全膜法技術在電廠脫硫廢水零排放中的應用

王可輝，王 飛，祖坤勇，趙 軍，徐 峰，蔣 芬

(中國國電北京朗新明環?？萍加邢薰灸暇┓止?，江蘇南京 210019)

燃煤電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫廢水中主要含有懸浮物、硫酸鹽、過飽和的亞硫酸鹽以及重金屬等雜質[1]，很多是國家環保標準(GB 8978—1996)嚴格要求控制的第一類污染物[2]。電廠目前普遍采用的中和、沉淀、絮凝澄清工藝，即三聯箱處理法[3]，很難正常穩定運行，更不用說達標排放，因此針對脫硫廢水提出新型的處理方法尤為重要。國務院2015年頒布的水污染防治行動計劃(“水十條”)[4]，把水環境保護上升到國家戰略層面。脫硫廢水作為火電廠末端處理難度最大的廢水，對其進行有效的深度處理，是實現火電廠真正意義上“零排放”的關鍵所在[5]。

國電漢川電廠在建設之初即對4×330 MW超臨界燃煤機組和2×1 000 MW超超臨界燃煤機組的脫硫廢水提出零排放整體要求，采用TUF(管式超濾膜)+NF(納濾)+SCRO(特殊流道卷式反滲透膜)+DTRO(高壓反滲透膜)+MVR(機械蒸汽再壓縮蒸發結晶)的全膜法工藝對脫硫廢水進行零排放處理。

1 脫硫廢水水質

國電漢川電廠1～6號機組煙氣脫硫系統均采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝。1～6號機組脫硫廢水量共計36 m3/h，已按常規方案，即“中和(堿化)+絮凝+澄清”化學沉淀[6]方案建成并投運。本次零排放深度處理廢水為采用傳統三聯箱處理后滿足《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質控制指標》(DL/T 997—2006)的廢水，水質情況如表1所示。

表1 脫硫廢水水質Tab.1 Water Quality of Desulfurization Wastewater

由表1可知，該脫硫廢水具有如下水質特征：(1)廢水硬度高，容易在熱力設備表面結垢，影響設備正常使用；(2)廢水總含鹽量高，波動范圍大，Cl-濃度高達15 000 mg/L，容易對金屬設備造成腐蝕。

2 脫硫廢水零排放系統

2.1 脫硫廢水工藝流程

國電漢川脫硫廢水零排放處理工藝流程如圖1所示，主要由預處理軟化+膜濃縮減量+MVR蒸發結晶單元組成。

2.1.1 預處理工藝

預處理工藝主要分為兩部分：(1)加藥軟化預處理，針對脫硫廢水鈣、鎂硬度高的特點，向反應器中投加石灰、氫氧化鈉和碳酸鈉藥劑，分別與廢水中的鎂、鈣離子反應生成氫氧化鎂和碳酸鈣沉淀，濃水進入管式超濾膜(TUF，圖2)過濾，產水進入產水箱，同時去除重金屬離子；(2)NF分鹽裝置，主要對廢水中的一價離子和二價離子進行分離，實現分鹽處理及高品質工業鹽、高品質石灰石漿液的回收利用，降低固體廢物的排放量。

圖1 國電漢川電廠脫硫廢水零排放工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Desulfurization Wastewater Zero Discharge System in Guodian Hanchuan Power Plant

圖2 管式超濾膜裝置Fig.2 Tubular Ultrafiltration (TUF) Membrane Device

圖3 膜濃縮系統Fig.3 Membrane Concentration System

2.1.2 膜濃縮單元

膜濃縮單元的核心技術為特殊流道反滲透(SCRO)+高壓反滲透(DTRO)，該工藝段主要實現脫硫廢水的濃縮減量處理，利用高鹽廢水專用反滲透膜的脫鹽作用，將脫硫廢水中的鹽截留在濃鹽水中，使得進入蒸發結晶系統的廢水量降至原水的22%左右，最大限度地減小蒸發系統的處理規模，節約投資和運行成本。膜濃縮系統現場裝置如圖3所示。

2.1.3 蒸發結晶工藝

脫硫廢水經軟化預處理及膜濃縮減量后進入蒸發結晶段，由于采用了納濾系統分鹽，濃鹽水中98%以上的鹽分為氯化鈉，高純度的氯化鈉濃鹽水使得蒸發結晶系統的運行更加穩定可靠。蒸發結晶段工藝為最節能的MVR蒸發結晶器，得到的結晶鹽經流化床干燥處理后全自動打包封裝，最終產品為純度高于96.3%的袋裝氯化鈉，達到《工業鹽》(GB/T 5462—2003)標準所規定的日曬工業鹽一級標準，實現固體廢物的綜合利用和減量處置。蒸發結晶器現場裝置及結晶鹽產品分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 蒸發結晶器(a)和結晶鹽(b)Fig.4 Evaporation Crystallizer(a) and Crystalline Salt(b)

2.1.4 零排放設備材質選擇

由于脫硫廢水高含鹽量高氯離子濃度的特點，在材質選擇上，應充分考慮耐腐蝕耐高鹽分等因素。(1)泵等設備的轉動部件選用鈦材質，過濾器和水箱等靜設備選用纖維增強復合材料(FRP)或高密度聚乙烯(HDPE)等材質;(2)干燥結晶單元與進料液或晶漿接觸的動設備選用雙相不銹鋼(SS2205)或鎳合金(Alloy 400)等材質，結晶器主體材質選用Alloy 400，晶漿循環管路選用SS2205等材質。

2.2 脫硫廢水零排放系統運行情況

國電漢川電廠脫硫廢水的水量為36 m3/h，進水TDS為15 000～25 000 mg/L，脫硫廢水經加藥軟化預處理+膜濃縮減量處理后濃水水量為8 m3/h，此廢水進入蒸發結晶器進行蒸發結晶處理，實現脫硫廢水零排放。

2.2.1 軟化預處理系統運行情況

加藥軟化預處理經TUF膜過濾后的產水水質情況如表2所示。

表2 TUF產水水質Tab.2 Water Quality of TUF Effluent

由表2可知，加藥軟化預處理經過TUF膜過濾后產水水質穩定，滿足反滲透進水水質要求，系統產水量為36 m3/h。

2.2.2 膜濃縮系統運行情況

膜濃縮處理單元由特殊流道高鹽反滲透(SCRO)裝置、高壓反滲透(DTRO)裝置、產水二級反滲透裝置及配套設備組成。軟化預處理產水經納濾分鹽處理后TDS約為27 900 mg/L，進入SCRO進行初步濃縮減量。SCRO系統采用兩段式設計，其中SCRO一段裝置設置2套，單套產水能力為8 m3/h，設計進水水質條件下的系統回收率為45%，一段排濃水量為20 m3/h；SCRO二段裝置設置1套，產水能力為4 m3/h，回收率為20%。另外配套相應的清洗加藥及能量回收系統。

經兩段SCRO濃縮減量后排濃水水量為16 m3/h，TDS達到59 200 mg/L左右，隨后濃鹽水提升進入DTRO，進一步濃縮TDS至約118 400 mg/L，水量減量至8 m3/h，DTRO系統回收率為50%。DTRO濃水水質情況如表3所示。

本工程設置DTRO裝置2套，單套設計產水量為4 m3/h，濃水進入蒸發結晶處理單元進行蒸發結晶處理。由于SCRO及DTRO工藝產水的TDS大于500 mg/L，本項目設置2套苦咸水反滲透(BWRO)裝置對SCRO及DTRO產水作進一步脫鹽處理，以滿足鍋爐補給水回用的要求，單套處理能力為14 m3/h。BWRO產水水質情況如表4所示。

表3 DTRO濃水水質Tab.3 Water Quality of DTRO Concentrated Wastewater

表4 BWRO產水水質Tab.4 Water Quality of BWRO Effluent

2.2.3 蒸發結晶系統運行情況

經膜濃縮處理后產生的濃鹽水含鹽量達到118 400 mg/L以上，水量減量至8 m3/h，經軟化預處理及分鹽提純處理后，廢水為高純度的氯化鈉溶液。這部分濃鹽水進入蒸發結晶系統處理，結晶鹽析出后由流化床干燥并打包，固液分離，真正實現零排放——冷凝水回用，結晶鹽外賣。結晶鹽品質經委外檢測達到96.3 g/(100 g)，達到《工業鹽》(GB/T 5462—2003)一級標準。

3 系統經濟效益分析

3.1 系統藥劑費用

系統使用的藥劑主要有氫氧化鈣、氫氧化鈉、碳酸鈉、鹽酸、阻垢劑、化學清洗用藥劑等，藥劑費跟水質情況有直接關系，根據系統設計水質，計算藥劑費用如表5所示，噸水藥劑費為9.42元。

表5 藥劑費用Tab.5 Chemical Cost

3.2 系統能耗費用戶

系統能耗費主要由電費和蒸汽費用組成，能耗費用如表6所示。

表6 系統能耗費用Tab.6 System Energy Consumption

注：按電價0.52元/(kW·h)、蒸汽200元/t進行核算

3.3 設備清洗費用

系統主要設備清洗費用如表7所示，設備運行時間按照每年300 d計算。

表7 設備清洗費Tab.7 Equipment Cleaning Fee

3.4 膜系統更換費用

膜系統使用年限折舊(按當年建設期采購價計算成本費用，折算成噸水費用)如表8所示。

表8 膜系統更換費Tab.8 Membrane System Replacement Fee

由表5、表6和表7可知，國電漢川電廠脫硫廢水零排放系統直接運行費用為26.94元/m3,膜系統折舊更換費為9.68元/m3，與國內已有零排放工程案例比較優勢明顯。

4 結語

國電漢川電廠脫硫廢水零排放項目于2017年1月通過電廠168滿負荷性能驗收后轉入商業運行，運行穩定，各項指標均優于設計值。該脫硫廢水零排放系統具有以下優點：(1)系統設備安全穩定，膜濃縮系統按照進零排放系統的最小TDS水質進行設計，蒸發結晶系統按照進零排放系統的最大TDS水質進行設計，保證系統在最小TDS和最大TDS時均能滿足80%～120%的設計負荷，最大處理量為36 m3/h；(2)產品附加值高，廢水處理后產水全部回用，產出的結晶鹽品質高(NaCl純度>96%)，全部外賣給當地化工企業，符合當前國家的環保產業政策；(3)積極響應落實國家政策，通過在電廠廢水處理系統中應用全膜法+MVR蒸發結晶技術，避免了電廠高鹽分脫硫廢水的外排，徹底實現脫硫廢水的“零排放”。

該脫硫廢水零排放系統在國內創造了多個第一：(1)國內火電廠第一個百萬機組脫硫廢水工程案例；(2)國內火電廠第一次采用全膜法對廢水進行預處理軟化和濃縮，自動化程度高、處理效果好；(3)國內火電廠第一次采用分鹽技術，將廢水中的氯化鈉提純并蒸發結晶，獲得二級工業鹽；(4)國內火電廠第一次采用120 kg級高壓反滲透技術，廢水濃縮減量75%以上；(5)國內火電廠第一次采用MVR蒸發結晶技術，該技術為最節能的蒸發結晶技術。