯化鈉純鹽等;尾水固化處理段多采用MVR蒸發、多效蒸發、旁路煙道蒸發等方式。選擇工藝不同的技術路線，對系統投資、運行維護成本、產生的固體廢棄物影響較大，建議電廠考慮全廠廢水處理時，做到分質階梯利用，無法直接利用的工業廢水以脫硫系統工藝補水作為處理標準，以達到全廠廢水零排放，對于部分電廠有特殊要求，可以考慮分鹽蒸干等方式。天津純水設備，天津水處理設備，天津去離子水設備。
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