大型熱電站鍋爐中低含鹽量補(bǔ)給水處理方案選擇

游曉宏

（江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京211100）

對存在外供熱、供水等要求的火電廠，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)規(guī)模往往較為龐大，在整個(gè)電廠建設(shè)的投資比例提高，因此，選擇一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的水處理方案頗受投資、設(shè)計(jì)、運(yùn)行方關(guān)注。

為大幅減少酸堿費(fèi)用、保證運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，對于含鹽量高于500 mg/L水源，大型水處理應(yīng)用投資較高的反滲透（RO）處理技術(shù)[1]在業(yè)內(nèi)已達(dá)成共識。但對于200 mg/L左右的中低含鹽量水源，水處理是采用全離子交換還是RO處理方案，常常意見相左，甚至爭議較大。此外，RO后級系統(tǒng)又有全離子交換、兩級RO＋混床、兩級RO＋電除鹽（EDI）等諸多可選子方案，各子方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差別較大，常常也是問題討論的焦點(diǎn)。文中結(jié)合具體工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，在深化方案設(shè)計(jì)和全面分析技術(shù)特性、一次性投資及酸堿藥品消耗、電耗、人工成本等運(yùn)行費(fèi)用的基礎(chǔ)上，力圖優(yōu)化選擇中低含鹽量水源的大型電站補(bǔ)給水處理方案。

1 鍋爐補(bǔ)給水處理方案

某供熱電廠建設(shè)2×600MW超臨界直流爐燃煤發(fā)電供熱機(jī)組，熱負(fù)荷600 t/h，考慮水汽循環(huán)等損失，設(shè)計(jì)鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)出力695 t/h，鍋爐補(bǔ)給水采用經(jīng)混凝澄清處理、含鹽量約185 mg/L的長江水，污染較輕，水源是典型的中低含鹽量水。

常規(guī)設(shè)計(jì)鍋爐補(bǔ)給水處理考慮采用活性碳過濾+一級離子交換除鹽+混床處理方案（簡稱方案一），其工藝流程及主要設(shè)備參數(shù)如圖1所示。

圖1 方案一工藝流程及主要設(shè)備參數(shù)

RO預(yù)脫鹽處理具有大幅降低再生頻度、減少再生酸堿應(yīng)用和廢水排放量、顯著提高運(yùn)行操作自動(dòng)化水平及提高和穩(wěn)定出水品質(zhì)等突出優(yōu)點(diǎn)[2]，因此可考慮RO處理方案。但對于大型系統(tǒng)，RO脫鹽前預(yù)處理系統(tǒng)如采用傳統(tǒng)的高效過濾+活性炭過濾，設(shè)備數(shù)量多，系統(tǒng)龐大復(fù)雜，占地面積大。如采用高度集成化的超濾（UF）膜組件，不僅出水水質(zhì)高，且大大簡化系統(tǒng)，大幅減少布置占地[3]。因此，RO預(yù)脫鹽處理前宜采用UF處理。綜上所述，鍋爐補(bǔ)給水處理可考慮UF+RO+一級離子交換除鹽+混床處理方案（方案二）。

出于節(jié)能考慮，常規(guī)RO水處理裝置在設(shè)計(jì)使用條件下，RO本體初始運(yùn)行最大進(jìn)水壓力宜小于1.5 MPa[4]，但對大型水處理系統(tǒng)，如能進(jìn)一步降低RO運(yùn)行操作壓力，可取得非常顯著的節(jié)能效果。事實(shí)上，對99.7%高脫鹽率低壓復(fù)合膜RO后的全離子交換系統(tǒng)，即使應(yīng)用在原水含鹽量高達(dá)到700 mg/L場所，運(yùn)行周期也較長，一般超過2個(gè)月才再生一次，為避免樹脂壓實(shí)結(jié)塊，常常中途強(qiáng)制再生。針對水源含鹽量中偏低水質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用99%的稍低脫鹽率極低壓復(fù)合膜，雖然膜的投資因此約增加12%，但運(yùn)行壓力可由常規(guī)的0.9～1.2 MPa降至0.45～0.6 MPa，其應(yīng)用既保證后級除鹽系統(tǒng)合理運(yùn)行周期，又大大節(jié)約能耗。方案二的工藝流程及主要設(shè)備參數(shù)如圖2所示。

圖2 方案二工藝流程及主要設(shè)備參數(shù)

為簡化系統(tǒng)，進(jìn)一步提高運(yùn)行操作的自動(dòng)化水平，混床前一級離子交換除鹽系統(tǒng)可用二級RO代替，形成UF+一級、二級RO+混床處理方案（簡稱方案三），其工藝流程及主要設(shè)備參數(shù)如圖3所示。

圖3 方案三工藝流程及主要設(shè)備參數(shù)

床型離子交換處理具有運(yùn)行中斷、使用酸堿和排放廢液的缺點(diǎn)，近年來，EDI處理成為水處理應(yīng)用新技術(shù)。以EDI工藝應(yīng)用為核心的UF+RO+EDI全膜處理技術(shù)具有運(yùn)行自動(dòng)連續(xù)、產(chǎn)水品質(zhì)高、安裝運(yùn)行維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)，由于設(shè)備均為緊湊模塊化裝置，系統(tǒng)布置占地面積和空間體積小，特別是EDI技術(shù)以電再生方法來生產(chǎn)高純水，避免了酸堿使用和廢液排放，為一種新型的清潔生產(chǎn)工藝，具有顯著的環(huán)境效益[5]。因此，可考慮UF+一級RO+二級RO+電EDI處理方案（簡稱方案四），其工藝流程及主要設(shè)備參數(shù)如圖4所示。

圖4 方案四工藝流程及主要設(shè)備參數(shù)

2 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

2.1 技術(shù)性比較

4種方案的技術(shù)性比較如表1所示。

綜合各項(xiàng)技術(shù)性能，特別是考慮系統(tǒng)復(fù)雜程度、酸堿消耗、自動(dòng)化程度、環(huán)境效益、安全保障等性能，方案的技術(shù)性評價(jià)由高到低依次為：方案二＞方案三＞方案四＞方案一。

2.2 經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，計(jì)算4種方案各項(xiàng)投資和運(yùn)行費(fèi)用，具體詳如表2所示。

表1 4種方案技術(shù)性比較

表2 4種方案經(jīng)濟(jì)性比較數(shù)據(jù)萬元

由表2可看出，在原水含鹽量約200 mg/L時(shí)，各方案投資費(fèi)用：方案四＞＞方案三～方案二＞＞方案一；各方案運(yùn)行費(fèi)用：方案四＞＞方案三＞方案二～方案一。

考慮資金的時(shí)間價(jià)值，根據(jù)各方案年費(fèi)用大小，185 mg/L含鹽量水平下，各方案的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)由高到低依次為：方案一＞方案二＞方案三＞＞方案四。

3 原水含鹽量對方案經(jīng)濟(jì)性影響的定量分析

在上述方案經(jīng)濟(jì)性定量分析基礎(chǔ)上，可建立各費(fèi)用與含鹽量關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式，進(jìn)而解決原水含鹽量對方案經(jīng)濟(jì)性影響的問題。

在一定含鹽量范圍內(nèi)，原水含鹽量對各方案的經(jīng)濟(jì)性影響主要體現(xiàn)在：原水含鹽量越高，方案一的酸堿費(fèi)因此上升，樹脂一次性投資和年樹脂更換費(fèi)用有所上升；原水含鹽量越高，滲透壓上升，RO運(yùn)行電耗上升，但RO運(yùn)行壓力主要取決于膜元件本身的動(dòng)力壓力和水力損失，一定含鹽量范圍內(nèi)，水的滲透壓僅是運(yùn)行壓力中很微小的一部分，故方案二、三、四的一級RO由于進(jìn)水含鹽量升高所引起的運(yùn)行電耗上升忽略不計(jì)；當(dāng)含鹽量高于350 mg/L時(shí)，為保證后級系統(tǒng)運(yùn)行，膜的選擇由極低壓復(fù)合膜改為低壓復(fù)合膜，膜的投資下降。

根據(jù)上述分析，以表2經(jīng)濟(jì)比選數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，擬定原水含鹽量C對系統(tǒng)一次性投資I和靜態(tài)運(yùn)行費(fèi)用Z關(guān)系式分別如下：

式中：I為某含鹽量水平下的靜態(tài)一次性投資，萬元；I0為基準(zhǔn)含鹽量水平下的靜態(tài)一次性投資，萬元；IR0為基準(zhǔn)樹脂投資，萬元；C為原水含鹽量，mg/L；C0為基準(zhǔn)含鹽量，mg/L；k為除樹脂投資外，與含鹽量相關(guān)投資倍增指數(shù)，方案一取0.2，其他方案取0；IM為因含鹽量變化導(dǎo)致膜型選擇而引起的投資調(diào)整量，萬元。

式中：Z為某含鹽量水平下的靜態(tài)運(yùn)行費(fèi)，萬元/年；ZM為基準(zhǔn)含鹽量水平下的除再生酸堿費(fèi)、廢水處理排放費(fèi)、維修費(fèi)以外的靜態(tài)運(yùn)行費(fèi)，萬元/年；ZAC為基準(zhǔn)含鹽量水平下的再生酸堿費(fèi)，萬元/年；ZWW為基準(zhǔn)含鹽量水平下的廢水處理排放費(fèi)，萬元/年；I為某含鹽量水平下固定資產(chǎn)的靜態(tài)一次性投資，萬元；η1為膜、樹脂等設(shè)備性材料一次性投資占總靜態(tài)一次性投資比率，方案一取8%，方案二取25%，方案三取40%，方案四取60%；η2為固定設(shè)備年維修費(fèi)率，取2.5%。

由式（1，2）計(jì)算出各原水含鹽量水平下的靜態(tài)一次性投資以及運(yùn)行費(fèi)用，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 各含鹽量水平下4種方案的靜態(tài)一次性投資

表4 各含鹽量水平下4種方案的靜態(tài)運(yùn)行費(fèi)用

由于考慮了一次性投資資金占用的時(shí)間價(jià)值，采用動(dòng)態(tài)年費(fèi)用法可準(zhǔn)確反映評價(jià)各含鹽量水平下的各方案經(jīng)濟(jì)性。綜合表3、表4的靜態(tài)一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，以40年為方案壽命期，以10%為社會基準(zhǔn)收益率，4種方案動(dòng)態(tài)費(fèi)用見表5。

表5 各含鹽量水平下各方案的動(dòng)態(tài)年費(fèi)用

根據(jù)表5可知，一定含鹽量范圍內(nèi)，隨著含鹽量上升，方案一的經(jīng)濟(jì)性顯著下降，而方案二、三、四經(jīng)濟(jì)性幾乎不變。當(dāng)原水含鹽量上升至約270 mg/L時(shí)，對大型水處理系統(tǒng)而言，方案二的經(jīng)濟(jì)性開始高于方案一，且經(jīng)濟(jì)性最好。

4 結(jié)束語

綜合上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，對以中低含鹽量水為水源的大型鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，宜推薦技術(shù)性能優(yōu)、投資和運(yùn)行費(fèi)用適中的UF+極低壓RO+一級除鹽+混床處理方案；當(dāng)原水含鹽量超過270 mg/L時(shí)，應(yīng)選擇不僅技術(shù)性能優(yōu)，且經(jīng)濟(jì)性能亦優(yōu)的UF超濾+RO+一級除鹽+混床處理方案。

[1] 馮逸仙，楊世純.反滲透水處理工程[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2] DL 5000—2000，火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 邵鋼.膜法水處理技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[4] DL/T951—2005，火電廠反滲透水處理裝置驗(yàn)收導(dǎo)則[S].

[5] 時(shí)鈞，袁權(quán)，高從楷.膜技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.