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火力发电厂循环水排污水处理工艺实施
天津华能杨柳青电厂 郑卫东

摘 要：华北地域缺水形势日趋严重，处理循环水排水并反复利用是电厂节水工作关键内容。本文结合本厂水质及设备实际情况，怎样合理确实定循环水排污水处理工艺进行了探讨。

关键词：火力发电厂；循环水排污水；处理工艺

　　天津华能杨柳青热电有限责任企业地处严重缺水京津地域，电厂总装机容量为2×300MW，二台机组分别于1998年12月及1999年9月投运，锅炉为德国产液态排渣炉，凝汽器铜管为HAL77-2A及B30（空抽区），其它冷却器材质为B10。冷却水系统为开式循环冷却系统，循环水系统补充水为子牙河水。经过动态模拟试验，现在循环水系统浓缩倍率控制在2.5倍左右运行。
　　杨柳青电厂委托西安热工院，着手进行循环水排污水处理可行性研究工作。从经济运行和保护环境出发，初步设想循环水排污水处理目标为：结合本厂水质及运行设备情况，从降低河水取水量及降低循环水排水量着手，确定了一个科学合理处理工艺，达成节水目标。

1 全厂用水、排水现实状况分析
1.1全厂补水总量
全厂取子牙河水总量统计见表1，依据表中数据统计结果，全厂平均取水量为1392.5m3/h。
表1 循环水补充水量统计结果

1.2循环水系统
表2为循环水量、补充水量及冷却系统浓缩倍率统计数据，依据表中数据统计结果平均循环水量为38197.7m3/h，平均循环水补充水量为1343.6m3/h，循环水系统平均浓缩倍率为1.93；冷却塔风吹损失按循环水量统计值0.1%即38.2m3/h计，则能够推算出循环水系统年平均排水量为658.0 m3/h，蒸发损失为647.4 m3/h。
对于杨柳青电厂，因为无水冲灰系统，循环水系统补充水量要占到全厂总耗水量90%以上。
表2 循环水量、补充水量及冷却系统浓缩倍率统计结果

1.3化学制水系统
化学制水车间用水为子牙河水，化水车间除盐水供水量经过整年统计，平均除盐水供水量为25.8m3/h；化学制水车间自用水率按30%计，则年平均用水量为25.8 m3/h /(1-30%)=36.8 m3/h。
1.4 其它系统
1.4.1、浇花草及冲厕用水
　　取自循环水，浇花水量估量值为6.3 m3/h 。冲厕所水量估量值为6.5 m3/h。
1.4.2、热网系统
热网系统供水水量为2.8 m3/h。
1.4.3、制氢站冷却水
　　制氢站冷却水为河水，水量约8.1m3/h，冷却后水排至水塔。
1.4.4、至煤场喷淋补水
　　取自循环水，水量约100m3/d，即4.2m3/h。
1.4.5、至粒化水补水
　　取自循环水，水量约50m3/d，即2.1m3/h。
1.5水平衡现实状况
　　依据上述数据绘制全厂实际水量平衡简图见图1。

由此可见，全厂平均补水量为1384.4m3/h，不包含热网供水年平均耗水量为1380.4 m3/h。依据统计平均负荷为398MW。由此能够计算出平均耗水率为0.96m3/GW.s，这和国外优异水平耗水率0.50m3/GW.s有较大差距，可见节水潜力很大。
2　循环水处理方案分析
　　杨柳青电厂循环水处理选择了两个技术方案进行分析，二个初步方案为：
 1）  对全部循环冷却系统补充水进行过滤—弱酸离子交换处理，将循环水系统浓缩倍率提升至4。
 2）循环水系统维持现在水质不变，对循环水排水进行RO处理后，RO产水回至循环水系统。
下面就上述2个方案进行技术分析

2.1 循环水补充水过滤-弱酸处理方案
2.1.1、方案概要
　　子牙河水经过滤除去悬浮物并经弱酸离子交换降低含有结垢性离子成份含量后，作为循环冷却水系统补充水，因为补充水中结垢性离子成份降低，能够使冷却水在较高浓缩倍率下运行，从而达成降低循环水系统补充水量及降低排污水量目标。
　　因为弱酸氢离子交换处理只能除去水中暂硬，所以，为了确保处理效果，通常要求进水中全碱度/全硬度≥0.60。统计1999年~河水、循环水水分析统计，循环水系统补充水全硬度范围为3.8mmol/L~12.0mmol/L，全碱度为2.4mmol/L~8.0mmol/L，水质改变较大，但其全碱度/全硬度均在0.65左右，所以，在技术上是可行。 
2.1.2、方案技术特点及应考虑问题
●      处理工艺简单。
●      需用酸进行再生，再生废水较难处理；考虑到无水冲灰系统，处理费用高。
●      子牙河水氯离子含量通常在100PPm以上，特殊时期氯离子含量超出500PPm，弱酸处理后循环水中含盐量及腐蚀性离子将成倍增加，对冷却设备腐蚀加剧，假如控制不力，将对冷却设备产生极大腐蚀隐患。
浇花草及冲厕水源需更改，循环水水质已不符合要求。
基于以上考虑，不考虑该技术方案。
附表3为杨柳青电厂靠近平均水质全分析汇报
表3 子牙河水水质全分析

2. 2循环水排污水RO处理方案
2.2.1、方案概要
采取反渗透技术对循环水排水进行处理，循环水排水中绝大部分盐分随RO系统浓水排出循环水系统，RO产水大部分回至循环水系统，使循环水维持在较低含盐量水平；RO产水一部分至化学锅炉补给水处理系统经离子交换处理后作为锅炉补给水，一部分作为热网系统补充水，在热网不需要供水时，则返回至冷却塔。RO浓水排水作为煤场喷淋补水及粒化水补充水，多出部分水量排至原排水系统。
2.2.2、方案技术特点及应考虑问题
●      能够利用原化学水处理车间及化学热网软化水系统现有预处理设备。
●      循环水水质很好，对冷却设备腐蚀减缓，系统运行较安全。循环水处理方案能够维持现有方案不变。
●      在维持现在循环水水质情况下，系统实际浓缩倍率能够得到提升。
●      处理工艺较为复杂，对运行工况要求高。
基于以上考虑，关键考虑该技术方案。
3．循环水排水RO处理系统计算及工艺
3.1、系统出力计算
3.1.1、计算依据
　　1）循环水水质维持在现在浓缩倍率2.0倍左右时水质，以表3水质为计算水质，则循环水补充水TDS为737 mg/L，循环水TDS为1474mg/L。
　　2）RO系统脱盐率为97%，回收率为80%。
　　3) 因为计算为夏季工况，所以，热网供水量未考虑。
3.1.2 出力计算
　　RO处理循环水排水时，循环冷却系统水量、盐量平衡关系见图2。

 图2 循环冷却系统水量、盐量平衡关系
依据图2冷却塔水量平衡关系为：
Qm+QRO=QV+QW+QB+Qqt …………………………………………………（3）
QB=QRO+QRO1+QROB …………………………………………………（4）
将式（4）代入式（3）得
Qm=QV+QW+QRO1+QROB +Qqt………………………………………………（5）
循环水系统达成动态平衡时盐量平衡关系为：
Qm·TDSm+QRO·TDSRO=（Qqt +QW+QB）·TDSC………………………（6）
式（5）中：
QV=647.4 m3/h；
QW=38.2m3/h；
依据表3，冲厕平均水量~6.5m3/h，浇花草平均水量~6.3m3/h，所以Qqt =6.5m3/h+6.3m3/h=12.8 m3/h；
依据统计化学除盐水平均供水量为25.76m3/h，推算至满负荷供水量~38.9m3/h，RO后继除盐系统自用水量按1.5 m3/h计，则QRO1=40.4 m3/h；
设RO系统回收率为80%，则（RO预处理系统自用水量未计入）：
QROB =（QRO+QRO1）/4=0.25 QRO+10.1……………………………………（7）将以上数据及式（7）代入式（4）
QB=QRO+QRO1+QROB= QRO+40.4+0.25 QRO+10.1=1.25 QRO+50.5…………（8）
将以上数据及式（7）代入式（5）得：
Qm= QV+QW+QRO1+QROB +Qqt
=647.4+38.2+40.4+(0.25 QRO+10.1)+12.8=0.25 QRO+748.9…………（9）
式（6）中
TDSm=737mg/L；
TDSC=1474 mg/L；
TDSRO=1474·（1-97%）=44.22
将以上数据及式（8）、式（9）代入式（6）
（0.25 QRO+ 748.9）·737+ QRO·44.22=(12.8+38.2+1.25 QRO+50.5)·1474
计算得QRO =250.0m3/h，即循环水排水RO处理系统产水需补至循环水系统最大水量为250.0m3/h。
将QRO =250.0m3/h代入式（8）及式（9）计算得：
QB=1.25 QRO+50.5=363 m3/h
Qm=0.25 QRO+ 748.9=811.4 m3/h，即循环水系统河水最大补水量为811.4 m3/h。
在此工况下循环水实际浓缩倍率K为：
K=（Qm +QRO）/（QW+QB+Qqt）=2.6
3.1.3 方案2实施后全厂水量平衡及水耗见图3

图3 循环水排水RO处理系统方案实施后水量平衡图
由此可见，在循环水排水RO处理方案实施后，在平均负荷工况下耗水量为811.4m3/h，较原平均负荷工况取水量降低573 m3/h，排水量降低583 m3/h，耗水率由0.96 m3/GW.s降至0.57m3/GW.s。
3.2、 循环水排水RO处理系统工艺及设备
依据上述计算，在仍维持现在循环水系统水质不变条件下，则在平均负荷工况时，循环水排水RO处理系统产水需补至循环水系统最大水量为250.0m3/h，考虑到至化学除盐车间40.4 m3/h（后继除盐系统自用水量按1.5 m3/h计），所以反渗透处理循环水排水系统最大产水量应为290.4 m3/h。
3.2.1、水处理工艺模拟试验结论
因为循环水中杂质被浓缩，其中致结垢、致污染成份含量将大大超出通常RO膜元件对进水水质要求，所以必需选择合适预处理工艺，将这些成份降低至符合反渗透膜元件要求进水水质范围。而对高浓缩循环水排水进行RO脱盐处理，在中国应用实例较少，且因循环水水质不一样，反渗透前处理工艺可借鉴性也不大。所以，为了确保反渗透系统安全、可靠运行，确保系统出水水质，进行了此次RO前处理现场模拟试验，以选择合适RO前处理工艺，确定RO前处理系统运行条件，为设计、调试和运行提供依据。
10月30日至11月30日，西安热工院技术人员在我企业现场实际取循环水，进行了反渗透处理循环水排水前处理模拟试验，经过试验确定了反渗透处理循环水排水前处理工艺步骤，得出了RO前处理运行方法和经前处理后水质指标。试验结论以下：
3.2.2、试验结果表明，在现阶段循环水水质条件下，循环水经NaOH软化、PFS混凝澄清、澄清水pH调整、NaOCl杀菌、PAC二次混凝、细砂过滤、活性炭吸附预处理工艺处理后，系统出水水质符合RO复合膜元件对进水水质要求，系统出水SDI测定值能够稳定在4~5。在实际工业应用时，提议经过合适和严格运行调整试验，使各阶段处理过程在很好条件下运行，从而取得较模拟试验愈加好系统出水水质。
3.2.3、在现阶段循环水水质条件下，经试验确定系统多种药剂最好加入量为： NaOH加入量为2.5倍循环水中HCO3-mol数；PFS加入量30mg/L；H2SO4（或HCl）加入量~4mmol/L；NaOCl加入量为5.0mg/L；直流凝聚剂PAC加入量为9mg/L。
3.2.4、依据以上试验结果，并对照电厂现有RO预处理设备及系统，提出以下预处理系统设备设置及各水处理剂加入点提议：增设加NaOH系统：NaOH加入量（在不考虑增设石灰系统情况下加入量）以现阶段水质条件应不低于17~18mol/m3·H2O，相当于每吨循环水排水NaOH加入量为~700g（100%NaOH计）；NaOH加入点提议设在澄清池进水母管。
3.2.5、增设直流凝聚加药系统：试验结果表明，在加入PAC二次混凝时，SDI测定膜膜面情况较未加PAC二次混凝时为好；其次增设直流凝聚加药系统能够适应因原水水质改变而可能引发加药方法改变。PAC加入量按3mg/L（以固体PAC为100%计）进行控制，加入点提议设在过滤器进水母管。
3.2.6、选择双滤料机械过滤器：此通常为和直流凝聚配套通用设置，关键是增加过滤器截污量（反洗周期延长）。在双滤料过滤器投运时投入直流凝聚系统，能够缩短过滤器正洗时间，提升系统出水水质。提议双滤料过滤器滤料配置为细砂0.3~0.5mm/800mm，无烟煤0.6~1.2mm/400mm。
3.2.7、 加酸点提议设在清水箱至清水泵管路上（加NaOCl前）；pH调整用酸选择硫酸或盐酸均可（试验时采取硫酸），通常情况下选择硫酸较为经济，加硫酸可能引发关键问题是在RO膜面硫酸盐析出问题，以现在水质情况进行计算，RO浓水中硫酸盐均在能够控制范围内。
3.2.8、试验期间循环水中有机物含量较高，试验结果表明经软化、混凝处理后，其CODMn仍在6mg/L左右，为了确保活性炭去除有机物效果，确保水和炭滤层接触时间，提议活性炭过滤器选择较高炭滤层（＞1800mm），并在设计时选择较低运行流速（10m/h左右）。
3.2.9、依据经验，软化澄清池运行效果对后续处理过程出水水质有较大影响。在工业应用时软化处理效果和处理设备运行条件相关，在相同软化剂量条件下，出水水质有差异。所以，工业应用时应经过调试确定。为了确保澄清池运行效果，应确保澄清池进水有足够停留时间，提议澄清池停留时间≮1.5~2h。
3.2.10循环水RO处理工艺步骤
依据西安热工院《水综合利用技术咨询汇报》及现场实际模拟试验结果，确定了以下工艺步骤：

此方案关键特点以下：
1、能够完全使用现有热网软化水及锅炉补给水系统预处理系统、排水系统及富裕容量反渗透系统。同时，能够满足四期扩建锅炉补给水用水量问题，避免反复投资。
2、整个系统取水、回水均就近实现，降低工程投资。
3.2.11、水处理设备
原化学水处理车间全部用作处理循环水排水，原热网供水车间预处理设备也全部用作处理循环水排水，可用设备及出力为：
凝聚-澄清-初滤设备：
锅炉补给水水处理设备：3×100m3/h=300 m3/h
热网软化水处理设备： 3×1000m3/h=300 m3/h
累计600m3/h，依据图3水量平衡图，需处理最大循环水排水量为363 m3/h，所以不需要新增凝聚-澄清-粗滤设备，可使用原锅炉补给水水处理系统及热网软化水处理系统预处理设备即可，避免反复投资。
已运行RO设备：
锅炉补给水水处理设备：3×40m3/h=120 m3/h
依据图2水量平衡图，RO系统总出力为290.4 m3/h，考虑到四期扩建要求，所以在热网软化水处理车间新增加RO系统出力3×80 m3/h，可在原锅炉补给水处理车间预留位置增设出力50 m3/h RO设备一套，总计新增290 m3/hRO设备。
华北电力设计院据此进行了设计。
4．  水处理系统出水水质
4月份整个节水工程安装完成进入整体调试阶段，经过30天调试，系统运行基础上达成了预期目标。
水处理系统处理前后关键水质以下：

从以上数据能够看出来，系统脱盐率基础上达成了95％。
5．  经济效益评定
华北电力设计院经过经济效益评定，得出以下结论：
第一，        每十二个月少取水372万吨，根据人均天天用水200升计算，可供5万1千人十二个月用水量。每十二个月直接节省水费338万元。
第二，从技术角度考虑，热网补给水使用恶化后水质，因为氯离子急剧增加，软化后水质已经严重威胁热网系统安全运行，大大缩短热网系统及换热器使用寿命。节水系统投运后，热网补给水水质极大改善，热网运行安全性大幅度提升。
第四，节水项目最大程度利用了原热网预处理澄清、过滤设备，假如不加以利用，该部分设备每十二个月折旧费很高，也不能发挥经济效益。长此下去，该设备将逐步损坏。
节水系统使用反渗透系统，适用性强，子牙河水含盐量自600mg/L急剧恶化至mg/L，该节水系统仍然能够发挥作用，是其它水处理系统所不能达成。
第五，对于严重缺水天津市，对循环水排水进行处理，降低河水消耗，含有巨大社会效益。