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火电厂循环排污水减量排放方案设计与比较

2024-11-28 48 上传者：管理员

摘要：针对某燃气电厂循环冷却排污水减量排放的环保要求，本文基于循环冷却水高效软化工艺，提出了“旁流高效软化”和“旁流高效软化+膜深度浓缩+蒸发结晶”2种循环排污水旁流减量排放方案。对2种技术方案进行经济性分析，结果表明，方案一具有流程简单、技术稳定可靠的特点，适用于允许循环冷却排污水直接排放的工况；而方案二则具有浓缩倍率高、可实现近零排放等优势，适用于减排要求较高、设备耐腐蚀性较差的情况。

关键词：
减量排放
循环冷却排污水
经济性分析
蒸发结晶
高效软化
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1、前言

火力发电行业是我国的工业用水大户[1-2]，对于燃气电厂来说，开放式循环冷却水系统的用水量及排污量最大，是电厂节水减排的重点和难点。由于冷却塔存在蒸发损失，塔内的循环冷却水不断浓缩，致使水中的各类污染物浓度发生变化，如浊度上升、pH值升高、硬度增加、微生物滋生及难降解有机物增加等[3]。上述污染物的积累容易导致循环冷却设备出现结垢、腐蚀等现象。因而，为保障循环冷却水系统正常运行，需定期排放冷却塔系统中的部分冷却水(即循环排污水)，并同时补充新鲜水。

循环水系统节水减排的重要措施是提高浓缩倍率[4-5]，但当水中硬度、碱度等指标超过系统耐受限值时，浓缩倍率也达到了上限。若想再进一步提高浓缩倍率，需采用循环水旁流处理，以去除循环冷却水中的悬浮物、微生物、硬度、磷酸盐等有害成分[6-7]。常用的循环冷却水旁路处理工艺包括石灰处理、混凝沉淀、离子交换、纳滤、反渗透等[8]。以上旁路处理工艺都有着各自的优势及局限性，实际应用过程中，往往需要针对电厂及循环冷却水水质的实际情况进行综合考虑，选择合适的旁路处理方案。

某燃气电厂位于广东省中南部，厂区内无脱硫系统，也无可消纳全部循环冷却排污水的二次回用点，拟通过循环水的旁路处理工艺，实现循环水减排、提高循环水浓缩倍率、降低排污费用及综合运行成本的目标。本文针对该电厂的循环冷却排污水治理难题，基于循环冷却水高效软化处理工艺，提出了2种循环水减排方案，进行了技术经济性比选。方案的设计及比选结果将为其他电厂的循环水旁流处理的设计提供借鉴和参考。

2、电厂基本情况

某燃气电厂一期建设2×180 MW、二期建设2×460 MW的燃气-蒸汽联合循环发电机组，是粤港澳大湾区重要的调峰电源。厂区一期生产水源为水源1，二期生产水源为水源2，均为江河水。二期冷却塔补水水源为供水系统出水、回用水及一期循环排污水。二期循环冷却水系统配备10台5600 m3·h-1流量的机械强制通风冷却塔，共用3台循环水泵、2台辅助循环水泵。电厂环评批复的排放标准为广东省《水污染物排放限值标准》(DB 44/26-2001)第二时段一级标准。水源1与水源2的水质指标如表1所示，其中，原水中的硅含量较高，需特别关注。二期循环冷却水实际运行水质如表2所示，可以看出运行的浓缩倍率较低，约为4～8倍，存在较大的节水减排空间。

在投加阻垢缓蚀剂的前提下，结合设计规范[9]综合分析目前的二期循环冷却系统情况，建议增加旁流处理并进一步提升浓缩倍率。本研究综合分析了二期电厂的实际情况，提出了2种基于旁流高效软化的循环冷却排污水减量排放方案。

表1 水源1和水源2主要水质指标(n=12)

表2 不同浓缩倍率下的循环水水质数据

3、循环冷却排污水减量排放方案

高效软化技术可以实现对循环冷却排污水中的钙、镁、硅、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)、总磷的有效去除。由此，本研究提出了“旁流高效软化”和“旁流高效软化+膜深度浓缩+蒸发结晶”2种循环排污水减量排放方案。

3.1 方案一——旁流高效软化

由于钙、镁、硅通常是浓缩倍率提高的限制指标，方案一提出采用高效软化工艺对循环冷却水进行旁路软化处理。系统的工艺流程如图1所示。循环冷却塔中的循环水在提升泵的作用下，部分水通过旁路进入高效软化单元，在反应池中投加除钙剂、除镁剂[10]去除硬度(Ca2+、Mg2+)，同时往其中投加除硅剂[11-12]进行硅元素的去除；于沉淀池中投加絮凝剂，协同去除部分TP、COD、悬浮物。处理后的出水经过固液分离后，污泥外排，进入固废处理系统，上清液进入清水池，回流至循环冷却塔，作为冷却塔回用水。该方案可以有效去除循环冷却水中的钙、镁、硅、部分COD以及磷酸盐，降低循环冷却塔中结垢因子的浓度，延长循环冷却设备的使用寿命，同时提高浓缩倍率，减少排污水量。

然而，当减量排放到一定程度时，循环冷却水中不断浓缩的氯离子和盐度将成为限制进一步浓缩的关键指标，高浓度的氯离子(Cl-)具有极强的活化能，易对循环冷却设备的管道或换热器造成点蚀或缝隙腐蚀等局部腐蚀[13]。方案一仅解决了钙、镁、硅和磷的问题，并未解决Cl-及盐分带来的潜在设备腐蚀风险。因此，如考虑可溶性盐类及Cl-的深度削减，需对旁流高效软化工艺进行进一步的优化和改进，以拓展其应用范围。

图1 方案一工艺流程

3.2 方案二——旁流高效软化+膜深度浓缩+蒸发结晶

为实现循环排污水的进一步减排，降低回用水中的含盐量，避免高浓度Cl-对循环冷却设备造成腐蚀，工业上常采用反渗透、纳滤、电渗析等方法对循环水进行脱盐处理[14–17]。因此，在前述旁流高效软化基础上，结合本研究团队专利技术[18]，提出“旁流高效软化+膜深度浓缩+蒸发结晶”方案。方案二的工艺流程如图2所示。首先，循环冷却水经过高效软化处理后的冷却水进入超滤膜系统。循环冷却水经过高效软化处理后，可以大大减轻后续的超滤膜污染，延长超滤膜反洗及离线化学清洗周期[17-19]；经超滤膜预过滤后，出水进入到两级反渗透系统进行浓缩(回收率约为93%)，反渗透膜可将99%以上的可溶性盐类截留在浓缩液中[20]；两级反渗透的产水作为淡水回流至冷却塔中，少量的高含盐浓水(约6%～7%)进入蒸发系统(蒸汽机械再压缩，mechanical vapor recompression,MVR)进行蒸发结晶；蒸发结晶产生的混盐作为固废排出系统，进入固废处理系统，而蒸发冷凝水则作为淡水回流至冷却塔。根据水量平衡图(图2)，该工艺总淡水回收率可高达99.4%，仅产生少量化学污泥及结晶盐，可实现循环冷却排污水的近零排放。此外，由于两级反渗透可对循环冷却水中的无机盐进行高倍浓缩，因此可大大减少蒸发系统的进水量、增大进水含盐量，进而降低蒸发结晶的投资成本。

图2 方案二工艺流程

4、2种方案的技术经济性对比

对2种方案进行经济性分析，结果如表3所示。进行经济性比选时，选取的补水水质为水源2平均水质(见表1)。分析结果显示，由于方案二采用了深度膜工艺及蒸发工艺，能耗较大，且需定期更换膜组件，因而建设投资费用和运行费用都明显高于方案一。此外，由于方案二流程长、设备多，运行维护难度更大。相较于方案二，方案一使用了工程上较为成熟的药剂和设备，具有流程简单、技术成熟、稳定可靠的特点。且由于方案一不涉及膜处理系统，因此不存在高能耗和膜污染等问题。但同时，由于传统的软化药剂和絮凝剂无法对钠离子(Na+)、Cl-和SO42-进行有效去除，因此方案一也具有对总溶解性固体(Total dissolved solid,TDS)脱除不彻底、浓缩倍率及减排量存在上限等局限性。综合来看，设有外排口、对排放量和排水标准要求不严格，且循环冷却设备具有良好耐腐蚀效果的情况，可优先考虑选择方案一作为循环冷却排污水的减量方案。

然而，由于方案二可实现近零排放，其所产生的循环冷却水排污费用远低于方案一，甚至可实现零排污。相较于方案一，方案二所需的补水量更少，所能达到的浓缩倍率更高。因此，其吨水处理费用及年运行费用与方案一相比差距并不明显。此外，方案二中提及的反渗透膜具有较高的盐截留率，能截留原水中99%以上的TDS[21]，回收大量优质淡水，避免循环冷却水中高浓度Cl-和SO42-对设备造成腐蚀。故对于排放要求高，设备耐腐蚀性较差的情况，方案二在技术可行性上更具优势。

表3 2种循环冷却排污水减量方案的经济性比较

5、总结

针对南方某燃气电厂二期的循环冷却排污水的减量排放要求，本文基于旁流高效软化的试验结果，提出了2种循环冷却排污水减量方案。通过技术经济性分析，方案一“旁流高效软化”具备流程简单、技术成熟可靠、运行维护简单、成本低廉等优势，适用于允许排放且有充足外排量的电厂。相较之下，方案二“旁流高效软化+膜深度浓缩+蒸发结晶”虽具有更高的运行和投资费用，但由于其能产生大量高品质淡水、实现循环冷却排污水近零排放，故而适用于减排要求更高、设备耐腐蚀性较差的情况。此外，也可考虑将文中所述的两种方案进行分步实施，即先按方案一增设旁流高效软化装置，待环保政策紧缩时，再按方案二增设膜深度浓缩和蒸发结晶设备，进一步提高循环水浓缩倍率。

目前，国内许多地区对于发电厂外排循环冷却排污水的水质做出了日益严格的规定，循环水处理技术提标已是大势所趋。本研究提出的2种循环水旁流减排方案将为相关电厂的循环冷却排污水处理系统提标改造提供一种新的思路。然而，本文中技术经济性计算是基于理论计算，而非工程实际。在今后的研究工作中，应积极开展两种方案的中试试验，获取长期运行数据，以便开展更为全面的技术经济性分析，从中优选出最适合该电厂实际情况的减排方案。

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