油田電廠節水減排技術改造路線分析

程永生

(中國石油集團電能有限公司熱電一公司，黑龍江 大慶 163711)

0 引 言

中國是一個水資源短缺的國家，人均水資源占有量不足世界平均水平的四分之一。近年來隨著工農業的發展，水污染日益嚴重，缺水情況顯得越來越突出?；鹆Πl電廠是用水的大戶，用水量約占工業用水的40%以上。隨著國家各種節能、環保政策的頒布，對火電廠用水量有嚴格的指標限制。因此，如何減少發電用水、提高用水效率就是一個很重要的研究課題。經過多年的發展，目前火電廠的節水技術與方法已經有了許多進展，主要方法有：改變排渣工藝、提高循環水濃縮倍數、水資源的合理梯級利用及提高廢水回收率等[1]。

1 用水現狀

中油電能熱電一公司始建于1989年1月5日，現有總裝機容量為900 MW(3臺200 MW+1臺300 MW)。4臺機組均采用自然通風冷卻塔循環供水冷卻方式；1～3號機組為電袋除塵、干排灰、濕式排渣，4號機組為靜電除塵、干排灰、干式排渣；脫硫方式均采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝。公司年取水量平均1 183 3531 m3，其中自來水8 955 748 m3，中水2 877 783 m3。主要用水系統包括循環水系統、熱力系統、脫硫系統、水力沖渣系統、燃料系統及生活水系統等。其用水狀況如下：

1)循環水的補水主要采用軟化水和中水為補水，損耗是蒸發、風吹以及排污。排污水一部分供脫硫系統用水，而另一部分則排入水力沖渣系統。

2)熱力系統采用除鹽水為鍋爐補水，損耗主要是定連排，定連排水當前全部排入了水力沖渣系統。

3)脫硫系統采用循環水排污水、反滲透濃水和中水為補水，損耗主要是蒸發、排污和石膏帶走。排污水經處理后排入水力沖渣系統；

4)水力沖渣系統則利用全廠的工業廢水和污水站排污水作為補水，損耗主要是蒸發，沖渣水最后全部排入灰場。

5)燃料系統使用生活水為補水損耗主要是煤場噴灑蒸發、輸煤棧橋及機械沖洗過程中的蒸發以及污泥帶走等，沖洗水排入水力沖渣系統。

6)生活水主要采用經過處理的自來水，損耗主要是生活用水，生活廢水則排入市政管網。

7)其他用水。

2 用水分析

公司目前的終端外排水量是水力沖渣系統排水，其中集中了全廠除生活污水外的全部工業廢水，且排放量大于回用量和蒸發量之和，故灰場的庫容已經不堪重負。由于灰場水質受各種條件影響不是很穩定，在環保壓力下無法直接排放，因而針對降低排水量、改善排水水質的技術改造已經是迫在眉睫。

為后續將要進行的排水整治和節水改造取得基礎數據，公司進行了水平衡測試。根據水平衡測試結果分析，節水改造的主要著眼點有如下方面：應該是合理規劃水的梯級利用、減少循環水系統的水耗、提高廢水回收率、改造高耗水工藝等方面[2]。

2.1 化學水系統問題

1)采用離子交換法制取除鹽水和軟化水會產生大量高含鹽、高硬度的再生廢水，這部分廢水難以回用，只能中和后排入水力沖渣系統[3]。

2)交換樹脂再生時，使用大量的鹽酸(HCl)和堿(NaOH)，鹽酸和堿都屬于危險化學品，具有強烈的腐蝕性，在運輸、儲存和使用過程中需要采取特殊措施，儲存容器和輸送管道需采取特殊防腐措施，增加了使用成本。同時，鹽酸在使用過程中還可能揮發出有害的HCl氣體，危害人體健康。

3)再生廢水加堿液中和時，由于堿液的投入并不精確，或攪拌不充分，時常有pH值超標的廢水排入沖渣系統，加劇了灰水管道的腐蝕，造成了巨大的人力、物力和資金浪費。

2.2 循環水系統問題

1)循環水因為蒸發而造成水中的鹽分被逐步濃縮，但濃縮超過一定程度就會對循環水流通的設備、管路等造成腐蝕、結垢等不利影響，因而需要排放掉一些濃縮的循環水，同時補充一些淡水，以維持循環水系統的含鹽量穩定。對排污水進行處理回收，可以減少補水量。

2)當前，公司冷卻塔的循環水濃縮倍率平均約為3.5～4。循環水的水質很好，其指標還未達到允許的水質成分含量的上限，就此排掉會造成大量的浪費。因此，提高濃縮倍率，是減少排污量和取水量的有效辦法。

2.3 鍋爐定連排問題

1)現有的鍋爐定連排水最后全部進入了水力沖渣系統，造成浪費；同時還需要使用大量的中水對定連排排水進行降溫處理，又浪費了大量的新鮮水。

2)鍋爐定連排排水的溫度很高，含有大量的熱能，直接排掉會造成很大的浪費，加大了燃料的消耗。

3 工藝路線

對于節水改造，需要根據實際情況，規劃合理的治理改造工藝路線，并選擇適合的處理工藝；同時，還需要兼顧投資成本和運行成本[4]。

首先，電廠當前的終端排水是水力沖渣系統排水，全廠的工業污廢水最終全部經過除塵系統排入灰場。但是，采用水力沖渣，那么就必須要向灰場排出水量，灰場也要定期按照比例向外排放部分水量，并補充新水量，否則長時間的循環濃縮后，灰場水的各種成分含量會上升到影響沖渣設備和管道的程度。

其次，電廠現有的弱酸陽床軟化和陰陽混床除鹽裝置在運行過程中會用到大量的酸堿進行樹脂再生，產生高含鹽、高硬度的廢水，具有運行不穩定，生產安全性隱患大等特點，這部分廢水治理難度大，費用較高；而且，這部分廢水需要用堿進行中和，增加了生產成本；同時，因為采用鹽酸做為再生劑，導致廢水中氯離子含量過高，無法進入脫硫系統重復利用，也無法進入污水站處理回用，只能直接排放，浪費很大，故宜改為其他方法進行處理，如反滲透法或不使用酸堿再生的軟化方法；而廢水的回收利用可以減少新鮮水的取水量。

最后，按照現有工藝，排入灰場的沖渣水中主要包含脫硫廢水、化學水系統樹脂再生廢水等高鹽廢水及循環水系統排污水。

綜上所述，本著源頭減量，低質低用的原則，立足于現有的資源和條件，公司的節水改造方向可以有以下兩種路線：一是通過改變全廠的制水、用水工藝，以及污廢水的處理回用工藝，達到節水的目的；二是立足于現有條件，通過局部的制水、用水工藝優化改造，達到減少廢水產生、減少取水的目的[5]。經過論證，針對節水減排的要求，結合電廠用水現狀和成本考慮，確定選用第二種改造路線，主要內容有：用膜法(反滲透+EDI)代替混床系統制取除鹽水，從而降低廢水中的含鹽量；用堿式軟化法代替弱酸陽床軟化循環水補水，減少廢水排放，水利用率幾乎可以達到100%，基本沒有廢水排出；鍋爐定連排水進行熱量回收并作為循環水補水；提高循環水濃縮倍率等。

4 改造技術方案

4.1 除鹽水系統的改造

4.1.1 現狀

目前，電廠除鹽水的制取工藝采用離子交換法，如圖1所示。陽床、陰床、混床都需要定期進行再生，會消耗大量的HCl和NaOH，其再生廢液中含有大量的鹽分，且硬度很高，無法直接或經過簡單處理后回用。目前，電廠的處理方式是將其在中和池中調整pH值后做為水力沖渣系統的補充水，在當前沖渣水量已經過剩的情況下，這部分水量加劇了灰場的庫容壓力。如果改變制水工藝消除掉這部分高鹽廢水或減少其中的含鹽量，則可以減輕后續廢水處理系統的負擔，也能節約大量酸堿支出。

圖1 電廠在用除鹽水系統流程Fig.1 Procedure of desalting water system in use in power plant

4.1.2 技術方案

1)設計出水水質

因為除鹽水主要的用途是做為鍋爐補給水，出水水質參照《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》(GB/T12145-2016)要求。

2)具體方案

當前，除鹽水的制取除了電廠在用的陽床+陰床+混床工藝外，比較成熟的技術還有：膜法(反滲透+EDI(連續電除鹽技術))、混合法(反滲透+混床)等，這兩種方案在一些電廠和其他行業等都有應用，水質都有保證，但后者在生產高純水的同時仍然會產生高含鹽量的廢水。

膜法(除定期化學清洗外)不會產生大量的高含鹽或含酸堿的廢水，其產生的濃水可以與循環水排污水混合后進一步處理回用，無需單獨進行處理。如果采用檸檬酸作為化學清洗的酸洗藥劑，則廢水中和后可以直接作為脫硫系統補水；而采用混合法還會額外產生一部分混床再生廢水，不能完全避免高含鹽廢水的排放。

因此，兩相比較，在考慮到零排放所需處理的水量與成本方面，選取膜法比較符合此次改造的目的，即反滲透+EDI工藝，其流程如圖2所示。

圖2 改造后除鹽水系統流程圖Fig.2 Procedure of desalting water system after transformation

4.2 循環水系統的改造

循環水系統的改造包含循環水補水系統的改造和循環水排污水的處理改造[1,3,5-7]。

4.2.1 循環水補水系統的改造

1)現狀

循環水系統是電廠最大的用水與耗水系統，其耗水量占全廠總耗水量的70%以上。因此，循環水系統的制水和用水環節任意一處發生變化都會對下游用水系統產生影響。

當前，電廠的原水有兩種：一是自來水，二是市政中水。自來水硬度較高，用于循環水系統需要經過軟化處理，用于1～3號機組循環水系統，其流程見圖3；中水的成分較復雜一些，其中懸浮物、COD等指標要高一些，直接用于4號機組循環水系統。為了統一調配用水、合理分配使用水資源，需要對中水進行深度處理，使之符合循環水的補水水質標準。

圖3 離子交換法制取軟化水流程圖Fig.3 Procedure of softened water preparation by ion exchange method

采用陽離子交換法生產軟化水，在樹脂的產水周期內，其產水質量較好，軟化效果顯著，但到了制水周期末期，其產水品質就會有下降的趨勢，需要及時進行再生。當前，電廠對弱酸陽床進行再生使用的是稀鹽酸，再生過程中會產生大量的高鹽高硬度的、低pH值的廢水，排放到中和池內，需要耗費大量的堿進行中和，造成了酸堿的浪費、推高了生產成本，而再生廢水又很難處理。同時，再生比較頻繁、過程比較漫長，且自動化程度較低，操作人員勞動強度大，所使用的鹽酸還會揮發出有害的HCl氣體酸霧等。

2)技術方案

比較了石灰+碳酸鈉法、氫氧化鈉+碳酸鈉法、電化學法等軟化工藝方法，最終選定堿式軟化法作為本次改造的技術方案，其流程見圖4所示。

圖4 堿式軟化法流程圖Fig.4 Procedure of basic softening method

通過向水中投加NaOH和Na2CO3，使水中的硬度成分生成不溶于水(或在水中溶解度很低)的固體，并通過加入混凝劑等藥劑使這些固體成分從水中沉淀出來，從而降低水的硬度。通過該工藝，可將水中硬度去除80%以上，可改善循環水水質，顯著提高濃縮倍率，實現節水減排的目的；缺點是會產生沉淀污泥，需要對污泥進行處理。

4.2.2循環水排污水的處理

1)現狀

熱電一公司循環水系統目前沒有設置排污水處理系統。排污水的一部分做為脫硫系統補水，另一部分則直接排入了水力沖渣系統。排走沖渣不但造成了水量的浪費，同時還給灰場造成巨大的壓力。

2)技術方案

為維持循環水中的鹽量平衡、保持濃縮倍率的穩定，輸入的鹽量與排出的鹽量需相等，需要連續排放濃縮后的循環水。循環水中除硬度成分外，還含有氯離子等其他成分，在進行排污水處理時要同時考慮這部分鹽量的平衡，防止其在循環水系統內累積。經論證，只有膜法可以以簡單經濟的方法分離出絕大部分鹽分，所以確定選用反滲透工藝來處理循環水排污水。除循環水排污水需要處理外，除鹽水系統的一級反滲透濃水和污水站的反滲透濃水也匯入此處一同處理，其流程如圖5所示。

圖5 循環水排污水的處理流程Fig.5 Treatment procedure of sewage discharged and circulating water

反滲透產水返回至循環水系統，減少了軟化水的補充量；而二級反滲透濃水則作為脫硫系統補水得到利用。

4.2.3 設計水量與水質的核算

4.2.3.1 關于水量

循環水用量受機組工況、季節、氣候等因素影響較大，其值在很大的一個區間內波動。根據實際運行情況統計，循環水系統補水量波動范圍大約在500～1 600 m3/h之間。

4.2.3.2 關于水質

當前，電廠采用軟化水和中水做為循環水系統的補水，除此之外，還有污水站來的反滲透產水、鍋爐定連排排水和循環水排污水經深度處理后的產水也注入循環水系統；循環水除蒸發和風吹損失外，其排污水一部分用于水力沖渣、一部分用于脫硫系統補水。

此改造方案優先使用中水，不足部分使用自來水。選取500、800、1 000、1 200、1 500、1 600 m3/h等幾個補水量節點進行水質核算。由于當前1～3號機組循環水的濃縮倍率為3.5，4號機組循環水的濃縮倍率為4，且運行狀態良好，為保險起見，改造后的循環水濃縮倍率統一按4倍計。表1為電廠目前的排污水質狀況，核算結果見表2和表3。

表1 熱電一公司廢水水質Table 1 Wastewater quality of No.1 Thermal Power Company

表2 改造后循環水補水的水質狀況Table 2 Water quality of circulating water after transformation

表3 在各補水量條件下的循環水結垢/腐蝕狀況Table 3 Scaling / corrosion status of circulating water under different water supply conditions

循環水補水的朗格利爾指數(LSI)在2.2以內，有輕微結垢傾向，可以加入適量的硫酸或阻垢劑進行抑制[8]。

1)循環水排污水回用水(RO1和RO2產水)水質

循環水排污水、除鹽水系統的一級反滲透濃水和污水站反滲透濃水摻混均化后統一利用反滲透工藝處理回收，因此混合水的水質較復雜，再考慮到反滲透膜的脫鹽率，所以有必要進行產水含鹽量的驗算。摻混水采用兩級反滲透處理工藝(一級反滲透RO1，二級反滲透RO2)，產水均做為循環水補水注入循環水系統。

2)脫硫用水(RO2濃水)水質

循環水系統改造完成后，電廠各處污廢水經反滲透系統回收利用后排出的濃水量仍然很大，若不予處理直接排放至灰場，則會造成水資源浪費。根據已有的成熟工藝，可以考慮將其做為脫硫系統的工藝用水，由于電廠要求脫硫漿液中氯離子濃度不得超過15 000 mg/L，所以有必要對反滲透濃水中的氯離子濃度進行校核。依據水平衡測試的結果，現有脫硫系統的進排水的濃縮倍數大約在13～16左右，取16倍計算。計算結果見表4。

表4 在各進塔水量條件下的脫硫用水水質狀況Table 4 Water quality status of desulfurization water under different water in flow conditions

綜上分析，在各種水量條件下，通過反滲透處理后排出的廢水，在脫硫系統中濃縮16倍后，其中氯離子含量仍然在15 000 mg/L以內，可以滿足脫硫系統補水的要求。

4.3 提高循環水濃縮倍率

濃縮倍率是循環水水質管理的一個重要經濟技術指標?？刂蒲h水的濃縮倍率的意義見表5。

表5 循環水濃縮倍率高低的優缺點Table 5 Advantages and Disadvantages of circulating water concentration ratio

所以，循環水濃縮倍率的提高有利于節水減排。在濃縮倍率是4的情況下，前文已經核算過，是可以滿足正常使用要求的。為了進一步減少循環水排污量，擬將濃縮倍率提高到5倍，并進行核算。軟化水的水質狀況見表6[9-11]。

表6 軟化水水質狀況Table 6 Water quality of softened water

軟化水補充至循環水系統中，經濃縮5倍后水質與結垢趨勢見表7和表8，循環排污水處理回用后的濃水是否適合作為脫硫系統補水，結果見表9[12]。

表7 濃縮倍率為5的情況下循環水水質Table 7 Quality of circulating water with concentration ratio of 5

表8 濃縮倍率為5時循環水結垢/腐蝕趨勢Table 8 Scaling / corrosion trend of circulating water with concentration ratio of 5

表9 濃縮倍率為5時脫硫用水水質狀況Table 9 Water quality of desulfurization water with concentration ratio of 5

4.4 定連排排水的改造

1)現狀

定連排是鍋爐排污的過程。根據水質檢測報告的結果，其水質含有的各類雜質均很少，目前電廠的機組定連排水全部進入了水力沖渣系統，是典型的高質低用。在排放的時候需要大量的低溫中水補充進來進行降溫，造成最后的排水總量大大增加，浪費的同時還增加了水力沖渣系統的負擔。

2)技術方案

定連排的排水去向有三個備選方案：一是作為循環水補水；二是作為熱網補水；三是送至化學水處理車間給原水加熱。各方案的比較見表10。

表10 定連排水利用方案比較Table 10 Comparison of utilization schemes of fixed and continuous drainage

定連排排水成分與循環水標準指標對比，見表11。

因此，選擇將定連排水作為循環水補水，其改造后的流程如圖6所示。

圖6 定連排改造后的流程圖Fig.6 Procedure after transformation of fixed and continuous drainage system

對循環水溫度的影響：理論上，定連排水溫度取100 ℃、水量取實際使用22 m3/h；鍋爐補充除鹽水取40 m3/h，溫度按20 ℃計，則經過熱交換后定連排水溫度下降到48.4 ℃。當前循環水量按36 000 m3/h計，循環水回水溫度約為20.5 ℃，定連排水混入循環水回水后，混合水溫度為20.52 ℃，上升0.02 ℃，可以忽略不計。所以，定連排水作為循環水補水不但可以減少軟化水的用量，還可以實現熱量的部分回收，節省能源支出，同時對循環水溫度幾乎沒有影響。

改造后可向水力沖渣系統減少排水約70 m3/h左右。

5 結 語

通過上述改造，預計電廠可減少新鮮水取水量約1 619 707m3/年，減少排水量1 458 739 m3/年，單位發電量取水量將由目前的2.22 m3/(MW·h )降低至1.86 m3/(MW·h )。電廠可實現節水減排的效果，滿足環保的相關要求，消除了外排水對周邊水體和土壤的影響，有效保護生態環境，產生巨大的經濟和社會效益。

近年來，國家對水資源的合理利用越來越重視，電廠的節水減排工作既是響應國家政策，也是實現廢水資源化利用的要求；既可以產生社會效益，又能夠給企業帶來經濟效益。節水減排工作的持續推進，可以大大提高電廠的水資源利用效率，縮短與國外用水先進電力企業的差距。