水泥窯余熱發電鍋爐補給水處理工藝設計

□程明濤

一、引言

水泥是不可或缺的建筑材料，但生產過程要大量消耗一次能源(煤炭)、二次能源(電力)，屬于高能耗產業。雖然近年來水泥技術有了長足的發展，大大提高了工藝系統的熱效率，新型干法水泥生產線中2，500t/d、5，000t/d的熟料熱耗已分別達到3，265kJ/kg(780 kcal/kg)、2，970kJ/kg(710kcal/kg)，但能耗高、CO2排放量高的局面并未得到實質性改善，尤其是大量的中低溫廢氣余熱沒有得到充分利用，造成余熱資源大量浪費，和節能降耗的總趨勢是相悖的。

新型干法水泥生產工藝中，余熱資源主要來自窯尾預熱器和窯頭篦冷機的廢氣。這部分廢氣在烘干原料和燃煤后，還蘊含有水泥熟料燒成系統總熱耗量30%左右的熱量。進一步利用這些中、低品位的余熱是水泥生產企業資源綜合利用、節約能源、減少溫室氣體排放的有效途徑，有益于國家可持續發展目標的實現。為降本增效，節能減排，目前大多數水泥生產線均利用窯頭、窯尾的中、低溫煙氣進行余熱發電，響應國家政策。某水泥生產企業有兩條規模為4500t/d+5000t/d水泥熟料生產線，熱力計算后可配置余熱鍋爐4臺，具體參數見表1。

表1 鍋爐熱力參數表

經熱力計算，本工程裝機容量為2×9MW，每一條水泥生產線配置一臺9MW補氣凝汽式汽輪機，聯網并上網運行。AQC和SP鍋爐的高壓蒸汽匯合后進入汽輪機做功發電，AQC鍋爐的低壓蒸汽作為汽輪機補汽。

二、鍋爐補給水水質要求

本項目的余熱鍋爐為汽包爐，過熱蒸汽壓力1.54MPa，AQC過熱蒸汽溫度360℃，SP鍋爐過熱蒸汽溫度300℃，額定蒸汽產量88.9t/h。經查相關規范確定全廠鍋爐廠內汽水循環損失和對外供汽損失總和為3%，鍋爐的排污率按1%設計，即正常運行時補水量為3.55t/h。為防止鍋爐結垢，延長鍋爐使用壽命，為每條生產線窯頭窯尾鍋爐配置一套磷酸鹽加藥裝置，爐內加磷酸鹽控制鍋爐結垢。考慮到項目啟機或事故時的用水量(額定蒸發量的10%)及業主方面的要求，最終鍋爐補給水處理能力定為20t/h。鍋爐水、汽質量分別執行《工業鍋爐水質》(GB/T1576—2008)、《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》(GB/T12145—2008)的要求。

表2 汽包鍋爐給水、爐水的質量控制標準(GB1576－2008)

表3 汽包爐的過熱蒸汽和飽和蒸汽質量控制標準(GB1576－2008)

三、鍋爐補給水處理工藝系統的選擇

該項目位于東北，水源為當地機井井水，總硬度略高為252.24 mg/L(CaCO3計)，陰離子中以HCO3－占絕大部分，其次是，Cl－僅占很小部分。

(一)處理工藝的選擇。目前，鍋爐補給水處理工藝大致分為離子交換工藝、一級反滲透+混床、反滲透+EDI等幾種，各自的工藝流程如下。

離子交換工藝:原水－原水箱－原水泵－多介質過濾器－活性炭過濾器－5μm精密過濾器－陽離子交換床－陰離子交換床－陰陽離子混床－微孔過濾器－用水點。

一級反滲透+混床:原水－原水箱－原水泵－多介質過濾器－活性炭過濾器－軟水器－5μm精密過濾器－一級反滲透－中間水箱－中間水泵－混合離子交換器－微孔過濾器－用水點。

反滲透+EDI:原水－原水箱－原水泵－多介質過濾器－活性炭過濾器－軟水器－5μm精密過濾器－一級反滲透－pH調節－中間水箱－中間水泵－EDI裝置－微孔過濾器－用水點。

以上各工藝過程是制取除鹽水的主流工藝，各有其優缺點。就離子交換工藝而言，離子交換樹脂的再生需要消耗大量酸堿，導致大量含酸堿廢水的產生，廢水的后續處理比較困難，環境污染問題也不容忽視;且樹脂交換容量的利用率低，損耗率大，再生操作復雜，需要時間長。在自動化要求越來越高和環保要求日趨嚴格的大環境下，其應用的局限性越來越突出。在反滲透+混床工藝中，作為前處理的反滲透工藝除去了絕大部分鹽分，經過離子交換后出水水質可以得到很好的保證，離子再生過程中所需酸堿耗量較純離子交換工藝也有所減少，且投資成本適中，是近幾年多數熱電廠選擇鍋爐補給水工藝的首選。但是，隨著環保要求的日益嚴格，混床再生時必須停機才能操作，不能實現連續運行，也不是最優選擇。在反滲透+EDI工藝中，由于EDI裝置對進水水質要求極為嚴格，一級RO產水經常達不到EDI裝置的進水要求，需要兩級RO才能滿足EDI裝置的進水要求，在同等出力下，投資成本將大幅增加，限制了此工藝的推廣與使用。因此，本項目采用一級反滲透+混床的水處理工藝。

表4 原水水質

(二)一級反滲透+混床工藝設計。

1.工藝流程。鍋爐補給水采用反滲透+混床處理工藝，其主要工藝流程如下:管網供水→原水箱→原水泵(一用一備)→多介質過濾器→活性炭過濾器→熱交換器→5μm保安過濾器→高壓泵(一用一備)→反滲透裝置→除碳器→中間水箱→中間水泵(一用一備)→混合離子交換器→樹脂捕捉器→除鹽水箱→除鹽水泵(一用一備)→熱力系統。

系統輔助工藝流程有:過濾器反洗系統、RO清洗系統、混凝劑投加系統、殺菌劑投加系統、阻垢劑投加系統、還原劑加藥系統、加氨系統和混床再生系統等。

2.預處理系統。反滲透膜對進水水質有著嚴格的要求(詳見表5)，必須對原水進行預處理才能達到相關要求。本項目擬采用多介質過濾器+活性炭過濾器的組合工藝作為預處理系統，對原水進行預處理。

表5 反滲透進水水質要求

經多介質過濾器，主要用于去除原水的懸浮物質和膠體，降低原水的濁度。其主要作用機理為過濾截留。原水流經裝有各級不同粒徑石英砂的過濾器，在較低濾速下，原水中較大的顆粒懸浮物和膠體等能有效地被過濾截留而得到去除，使出水的濁度小于1mg/L，以保證后續處理的正常運行。本項目還在多介質過濾器投加殺菌劑與絮凝劑，對原水進行殺菌、絮凝，確保多介質過濾器能夠對水中的濁度進行有效的去除，滿足反滲透的進水要求。

經多介質過濾器過濾后的原水，濁度已經得到很大的改善，但依然有余氯、少量的有機物和懸浮物等雜質，需要進一步處理才能達到反滲透膜的進水要求。活性炭是一種多孔碳，孔隙結構發達，堆積密度較低，具有巨大的比表面積。獨特的孔隙結構及表面活性官能團的存在，賦予活性炭超強的吸附能力，使其對氣體、溶液中有機或無機物質、膠體顆粒均具有較強的吸附能力。當原水流經活性炭過濾器時，各種懸浮顆粒、有機物等被吸附在活性炭孔隙中;同時，吸附于活性炭表面的余氯在其表面發生氧化反應，被還原成Cl－，余氯得到了有效的去除，確保出水其含量小于0.1 mg/L，滿足RO膜的運行條件。

3.除鹽系統。經過預處理的水經高壓泵加壓后進入反滲透裝置，在壓力作用下，水分子透過膜成為純水，而其他可溶性離子、有機物、細菌病毒及極細小顆粒則被截留在反滲透膜表面，最終隨小部分濃水排入地溝。在進入反滲透之前設置還原劑與阻垢劑加藥裝置，分別投加亞硫酸氫鈉溶液和反滲透專用阻垢劑，防止反滲透膜被氧化和結垢，并設置板式換熱器，對原水進行加熱，確保水溫在25℃左右，延長設備使用壽命。

反滲透系統采用一級兩段設計，系統回收率≥75%，一段和二段采用3:1配置，第一、二段壓力容器分別為3個、1個，每個壓力容器內裝4根膜元件，反滲透膜采用聚酰胺復合膜，其最高操作溫度45℃，最高操作壓力4.1MPa，pH范圍為2～11。

在反滲透裝置之后設置混床，對反滲透出水進行精除鹽。在進入混床之前，反滲透產水先進行脫氣處理，除去其中的CO2，保證離子交換的正常工作。陽、陰樹脂裝填的比例為1:2，總裝填高度1.5m，并設100%的反洗再生膨脹空間。本系統于2014年11月初投入使用，系統產水經當地鍋檢所檢驗后相關水質標準如下(水樣來自混床出水)。

表6 鍋檢所水質檢驗報告

從表6中可得出，出水水質各項指標均符合本項目的要求。期間由于由于機井剛開挖完成不久，濁度一度達到6 FTU以上，但通過增大絮凝劑加藥量及過濾器反洗頻率，成功的保證了出水水質的穩定，出水電導率始終穩定在1.0 μS/cm以下，為整個余熱發電項目的順利進行提供了保障。

四、結語

通過對各種鍋爐補給水處理系統的分析比較可知，一級反滲透+混床除鹽工藝能夠很好地滿足鍋爐補給水的水質要求。在水泥窯余熱發電工程中，由于補給水水量普遍偏小(＜20t/h)，反滲透+混床的工藝在保證出水水質的同時，項目投資較其他工藝也具有比較優勢，值得同類工程進行借鑒。但由于混床的存在，再生過程中需要用到酸堿，并產生含酸堿廢水，這和日益嚴格的環保要求是相悖的，值得廣大同仁的深思。

［1］GB/T1576—2008工業鍋爐水質［S］.

［2］GB/T12145—2008火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量［S］.

［3］GB/T50109—2006工業用水軟化除鹽設計規范［S］.

［4］DL/T5068—2006火力發電廠化學設計技術規程［S］.

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