電廠除鹽水系統設計優化分析

謝　峰，楊　程

(1.江蘇利港電力有限公司，江蘇江陰214444；2.陶氏化學(中國)投資有限公司水處理及過程解決方案業務部，上海201203)

?

電廠除鹽水系統設計優化分析

謝峰1，楊程2

(1.江蘇利港電力有限公司，江蘇江陰214444；2.陶氏化學(中國)投資有限公司水處理及過程解決方案業務部，上海201203)

摘要：目前電廠除鹽水制水系統的設計都以反滲透系統作為核心進行設計，而反滲透的產水精制則以電除鹽為核心的全膜法和以離子交換樹脂為核心的兩種方案并存，對各種技術路線進行經濟技術比較對于電力企業的除鹽水系統的設計與運行具有重要意義。以長江水作為水源的某電廠為例，從業主的實際運行角度對目前常見制水設計方案的運行成本進行對比核算和優化分析。成本分析顯示，電費和蒸汽消耗在全膜法運行成本中占據較高比例，同時廢水處理成本亦在一級反滲透-樹脂法中占比較高。兩種方案經過設計優化之后其運行成本均得到有效降低，而全膜法的產水水質和單位制水成本為最優。

關鍵詞：全膜法；低壓反滲透膜；制水成本；節能；優化設計

0引言

近年來，隨著膜法處理技術的日趨成熟完善，反滲透膜已經廣泛應用于水處理和物料分離領域。尤其是在電廠的除鹽水系統中，反滲透膜元件的應用比例不斷提高，出現了以二級反滲透-電除鹽為代表的全膜法工藝[1-3]和以多級/單級反滲透-離子交換樹脂為代表的一級反滲透-離子交換樹脂法工藝[4-5]。近二十年來的運行案例表明，無論是全膜法還是一級反滲透-離子交換樹脂法，其系統出水水質均可以保證鍋爐補給水的要求。本文以長江水為水源，探討以反滲透膜為核心的除鹽工藝下，不同技術流程的設計優化方案與運行成本核算，實現除鹽系統性價比的最優。

1傳統制水方案工藝方案對比

1.1工藝設計簡介

某電廠的鍋爐補給水系統以長江水為水源，該電廠取水口的長江水水質如表1所示。

表1　某電廠取水口處長江水水質分析

某電廠三期鍋爐補給水制水系統采用全膜法方案(方案1)，其設計規模為228 m3/h，工藝流程為地表水→平流斜板沉淀池→加熱器→超濾→一級反滲透→二級反滲透→電除鹽。在設計之初，該工藝路線就已經考慮到了用水效率的最大化，其二級反滲透濃水和EDI濃水都被回收到超濾水箱，超濾反洗水回收到預處理沉淀池，以便增加整個系統的回收率。該廠的運行經驗亦表明，在當前長江水源逐步惡化的情況下，砂濾池的應用對降低一級反滲透系統的膜污染起著舉足輕重的作用，因此該電廠三期鍋爐補給水系統的水平衡圖如圖1所示。

圖1　全膜法(方案1)設計水平衡圖

該電廠的四期鍋爐補給水制水系統采用反滲透-離子交換樹脂工藝 (方案2)。系統設計規模為400 m3/h，其工藝流程為地表水→平流斜板沉淀池→V型濾池→加熱器→超濾→一級反滲透→一級除鹽→混床。超濾反洗水回收至預處理沉淀池以提高系統回收率。圖2給出了方案2的水平衡圖，為了便于與全膜法進行比較，其設計規模被調整為228 m3/h。

圖2　一級反滲透-離子交換樹脂法(方案2)設計水平衡圖

1.2運行成本核算

在系統運行成本的核算中，藥劑成本和膜元件的備件成本均引用于電廠實際采購單價，其他運行成本的估算基準如表2所示，而方案1與方案2的制水成本則總結于表3。由表3可知，無論是否考慮人力成本，方案1都具有一定優勢，但如果不計算廢水處理成本，方案2的一級反滲透-離子交換樹脂法則更具有吸引力。需要指出的是，這里的廢水處理僅僅指酸堿的再生廢水經處理后達標排放，如果按照廢水零排放的標準，方案2的成本將會更加高昂。

表2　除鹽水系統運行成本估算基準

表3　方案1與方案2制水成本明細表 (單位：元/噸)

1.3運行成本構成分析

圖3和圖4分別總結了上述兩套傳統工藝方案運行成本的成本構成。在方案1中，電費、蒸汽加熱費用、維護費用和人力成本占據較高比例，因而提高系統自動化程度，節能降耗是該工藝未來的發展方向。而方案2除方案1的問題之外，樹脂再生廢水的處理成本也在總成本中占據較高比例。

圖3　全膜法(方案1)的成本構成

圖4　一級反滲透-離子交換樹脂法(方案2)的成本構成

2制水系統優化方案及成本核算

2.1優化方案介紹

根據成本構成分析，進一步對方案1和方案2進行優化。經過優化后的方案1命名為方案3，二級反滲透回收率從原設計的85%提高到90%，EDI回收率從原設計90%提高到95%，由此降低預處理水量及相關加藥量。將加熱器從超濾前移到超濾產水以節省輔助蒸汽使用量。需要說明的是，為了最大限度的降低加熱費用，一級反滲透的設計水溫調整為5 °C，同時通過降低單位膜面積的通量來保證低溫下反滲透的出力，而加熱系統只是為了保證在難得一遇的嚴寒時才進行加熱(只有水溫低于5 °C時，方啟動加熱器)。

對于方案2，其改進方案4同樣將加熱器調整到超濾產水側。但值得指出的是，方案2所采用一級反滲透+一級除鹽+混床的工藝對反滲透提出了較高的要求。如果將一級反滲透更換為低能耗反滲透膜，其產水水質反而會在較大程度上影響后續一級除鹽樹脂的再生周期，從而進一步推高運行維護和再生廢液處理費用。因此方案4仍然采用高脫鹽率反滲透膜用于一級反滲透系統，并維持原有的加熱量以保證系統出力。

2.2優化方案的經濟性評價

改進后方案3與方案4的制水成本明細總結于表4。由表可知，與反滲透-離子交換樹脂工藝相比，盡管全膜法的基建和維護費用略高，但是在廢水處理、藥劑消耗以及輔氣加熱費用上優勢明顯，總噸制水成本比方案4低1元左右。如果橫向比較，則可以發現方案1經過優化后，噸水成本下降0.874元。按系統出力228 m3/h計算，年運行費用節約可達159萬元。

表4　方案3與方案4制水成本明細表 (單位：元/噸)

3優化方案技術分析

方案1和方案3的技術參數詳見表5。由于方案3更換低壓反滲透膜之后能夠在低溫下運行，其年加熱水量按照年加熱時間400小時計算，為最保守估計。二級反滲透系統由陶氏化學反滲透模擬軟件ROSA 9.0估算[6]。由于方案3中二級反滲透和EDI的回收率得到提升，系統的用水效率得到優化，因而反滲透的進水流量都有所降低。同時，由于方案3應用了低壓反滲透膜，其一級和二級反滲透的產水水質較方案1略差。

表5　方案1與方案3技術參數對比

3.1水溫

對于反滲透膜而言，進水溫度增加在提高產水量的同時，也降低了產水水質。反之，低溫下的反滲透系統往往出力降低，水量不夠。在以往的反滲透設計中，一般會在超濾前設置輔汽加熱，以保證反滲透的運行水溫(20 °C)。然而，輔汽的費用一般較高，以常規設計為例，輔助蒸汽一項的噸水成本約為0.747元，對于出力為228 m3/h的系統的年蒸汽費用即為136萬元。一個可行的解決方案是在低溫情況下設計膜系統，保證足夠的膜面積和系統出力。如果采用常規反滲透膜，增加膜面積則意味著更多的膜數量，因而需要增加基建成本，并增加制水成本折舊比例。張首君[7]等認為常規反滲透膜的經濟膜通量是19.9 LMH。反滲透系統在該通量下可確保在水溫高于5 °C時不需加熱，而此時一、二級反滲透增壓泵壓力高達2 MPa和1.6 MPa,雖然節省了蒸汽的消耗，卻增加了四分之一的設備基建費用和三分之一的電費。而在本文中，全膜法工藝采用了低壓膜設計，不僅大幅度降低了輔助蒸汽的消耗，同時維持基建成本與運行電費與原工藝持平。

3.2能耗

在全膜法的運行成本核算中，電費占據了相當大的比重，而其中反滲透增壓泵又占總電費的72%。因此采用低壓反滲透膜，降低反滲透進水壓力是降低電耗的最有力手段。在方案3中，一級反滲透采用陶氏FILMTECTMXFRLE-400/34i膜元件，二級反滲透采用陶氏FILMTECTMHRLE-440i膜元件，一級反滲透能耗從0.69 kWh/m3下降至0.38 kWh/m3，二級反滲透能耗從0.92 kWh/m3下降至0.25 kWh/m3。與常規反滲透相比，低壓反滲透膜最大的缺點是脫鹽率不夠高，但一方面二級反滲透系統最主要的功能在于除硅，另一方面更換低壓膜之后其產水水質對后續EDI的影響依然較小。在表3中方案3的二級反滲透產水TDS為0.36 mg/L，雖比方案1多44%，但完全滿足目前EDI進水的水質要求。

3.3排列比

傳統反滲透設計一般認為，提高回收率需要增加系統級內段數，而85%回收率的反滲透系統則一般設計為3段。事實上，對于二級反滲透系統，由于一級反滲透產水水質較好，完全可以采用二段式設計并進一步提高回收率，由此節約段內的壓力損失。表6對不同的排列比和回收率進行了優化。需要說明的是，反滲透系統由于溫度、反滲透膜污染、保安過濾器污堵、進出水水箱液位波動等影響，水泵的選擇無法完全符合管道曲線。從節能角度考慮，反滲透系統高壓泵應設置變頻器，表6中方案b與方案a僅僅只是對原水泵進行變頻，噸水能耗就從0.8 kWh/m3下降到0.57 kWh/m3，其原因即為過高的進水壓力導致所選水泵效率降低。

表6　二級反滲透采用低壓膜的詳細設計參數對比

3.4低壓膜產水水質

方案3的EDI工作參數和離子交換床的再生周期如表7所示，其中EDI由E-CALC MK-3 V3模擬計算得出。出于保守估算的原則，假定反滲透膜更換周期為5年，第5年一級反滲透脫鹽率96%，二級反滲透脫鹽率98%。從表7可知，二級反滲透更換低壓膜后，EDI出水水質完全可以保證，只需把模塊的額定電流略調高即可。方案4與方案2對比，除鹽工藝沒有變化，出水水質一致。

表7　方案1和方案3中EDI的工作參數

4結論

(1)依據電廠的實際運行情況，將全膜法與一級反滲透-離子交換工藝進行了運行成本核算和成本構成分析，結果顯示電費、加熱蒸汽、維護和人力成本構成了運行成本的主要部分。當計入樹脂再生廢水處理費用后，全膜法具有成本上的優勢。

(2)通過一系列措施對這兩種傳統方案分別進行優化改進，包括優化加熱位置，更換低壓反滲透膜，以及對反滲透高壓泵增加變頻器等，成本分析表明優化后的全膜法可降低20%的制水成本，并且顯著優于改進的一級反滲透-離子交換工藝。

(3)在目前工業廢水零排放的環境壓力和政策導向下，全膜法因其較少的廢水排放，具備最優的環境相容性，因而前景廣闊。

參考文獻:

[1]李桂蘭，陳海霞，張守德，等. 全膜法水處理技術制備火力發電廠鍋爐補給水的應用[J]. 工業水處理，2013，33 (3): 81-84.

[2]謝峰，陸建，潘傳慶，等. 電除鹽濃水流量下降的清洗試驗[J]. 電力科學與工程， 2012，27 (7): 76-78.

[3]沈健，曹韻，李媛媛，等. 河源電廠電除鹽設備運行經驗與優化[J]. 中國電力，2013，46 (9): 47-51.

[4]鐘世宗，龍新峰，梁平. 黃埔發電廠除鹽系統的技術改造分析[J]. 電力科學與工程， 2006，22 (4): 20-24.

[5]梁軍昌，謝方磊，徐德亮. 超濾-反滲透系統在電廠水處理應用中的運行維護與管理[J]. 電力科學與工程， 2008，24 (6): 25-29.

[6]DOW Water & Process Solutions. ROSA System Design Software. [EB/OL]http://www.dow.com/en-us/water-and-process-solutions/resources/design-software/rosa-software. 2013,4.

[7]張首軍，張葉來，孫正華，等. 反滲透經濟膜通量的選擇分析[J]. 給水排水， 2015，44 (2): 55-58.

The Optimization Study of Power Plant Demineralization System

XIE Feng1, YANG Cheng2(1. Jiansu Ligang Power Co. Ltd., Jiangyin 214444, China; 2. DOW Chemical (China) Investment Co. Ltd. Water & Process Solutions, Shanghai 201203, China)

Abstract：It is widely accepted that the key of designing demineralization system in a power plant is the reverse osmosis (RO) system. However, there are still two main technologies for the RO permeate water refinement, electrodialysis and ion exchange resin. The comparison analysis of the two technical routes is meaningful for the design and operation of the power plant demineralization system. This paper discusses the operation cost and poses a further optimization proposal for each technical scheme from the perspective of plant-end users, taking a power plant with Yangtze River the water resource as an instance. The cost analysis demonstrates that the power and vapour consumption dominates the two pass RO-electrodialysis (EDI) process operation cost, and the cost of wastewater treatment also occupies significant portion in one pass RO-ion exchange resin process. The operation costs of the two scheme are significantly decreased after optimization, and two pass RO-EDI process balances the water quality and operation cost best.

Keywords：two pass RO-EDI proecss；low energy RO；operation cost；energy saving；optimization design

中圖分類號:TM621.8

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.014

作者簡介：謝峰 (1975-)，男，工程師，主要從事電廠化學設備管理工作，Email: xief@jlepc.com.cn。

收稿日期：2016-01-14。