陶瓷超濾和全膜法工藝在火電廠中的應(yīng)用

程金倉，楊 蕾

（1.江蘇國信靖江發(fā)電有限公司，江蘇 靖江 214513；2.國家能源集團泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 215300）

隨著我國火力發(fā)電廠機組容量、參數(shù)的提高和環(huán)境保護意識的增強，對鍋爐補給水品質(zhì)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和能耗經(jīng)濟性的要求也越來越高。同時，對火電企業(yè)減少廢水排放量、減少取水量和提高水的利用率等提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電廠水處理工藝即“混凝沉淀＋過濾＋離子交換”已難以滿足節(jié)能環(huán)保的要求。

目前，該工藝路線中廣泛使用的有機超濾膜容易斷絲且造成反滲透膜污堵，另外離子交換設(shè)備再生過程會排放大量高濃度酸堿廢水。為解決傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)存在的這些問題，華東地區(qū)某電廠供熱改造中采用了“陶瓷超濾＋兩級反滲透+電除鹽”的全膜法工藝，并設(shè)置濃水反滲透裝置提高水的利用率。

1 陶瓷超濾技術(shù)

隨著新一代高效膜分離技術(shù)的研究和推廣使用[1]，超濾逐漸替代了傳統(tǒng)預(yù)處理工藝。由于操作壓力低（0.05~0.30 MPa）、能耗少、占地小、無化學(xué)相變，不存在二次污染，且出水效果好，超濾技術(shù)迅速得到了廣泛的應(yīng)用，在各種水處理工藝中作為反滲透、除鹽設(shè)備的預(yù)處理工藝[2]。

目前，超濾膜多采用有機中空式纖維膜，其使用壽命通常大約5年左右，有機超濾膜元件在運行2年后斷絲現(xiàn)象逐漸明顯，斷絲導(dǎo)致超濾的出水水質(zhì)嚴(yán)重下降，SDI值變大甚至超標(biāo)。斷絲造成了反滲透保安過濾器和反滲透膜組件的污堵，嚴(yán)重影響了反滲透系統(tǒng)的安全和可靠運行。

陶瓷膜元件主要由氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯及二氧化硅等無機材料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，是具有多孔結(jié)構(gòu)的精密陶瓷過濾材料。與有機超濾膜相比，陶瓷超濾膜具有化學(xué)穩(wěn)定性好，pH值更寬廣、耐強氧化劑、機械強度大、可反向沖洗、抗微生物能力強、耐高溫、孔徑分布窄、分離效率高等特點[3-10]。

陶瓷超濾膜分離技術(shù)是近年國際上發(fā)展迅速的高新技術(shù)之一，已經(jīng)在化工、鋰電、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)的分離、濃縮、提純過程中顯示出突出的優(yōu)勢和廣闊的前景。

陶瓷超濾的特點：

1）膜通量大，陶瓷超濾設(shè)備占地面積??；2）物理性能好，機械強度大，幾乎無斷絲率；3）化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、堿、強氧化劑；4）使用壽命長，膜的壽命不低于15年；5）水質(zhì)適應(yīng)性較強，對進水水質(zhì)要求低，適用于高濁水和高濃度廢水；6）價格相對較貴，對生產(chǎn)制造工藝要求高。

2014年德國納諾斯通公司研發(fā)了塊式陶瓷超濾膜產(chǎn)品并進入中國市場，其外形尺寸和結(jié)構(gòu)與有機超濾膜相同，大大降低了陶瓷超濾膜使用成本，且先進的制造工藝保證了成品率較高，親水性較好，孔徑均勻性好，使用壽命長，使陶瓷膜替代有機超濾膜在技術(shù)經(jīng)濟上可行。該產(chǎn)品在發(fā)電廠補給水、廢水零排、中水回用等系統(tǒng)中逐步得到了應(yīng)用。

2 陶瓷超濾在供熱改造中應(yīng)用實例

2019年華東某電廠進行供熱改造，擴建出力150 m3/h除鹽水系統(tǒng)。因熱用戶對供熱穩(wěn)定性的要求較高，電廠沒有足夠場地擴建原水預(yù)處理設(shè)施，故在供熱改造中采用了陶瓷新一代超濾工藝。

該電廠水源為長江水，水質(zhì)參數(shù)：Cl-質(zhì)量濃度108.18 mg/L；CODMn4.64 mg/L；全硅6.01 mmol/L；溶固量472.6 mmol/L；全固量4.00 mmol/L；反應(yīng)沉淀池出水濁度≤3 NTU。

2.1 陶瓷膜與有機超濾膜比較

表1 為陶瓷膜與有機超濾膜綜合比較。由表1可見：陶瓷超濾膜水質(zhì)適應(yīng)性好，可用于高濁水處理，在沉淀池后可不設(shè)空擦濾池；設(shè)備緊湊，占地面積較??；雖陶瓷超濾膜價格為有機超濾膜2倍以上，但減去空擦、羅茨風(fēng)機和土建費用，總體投資估算略?。蝗粘＿\行費用低，陶瓷膜機械強度高壽命長，斷絲率極低，維護工作量和費用較??；陶瓷超濾膜更符合節(jié)能環(huán)保要求。綜合比較，陶瓷超濾在熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠水處理中應(yīng)用具有很好的經(jīng)濟性和可靠性，值得推廣應(yīng)用。

2.2 陶瓷膜使用效果

改造后陶瓷超濾膜運行通量約262 L/(m2·h)，單次運行周期30～60 min，單次反洗時間1.25 min，化學(xué)加強反洗間隔10 h，清洗周期＞40 d，出水回收率＞92%，陶瓷膜出水水質(zhì)SDI＜2，濁度＜0.10 NTU，完全達(dá)到改造要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

混凝劑是分子量低而陽電荷密度高的水溶性聚合物，大多為液體。通常水解后產(chǎn)生帶正電荷顆粒的殘余混凝劑可以穿越有機超濾膜，與電離生成帶負(fù)電性分子鏈的反滲透阻垢劑和帶有負(fù)電荷的反滲透膜會發(fā)生反應(yīng)。其反應(yīng)物很容易沉積在保安過濾器和反滲透膜表面，造成保安過濾器和反滲透膜壓差上升，長期污堵后無法通過化學(xué)清洗恢復(fù)，需頻繁更換保安過濾器濾芯，從而降低反滲透膜出力，縮短使用壽命。

采用一般有機超濾膜只能有效去除分子量大于7 000的有機物，目前普遍使用的混凝劑通常分子量大于3 500。采用陶瓷超濾膜能有效去除低分子量的混凝劑殘余物，防止保安過濾器和反滲透膜污染，節(jié)約運行維護成本。

3 全膜法在電廠供熱改造中的應(yīng)用

3.1 電除鹽技術(shù)

由于混床工作時需要進行周期性再生，再生過程中需要大量的化學(xué)酸堿和除鹽水，且產(chǎn)生的高濃度廢水帶來了環(huán)境污染問題。電除鹽（EDI）技術(shù)的發(fā)展和投運改變了制備高純水只能采用混床的局面。EDI系統(tǒng)比混床操作要簡單、連續(xù)，自動化程度高，需要更少的人力。EDI的工藝過程產(chǎn)生的廢水排放很少，正常運行中大多數(shù)排放水可以回收到前一級系統(tǒng)綜合利用，減少了對環(huán)境的污染。目前EDI技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)積累了成功運維的經(jīng)驗，其主體工藝流程為“超濾＋一級反滲透＋二級反滲透＋電除鹽”。

相比于傳統(tǒng)的“有機超濾（UF）＋反滲透（RO）＋離子交換”技術(shù)，全膜法是目前鍋爐補給水系統(tǒng)首選的環(huán)保方案。

3.2 全膜法與傳統(tǒng)離子交換除鹽比較

全膜法與“UF＋RO＋離子交換”比較見表2。由表2可見，雖全膜法水處理系統(tǒng)須在前端配置兩級反滲透裝置，設(shè)備初投資較大，EDI設(shè)備運行電耗相對較多，但全膜法工藝卓越的環(huán)保零排放特點，可保證無酸堿廢水排放，其系統(tǒng)設(shè)備緊湊，運行操作簡單，維護量較小，可節(jié)約化學(xué)車間占地面積，且無需采購大量酸堿進行再生，節(jié)省了藥劑費用。

表2 全膜法與“UF＋RO＋離子交換”比較Tab.2 Comprehensive comparison between integrated membrane method and “UF + RO + ion exchange”technology

本次供熱改造在全膜法工藝中設(shè)置濃水反滲透系統(tǒng)，根據(jù)全廠和脫硫系統(tǒng)水量平衡測試結(jié)果以及單機運行時脫硫工藝水需求量，為滿足環(huán)評無外排的要求，設(shè)計濃水反滲透系統(tǒng)濃水回收率為60%。該水處理系統(tǒng)投運后可減少濃水排放10.8萬t/年，提高了水的利用率。

4 鍋爐補給水系統(tǒng)設(shè)計方案

4.1 陶瓷膜的優(yōu)勢

一般來講，當(dāng)火電廠用水需求變大（增加30%左右）時，首先考慮的是化學(xué)系統(tǒng)的擴容改造，在較少的投資下實現(xiàn)擴容目標(biāo)。

有機膜超濾可直接將膜元件更換為同規(guī)格大通量陶瓷膜元件，大通量陶瓷膜通量是有機超濾膜的2~3倍，即可實現(xiàn)超濾產(chǎn)水量增加1倍，其原有加藥系統(tǒng)基本不需改造。一般反滲透裝置上部都有較大空間，可以通過增加膜面積和提高增壓泵壓頭來擴容。離子交換器可通過提高流速來適當(dāng)擴容。因此，陶瓷膜在化學(xué)擴容改造項目中具有較大的成本和性能優(yōu)勢。

4.2 廢水零排放措施

隨著國務(wù)院頒發(fā)〔2015〕17號《水污染防治行動計劃》即“水十條”，對廢水排放的要求日益嚴(yán)格。目前，部分大型集團和地方火電廠已經(jīng)率先完成廢水深度處理，實現(xiàn)了廢水零排放。實現(xiàn)廢水零排放的具體措施如下。

1）化學(xué)補給水系統(tǒng)設(shè)計需完善水量平衡測試，細(xì)化各系統(tǒng)用水量和水質(zhì)，并做好分級利用措施，為系統(tǒng)設(shè)計提供可靠依據(jù)。

2）反滲透濃水可采用濃水反滲透或納濾等工藝，進一步提高水的重復(fù)利用率，減少濃水排放量。

3）系統(tǒng)設(shè)計需考慮后續(xù)廢水零排放的工藝要求，選擇工藝路線盡可能減少排放量，并且排放水質(zhì)需具備深度處理的條件，優(yōu)先選擇全膜法工藝。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合電廠供熱改造化學(xué)水處理擴容改造的實際經(jīng)驗，通過采用大通量、低斷絲、長壽命和抗污染的陶瓷超濾工藝，通過濃水反滲透進一步減少濃水排放，同時采用無再生廢水排放的電除鹽工藝，解決了傳統(tǒng)水處理“有機超濾＋反滲透＋離子交換”工藝存在有機超濾斷絲和離子交換樹脂再生產(chǎn)生大量高鹽廢水的問題。該工藝具有系統(tǒng)可靠穩(wěn)定、環(huán)境效益好的優(yōu)勢，在熱電聯(lián)產(chǎn)水處理工藝中有很好的應(yīng)用前景。