倪 斌，薛慶堂，李洪峰，韓 松，聶新輝，諸 慧

（1.國能南京電力試驗(yàn)研究有限公司，江蘇南京 210023；2.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京 210023）

火電行業(yè)是工業(yè)用水大戶，加強(qiáng)火電行業(yè)的節(jié)水與廢水治理工作對(duì)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義〔1-2〕。對(duì)于我國境內(nèi)大量存在的濕冷火電機(jī)組而言，循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水在全廠廢水中又占有很大比例〔3〕，循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水的治理與回用成為燃煤電廠廢水治理的重中之重。

某燃煤電廠地處華北平原腹地，靠近黃河，同時(shí)面臨著水資源嚴(yán)重匱乏和水環(huán)境保護(hù)形勢嚴(yán)峻的難題。特別是自2021 年《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》發(fā)布以來，電廠周邊、沿黃流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度進(jìn)一步加大。根據(jù)電廠排污許可證的要求，循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水設(shè)有一般排放口，可以外排，其余各類污廢水需處理后廠內(nèi)回用。但目前電廠循環(huán)排污水含鹽量和硫酸根等指標(biāo)存在超過地方排放標(biāo)準(zhǔn)的問題，無法實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，亟需加以治理以消除環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)該電廠的循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理難題，在循環(huán)排污水深度處理后全部廠內(nèi)回用的反滲透方案〔4〕之外提出了采用納濾技術(shù)降低循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水中含鹽量和硫酸根濃度以滿足地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的方案，并對(duì)2 種方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比選。在方案比選中充分考量了2 種方案對(duì)電廠脫硫廢水零排放的影響及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)問題，由此得出的結(jié)果是經(jīng)納濾處理后達(dá)標(biāo)排放的方案更具優(yōu)勢。這一思路也將為其他燃煤電廠在循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理中解決類似問題提供借鑒和參考。

1 電廠基本情況

某燃煤電廠總裝機(jī)容量2×300 MW+2×330 MW，全部為濕冷發(fā)電機(jī)組。電廠設(shè)計(jì)使用黃河水用作全廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)以及各類工業(yè)水、生活水用戶的水源。該電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)目前采用硫酸+緩蝕阻垢劑的水質(zhì)控制工藝，凝汽器管材為316L。黃河水主要水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示，不同濃縮倍率下的循環(huán)水水質(zhì)情況如表2 所示。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范〔5〕及電廠技術(shù)要求，在保證循環(huán)水的緩蝕阻垢效果的同時(shí)為盡可能減少循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水量，降低水耗，設(shè)計(jì)將循環(huán)水濃縮倍率控制在5.5左右。

表1 電廠取用黃河水主要水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Data on the main water quality of the Yellow River water used in power plant

表2 不同濃縮倍率下的循環(huán)水水質(zhì)分析Table 2 Analysis for the quality of circulating water under different concentration ratios

根據(jù)電廠現(xiàn)行排污許可證制度的規(guī)定，其循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)有一般對(duì)外排放口，循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水可以外排至污水管網(wǎng)，最終經(jīng)某污水處理廠處理后用于生態(tài)補(bǔ)水。但根據(jù)電廠所在流域內(nèi)水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：企業(yè)對(duì)外排水中硫酸根＜600 mg/L，使用地表水時(shí)的全鹽質(zhì)量濃度＜1 600 mg/L，全部使用中水時(shí)的全鹽質(zhì)量濃度＜2 000 mg/L。電廠尚無循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水達(dá)標(biāo)處理系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)排污水達(dá)標(biāo)外排，只能大幅降低濃縮倍率至2.5 以下，相應(yīng)排污水量大幅增加，經(jīng)實(shí)測在夏季全廠機(jī)組滿負(fù)荷工況下的最大排污水量不少于1 300 m3/h，循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水量約3 400 m3/h，全廠單位發(fā)電取水量不低于2.70 m3/（MW·h），超過國家相關(guān)取水標(biāo)準(zhǔn)〔6〕，水資源消耗巨大。

因此，該電廠面臨著降低循環(huán)水濃縮倍率以實(shí)現(xiàn)排污水達(dá)標(biāo)排放和提高濃縮倍率以節(jié)約用水、降低水耗的兩難困境，有必要實(shí)施技術(shù)改造。本研究綜合分析電廠實(shí)際情況，提出了采用納濾技術(shù)改善循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水水質(zhì)以滿足達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)的方案，并與傳統(tǒng)的反滲透方案進(jìn)行了比較。

2 方案一：采用納濾技術(shù)處理后實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放

針對(duì)目前循環(huán)排污水在設(shè)計(jì)濃縮倍率為5.5左右，循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水由于全鹽量和硫酸根超標(biāo)無法達(dá)標(biāo)排放的問題，方案一提出采用納濾技術(shù)對(duì)循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水進(jìn)行分鹽處理，將水中的高價(jià)離子特別是硫酸根截留在濃水側(cè)，降低產(chǎn)水中硫酸根和全鹽濃度，

最終納濾淡水可達(dá)標(biāo)外排，納濾濃水回用作脫硫工藝水。整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程如圖1 所示。

圖1 循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水處理系統(tǒng)工藝流程（方案一）Fig.1 Process flow of circulating cooling system blow-down water treatment system（Scheme 1）

循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水收集至廢水調(diào)節(jié)池后，首先進(jìn)入沉淀澄清池，通過NaOH-Na2CO3的雙堿法加藥去除水中大部分的硬度〔3，7〕，結(jié)合絮凝劑的加入去除水中的懸浮物，再經(jīng)過變空隙濾池+超濾的兩級(jí)過濾預(yù)處理后，最后通過納濾進(jìn)行濃縮，回收率為75%左右，根據(jù)計(jì)算產(chǎn)出的低鹽淡水的含鹽質(zhì)量濃度為1 200 mg/L 左右，硫酸根為150 mg/L 左右，低于地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，可以達(dá)標(biāo)排放，少量的高鹽濃水回用作脫硫系統(tǒng)工藝補(bǔ)水。根據(jù)方案一改造后的全廠水平衡簡圖（水量單位為m3/h）如圖2 所示。

圖2 改造后的全廠水平衡簡圖（方案一）Fig.2 Simplified diagram of the water balance in the whole plant after renovation（Scheme 1）

3 方案二：采用反滲透技術(shù)處理后實(shí)現(xiàn)旁路除鹽

方案二設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的反滲透技術(shù)，建設(shè)一個(gè)循環(huán)水旁路除鹽系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示。

圖3 循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水處理系統(tǒng)工藝流程（方案二）Fig. 3 Process flow of circulating cooling system blow-down water treatment system（Scheme 2）

循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水收集至廢水調(diào)節(jié)池后，首先進(jìn)入沉淀澄清池，同樣是通過NaOH-Na2CO3的雙堿法加藥去除水中大部分的硬度，結(jié)合絮凝劑的加入去除水中的懸浮物，再經(jīng)過變空隙濾池+超濾的兩級(jí)過濾預(yù)處理后，最后通過反滲透進(jìn)行濃縮（回收率75%左右），回收大量優(yōu)質(zhì)淡水作為鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)進(jìn)水和循環(huán)水補(bǔ)水，少量的高鹽濃水回用作脫硫系統(tǒng)工藝補(bǔ)水。根據(jù)方案二改造后的全廠水平衡簡圖（水量單位為m3/h）如圖4 所示。

圖4 改造后的全廠水平衡簡圖（方案二）Fig.4 Simplified diagram of the water balance in the whole plant after renovation（Scheme 2）

4 2 種方案對(duì)脫硫廢水零排放治理的影響

以上2 種方案都設(shè)計(jì)將膜濃縮的濃水回用作脫硫工藝水，這也是目前濕冷燃煤機(jī)組循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理方面的普遍做法。在濕法石灰石FGD 系統(tǒng)中，脫硫漿液中Cl-濃度過高時(shí)將影響漿液傳質(zhì)能力，降低SO2脫除效率，還會(huì)增加對(duì)吸收塔的腐蝕破壞，一般Cl-質(zhì)量濃度低于10～15 g/L 時(shí)無明顯影響〔8〕。因此，脫硫?qū)I(yè)一般設(shè)計(jì)Cl-質(zhì)量濃度不超過20 000 mg/L〔9〕，過高濃度的漿液以脫硫廢水的形式排出吸收塔，同時(shí)部分Cl-隨石膏攜帶出系統(tǒng)，以維持整個(gè)脫硫系統(tǒng)漿液中Cl-濃度的平衡。

由表3、表4 可知，方案一通過納濾工藝實(shí)現(xiàn)了循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水中大部分氯離子的達(dá)標(biāo)外排，改造后的脫硫工藝補(bǔ)水的平均氯離子濃度較低，脫硫廢水水量可控制在最大（15 m3/h）。方案二由于反滲透的高脫鹽率，循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水中大部分氯離子集中至濃水側(cè)，在其他條件相同的情況導(dǎo)致脫硫工藝補(bǔ)水的平均氯離子濃度顯著上升，脫硫廢水水量增加，最大可達(dá)23 m3/h。

表3 循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理對(duì)脫硫廢水水量的影響（方案一）Table 3 Impact of circulating cooling system blow-down water treatment on the quantity of desulfurization wastewater（Scheme 1）

表4 循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理對(duì)脫硫廢水水量的影響（方案二）Table 4 Impact of circulating cooling system blow-down water treatment on the quantity of desulfurization wastewater（Scheme 2）

因此，2 種循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理方案對(duì)脫硫廢水水量的影響差異顯著，需要采用不同的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放?；谀壳爸髁鞯拿摿驈U水零排放技術(shù)〔10-12〕，建議方案一采用“高溫?zé)煔馀月穱婌F蒸發(fā)干燥”技術(shù)，按4×4 m3/h 處理能力在4 臺(tái)機(jī)組爐后分別建設(shè)一座干燥塔，利用空預(yù)器前高溫?zé)煔庵苯诱舾赡┒藦U水。高溫?zé)煔馀c廢水直接接觸發(fā)生熱量交換，廢水以水蒸氣的形式進(jìn)入煙氣中，廢水固化后雜鹽及飛灰通過干燥塔底部以及尾部除塵設(shè)備捕集，經(jīng)倉泵輸送至灰倉，煙氣經(jīng)過干燥降溫后，返回至空預(yù)器后主煙道。

方案二脫硫廢水水量較大，若直接采用高溫?zé)煔庹舾擅摿驈U水的工藝將致使每臺(tái)鍋爐抽取空預(yù)器前高溫?zé)煔饬窟^大（超過5%），會(huì)對(duì)鍋爐熱效率和穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生明顯的不利影響?？紤]先對(duì)脫硫廢水進(jìn)行濃縮減量，本工程從提高運(yùn)行穩(wěn)定性和控制運(yùn)維成本考慮，選擇“低溫?zé)煔庥酂衢W蒸濃縮”技術(shù)，建設(shè)1 套24 m3/h 多效閃蒸濃縮裝置，通過FGD 塔前煙道中增設(shè)煙道換熱器獲取低溫?zé)煔庥酂嶙鳛檎舭l(fā)熱源。根據(jù)脫硫廢水水質(zhì)情況，設(shè)計(jì)濃縮倍率為3 倍左右，濃縮后的末端廢水再通過4×2 m3/h 的干燥塔做徹底固化處理。

5 2 種循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理方案的比選

本研究首先著重從經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)兩方案進(jìn)行了比選。鑒于兩方案對(duì)脫硫廢水治理的影響差異顯著，相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性比較應(yīng)該統(tǒng)籌考慮相應(yīng)的脫硫廢水治理的經(jīng)濟(jì)成本。從表5 可看到在綜合考慮了脫硫廢水零排放的投資與運(yùn)行成本后，方案一（采用納濾工藝）在建設(shè)總投資、整體運(yùn)行費(fèi)用方面與方案二（采用反滲透工藝）相比差距不明顯，甚至略低。從技術(shù)路線可靠性的角度進(jìn)一步分析，方案二對(duì)應(yīng)的脫硫廢水零排放工藝路線更加復(fù)雜，運(yùn)行可靠性降低，運(yùn)行維護(hù)難度加大。納濾方案在脫硫廢水零排放方面則可采用更簡潔、可靠、經(jīng)濟(jì)的工藝路線，技術(shù)可行性上也更有優(yōu)勢。

表5 2 種循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理方案的經(jīng)濟(jì)性比較Table 5 Economic comparison of two schemes for circulating cooling system blow-down water treatment

6 總結(jié)

針對(duì)某燃煤電廠的循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理難題，在傳統(tǒng)的采用反滲透技術(shù)進(jìn)行循環(huán)水旁路除鹽方案之外，提出了采用納濾技術(shù)降低循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水中全鹽和硫酸根含量以滿足地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的方案。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析發(fā)現(xiàn)：達(dá)標(biāo)排放方案在經(jīng)濟(jì)性上略有優(yōu)勢，同時(shí)對(duì)脫硫廢水水量的影響較小，可以采用更簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放，技術(shù)可行性更強(qiáng)。

目前，國內(nèi)很多地區(qū)對(duì)燃煤電廠外排循環(huán)排污水的水質(zhì)特別是全鹽或部分離子含量做出規(guī)定，超標(biāo)排放將面臨嚴(yán)重的環(huán)保問責(zé)風(fēng)險(xiǎn)。本研究提出的達(dá)標(biāo)排放方案將為相關(guān)電廠循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水治理提供一種新的思路。同時(shí)，在方案比選中，應(yīng)綜合考慮各方案對(duì)廠內(nèi)其他水系統(tǒng)特別是末端脫硫廢水零排放的影響，開展全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，從中優(yōu)選最適合電廠實(shí)際情況的方案。