火電廠脫硫廢水零排放研究和實施分析

王勝虎

（國能陳家港發電有限公司，江蘇 鹽城 224631）

0 引言

隨著國家對于工業生產的環保要求愈發嚴格，部分地區要求火電廠實現廢水零排放，新建的電廠將不在預留排污口。廢水零排放是一種理想的閉環用水系統，系統內的水循環使用或將廢水處理后回用，不向外排放廢水[1]。這種對水資源的優化利用要求火電廠對不同環節、不同工況的廢水進行分析，利用先進的水處理技術，將廢水處理達到能夠重復使用的標準，進而實現廢水零排放。這將是火電廠節水減排，推動可持續發展的重要研究方向[2]。

國外廢水零排放研究以美國GE、aquatech 等公司為代表，通過高含鹽廢水的蒸發結晶等核心工藝，于20 世紀70 年代著手研發應用，實際涉及應用的包括造紙、化工、電力等眾多領域。美國德克薩斯州的兩座燃氣電廠應用GE公司的鹽水濃縮和結晶處理工藝來處理循環冷卻水，其回用率超過98%[3]。

當前廢水零排放的核心技術主要在于蒸發結晶工藝。其中，鹽濃縮包括熱法蒸發濃縮和膜發濃縮，熱濃縮主要有MED 多效蒸發技術和MVR 機械蒸汽壓縮蒸發技術[4]；而膜法濃縮則主要有正滲透、反滲透、電滲析和膜蒸餾等方法[5]。當前國內火電廠廢水零排放因技術仍不是很成熟，尚處于逐步興起階段。真正實施火電廠廢水零排放的主要包括3 家電廠：河源電廠、三水恒益電廠以及長興電廠。廣東河源電廠采用的是“二級預處理+多效蒸發結晶”工藝，整套系統投資達9750 萬元，于2009 年投入運行，是國內第一家真正意義上實現廢水零排放的電廠。其預處理系統采用“兩級反應+沉淀、澄清”處理工藝[6]。

三水恒益電廠應用的廢水零排放技術是“兩級臥式機械蒸汽再壓縮+兩級多效蒸發”工藝，總投資達6000 萬元。華能長興電廠廢水零排放系統于2015 年4 月投運，其工藝系統由預處理、膜濃縮以及蒸汽壓縮蒸發結晶等工藝組成，總投資達8000 萬元[7]?；痣姀S實施廢水零排放工藝后，末端產生的廢水量較少，2×600MW 的機組末端廢水總量約22m3/h；末端高鹽廢水處理設備投資的費用比較高，每噸廢水在300 萬元～400 萬元左右，相比正常運行而言，費用每噸要高出100 元。所以火電廠應用廢水零排放技術將會帶來較大的經濟壓力，這為技術創新帶來了新的需求[8]。

本文結合某電廠脫硫廢水零排放設計原則，提出了“軟處理+膜濃縮處理+蒸發結晶”的廢水零排放處理工藝措施，并結合全廠當前各系統DCS 控制情況，對脫硫廢水零排放系統整體DCS 控制策略和具體順序控制步序進行了設計。

1 脫硫廢水系統分析

內蒙古某電廠1 號機組和2 號機組脫硫系統都是使用的石灰石-石膏濕法脫硫工藝。兩個機組脫硫廢水量的理論設計值是6m3/h，系統最大出力為10.48m3/h，已釆用“中和（堿化）+絮凝+澄清”方案投運。原脫硫系統設置有三聯箱、澄清器、清水池、板框壓濾機等設備。主要流程如圖1 所示。

圖1 原脫硫廢水系統處理流程Fig.1 Treatment process of the original desulfurization wastewater system

2 脫硫廢水零排放系統工藝流程設計原則

根據火電廠末端脫硫廢水的水質和水量特點，脫硫廢水零排放系統工藝設計流程應優先考慮如下原則：一是盡最大可能實現脫硫廢水的脫鹽處理和回收利用；二是將固體廢棄物的排放量降至最低；三是將脫硫廢水進行軟化預處理后的污泥實行分質處理與綜合利用，并將氯化鈉與硫酸鈉進行分離，達到循環經濟的目的；四是盡可能使用膜濃縮處理技術對脫硫廢水進行濃縮減量處理。此技術能最大程度地降低蒸發結晶系統的建造規模，減少投資和降低運行成本。最后是要將脫硫廢水水質和水量的波動給系統運行帶來的影響考慮充分，對系統整體、各單元運行及控制方式進行優化，保證脫硫廢水零排放系統可以根據水質和水量的波動實行靈活調整，從而實現穩定可靠地運行，并盡可能降低系統運行成本，脫硫廢水排放參數要求見表1。

表1 脫硫廢水排放參數Table 1 Desulfurization wastewater discharge parameters

3 脫硫廢水零排放處理技術

3.1 脫硫廢水零排放處理工藝

脫硫廢水零排放系統是電廠水系統內具有相對獨立功能的部分，其主要用途是對現有脫硫廢水系統進行改造，采用蒸汽進行蒸發結晶后達到全廠廢水零排放目的，同時結晶出的鹽作為工業鹽產品。

根據第2 節的脫硫廢水零排放系統工藝設計原則，確定采取的脫硫廢水零排放系統方案為“軟化預處理+膜濃縮處理+蒸發結晶干燥-零排放”工藝，工藝流程如圖2所示。

圖2 脫硫廢水零排放處理工藝流程Fig.2 Zero discharge treatment process flow of desulfurization wastewater

如圖2 所示，脫硫廢水深度處理分為3 段處理（軟化預處理、膜濃縮處理、蒸發結晶處理）。

第1 段為軟化預處理段。其核心技術是機械沉降+膜強化軟化（TMF），主要作用是除掉脫硫廢水中的懸浮物和鈣鎂離子，保證后端膜濃縮系統能夠正常穩定運行，從而實現分鹽處理并對高品質工業鹽和高品質石灰石漿液進行回收利用，以使固體廢物排放量盡可能降低。

第2 段為膜濃縮處理段。其核心技術是納濾（SCNF）+高壓反滲透（UHPRO），此工藝段主要是對一價離子和二價離子進行分離，并對脫硫廢水濃縮實行減量處理，從而利用高鹽廢水反滲透膜的脫鹽作用，達到截留脫硫廢水中鹽至濃鹽水中的目的。

第3 段為蒸發結晶干燥段（MVR）。其使用的蒸發結晶段主體工藝——MVR 結晶器是最能夠節約能源的，蒸發出的結晶鹽通過離心機出鹽后，將由全自動結晶鹽打包封裝，最終的產品是純度高于93.3%的氯化鈉，達到了二級工業濕鹽的標準，從而實現了固體廢物的綜合利用和減量處理。

3.2 脫硫廢水零排放控制

脫硫廢水零排放控制系統采用DCS 控制，程控機柜、電源柜均布置在脫硫廢水零排放電子設備間內，控制系統獨立組網，運行人員在該控制系統的操作員站上實現對脫硫廢水零排放控制系統各工藝系統（包括預處理系統、蒸發濃縮系統、加藥等子系統）的所有被控對象進行監控，包括設備啟?？刂?，閥門打開關閉操作、設備啟停狀態、閥門已開已關狀態、遠方/就地切換狀態和主要工藝參數的監視，并完成設備的聯鎖保護。即：

1）脫硫廢水零排放控制系統釆用以微處理器為基礎的過程控制器（DPU）進行順序控制，順控邏輯設計符合工藝系統的控制要求。

2）控制系統對整個脫硫廢水零排放工藝系統實行集中監視、管理和自動程序控制，同時在DCS 中設置必要的保護和閉鎖功能。

3）對于工藝系統內所有的電動/氣動閥門、風機、泵等設備，均可進行程序（遠方）控制及就地控制，對于氣動閥門還能在電磁閥箱上進行控制，控制邏輯中提供必要的閉鎖手段。

脫硫廢水零排放控制系統DCS 操作員站，在DCS 操作員站上進行監控、歷史追憶、報警等功能。

脫硫廢水零排放系統所有設備釆用國電智深DCS 系統控制，集成設備控制采用PLC 設備，配置PLC 與DCS 硬接線連接，DCS 系統與PLC 系統的網絡通訊，硬接線信號包括設備后停和緊急狀態跳閘指令、設備聯鎖指令、設備狀態和報警、電源故障等。

具體控制步序包括預處理單元、污泥脫水單元、管式膜系統、膜濃縮系統和蒸發結晶系統的控制。其中，管式膜系統運行要經過采水、反洗、酸洗（包括清水排空、酸洗循環、浸泡、酸洗回流、清水沖洗）等3 個步驟。膜濃縮系統主要包括納濾系統和高壓反滲透系統，蒸發結晶蒸發前準備（泵、閥啟動）、MVR 壓縮機啟動、蒸發結晶出鹽開始、蒸發結晶晶漿回流管道沖洗、蒸發結晶至稠厚罐沖洗、蒸發結晶鹽腿管道沖洗、蒸發結晶母液出口管道沖洗、蒸發結晶稠厚罐出口管道沖洗。

3.3 脫硫廢水零排放系統調試

脫硫廢水零排放系統調試包括預處理系統調試和納濾、高壓反滲透系統調試。

預處理系統主要由脫硫廢水調節池、管式膜三聯箱、殺菌劑加藥系統、堿液加藥系統、碳酸鈉加藥系統、鹽酸加藥系統、管式膜系統等部件組成，其調試包括滿水實驗、攪拌機試轉、預處理系統及加藥系統清洗和管式膜系統調試。而管式膜系統調試需先進行系統沖洗和管式膜浸泡，隨后實施管式膜系統邏輯步序調試，如下：

1）管式膜系統的運行與反洗、停機、酸洗、堿洗程序無法同時觸發，調試此邏輯步序。

2）管式膜系統共享反洗、停機資源，故多套管式膜運行時，同時觸發反洗、停機時應排序進行，調試此邏輯步序。

3）當其中任意一套或幾套管式膜系統進行酸洗或者堿洗時，其余管式膜系統均無法觸發停機條件，調試此邏輯步序。

因管式膜系統步序復雜，聯鎖條件較多，故應分別對3 套管式膜系統進行運行、反洗、停機、酸洗、堿洗步序調試。

最后，待預處理加藥軟化系統各單元系統及管式膜系統調試正常后，可對整套系統進行聯機手動調試，即可對脫硫廢水系統進行手動調試。通過手動切換管線閥門、手動啟停主管線動力泵、手動啟停藥劑投加泵、手動啟停攪拌曝氣系統，對軟化系統進行聯機調試。

納濾、高壓反滲透系統調試主要包括系統沖洗、安裝，如下：

a）在管式膜系統運行制水后，開始沖洗納濾系統的進水管道和壓力容器。沖洗時間約15min，取樣觀察無明顯雜質后停泵。

b）打開壓力容器端蓋，人工拖布擦拭容器內部，再用管式膜產水沖洗10min。

c）安裝結束后，啟動納濾供水泵，打開納濾進水閥；啟動還原劑計量泵，打開納濾沖洗排放門，打開納濾產水排放門，沖洗納濾設備1h，然后進行浸泡，之后再將浸泡水排掉。

d）試壓工作。啟動納濾供水泵，打開納濾進水閥，打開納濾沖洗排放閥，打開納濾產水排放閥，啟動還原劑計量泵，沖洗約30min 后，啟動高壓泵，啟動阻垢劑計量泵，開始手動進行試運行。

同樣的方式對高壓反滲透設備進行沖洗，安裝膜元件，浸泡。

3.4 脫硫廢水零排放系統故障處理

脫硫廢水零排放系統常見故障處理包括：蒸發量低故障處理（見表2）、壓縮機故障處理（見表3）、結晶蒸發裝置進料少故障處理（見表4）、泵運行故障處理（見表5）。

表2 蒸發量低故障處理Table 2 Troubleshooting for low evaporation capacity

表3 壓縮機故障處理Table 3 Compressor fault handling

表4 結晶蒸發裝置進料少故障處理Table 4 Troubleshooting of insufficient feed in the crystallization evaporation device

表5 結晶蒸發裝置進料少故障處理Table 5 Troubleshooting of insufficient feed in the crystallization evaporation device

4 結論

燃煤電廠是工業用水的第一大戶，通過廢水零排放的研究減少用水量，同時減少廢水污染物排放總量，對于走可持續發展道路有著現實而重要的意義。目前，廢水零排放技術在國內應用尚且較少，投資費用及運行費用較高。本文依據某電廠脫硫廢水零排放設計原則，提出了“軟化預處理+膜濃縮處理+蒸發結晶處理”的廢水處理工藝，并就脫硫廢水系統控制提出了整體的控制策略和具體的順序控制步序、廢水零排放系統的調試建議，最后對脫硫廢水零排放系統蒸發量低、壓縮機故障、結晶蒸發裝置進料少、泵運行故障等問題提出了解決建議，為電廠脫硫廢水零排放的研究和實施提供了參考。