刘思远
(西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127)
我国自来水，工业用水占65%以上，而且，在经济快速发展的过程中，工业用水量势必进一步增加，因此，加强工业节水水资源保护对我国具有重要意义[1-2]。燃煤电厂和其他工业企业在中国最突出的问题是工厂用水重用率过低，大量的一次性水资源的应用程序必须处理后重复使用或排放，大大增加了工厂总供水和污水;单位高水消费是产业面临的主要问题，随着社会科学技术的发展，工业产能的增加，单位用水量也在不断上升，工业用水量急剧上升[3-5]，因此，节水减排工作是我国迫切需要。
1.1 供水系统
设计水源主要为城市中水及自来水。
城市中水由包头市河东区东污水处理站和西污水处理站供给，东污水处理站日处理能力2万t，西污水处理站日处理能力3万t。中水通过DN600碳钢管道输送至0厂中水池，经中水提升泵送往“中水岛”经过深度处理后送往清水池，再由清水泵供给厂区工业水系统及循环水系统使用。
水平衡试验期间(2014年9月～10月)机组负荷为70%，某电厂实际取水量为1 082 m3/h。其中，城市中水取水量为873 m3/h，占总取水量的80.68%；
自来水来水取水量209 m3/h，占总取水量的19.32%，补入清水池的自来水量为153 m3/h。
1.2 循环水系统
循环冷却水系统设四台立式斜流循环泵，冷却塔采用管槽内、外区配水系统，一个竖井，管槽内外区压力配水，反射Ⅲ型喷溅装置。夏季运行工况，一台机开两台泵，全塔配水；
春秋季运行工况为两台机3台泵，全塔配水。水平衡试验期间，#2机存在故障，最高负荷240 MW，一台循泵运行；
#1机最高负荷320 MW，在负荷较高时两台循泵运行。
1.3 脱硫系统
脱硫系统采用石灰石——石膏湿法烟气脱硫技术，采用一炉一塔设计。脱硫系统用水主要为工艺水和工业水，工艺水箱补水为工业废水，工艺水主要用于脱硫系统各设备冲洗及吸收塔补水；
工业水来自厂区工业水管网，主要用于脱硫系统真空泵、氧化风机、浆液循环泵等设备冷却，冷却后的工业水收集回用至吸收塔。脱硫系统设单独的脱硫废水处理系统，废水经处理后排放至高盐井。
图2 循环水系统水量分配图
图3 脱硫系统水量分配图
按照国家对污水再生利用工程建设的相关规定，结合当前国内外水处理技术的发展趋势及技术应用现状，本项全厂废水“零排放”改造工程可行性研究项目中工艺方案的选择遵循下述原则：
(1)贯彻落实国家及地方的有关法律法规、规范和标准要求;
(2)优化工艺方案设计，节约能耗，降低工程基建投资和运行费用;
(3)在采用成熟、可靠工艺设备的基础上，积极稳妥地利用新技术、新工艺，在确保处理后水质满足用水系统要求的基础上，努力保证技术的先进性;
(4)在设备选择上要提高质量把关，重点关注相应的一站式服务准则。
2.1 蒸发浓缩处理技术
常见的有蒸发系统(MED)、立管降(升)膜机械蒸汽压缩蒸发系统(立管 MVC、MVR)、卧式喷淋机械蒸汽压缩蒸发系统(卧式 MVC)等。多效蒸发是将一个蒸发器蒸发出来的蒸汽引入下一蒸发器，利用其凝结放出的热加热蒸发器中的水，两个或两个以上串联以充分利用热能的蒸发系统。多效蒸发时，将生蒸汽通入一效蒸发器，溶液受热而产生二次蒸汽，其压力与温度较生蒸汽为低，二次蒸汽仍可作为加热蒸汽，引入后效蒸发器。
2.2 电渗析工艺技术
这种工艺的核心是在强直流作用电场的效果下，采用化学中的离子交换装置，这种离子的通过作用具有一定的选择性，核心是膜分离技术，是世界上某些地区生产淡水的主要方法。
图4 电渗析工作原理图
2.3 烟道雾化蒸发技术
这种蒸发技术的核心是在锅炉尾部的烟道内完成的整个过程，废水处理过程之中的余热可以把水变为蒸汽状态，另一种方式可以利用干燥装置同样将其变为气态。研究表明，在整个处理过程之中，废水的主要存在形式是蒸汽状态，蒸馏水的产生是冷凝过程的产物，作为循环介质存在整个过程中。另一方面，可溶解的盐类物质会以晶体形式析出，合成的产物将在除尘装置之中被捕获。
2.4 蒸汽机械再压缩蒸发结晶技术
机械蒸汽再压缩蒸发结晶(MVR)系统在高盐浓度和结晶处理废水，更普遍的应用机械蒸汽再压缩降膜式蒸发结晶系统，由两个单元组成，蒸发器和模具。废水先经过机械蒸汽再压缩的浓缩蒸发器(BC)，后蒸发器浓缩。浓缩的盐水MVR强制循环进一步浓缩结晶，结晶器系统高含量的盐结晶水变成固体，水重用，固体盐出站重用离心分离后，干燥。
图5 末端废水烟道蒸发处理技术工艺技术图
图6 蒸汽机械再压缩技术原理图
本工程目前处于工程的可行性研究阶段，建议将全厂废水“零排放”改造工程分为全厂水务管理及梯级利用、废水软化及浓缩减量处理、末端废水处理三个层次进行改造。
3.1 改造依据及测算过程
(1)水平衡：用水包括冷却渣渣船系统带走水蒸发的水渣。一般来说，汽车运输的条件下，水渣含量为30%，渣总重量的30%矿渣可以带走。测试后，在挖泥船零溢流系统，1 t热渣冷却用水量气化过程中约为0.25 t，也就是1 t/h渣对应用水量为0.55 t/h。维持放电系统的水平衡，可以参考渣用水每t0.55 t/h补水，以确保正常的挖泥船不会溢出。
(2)热平衡：系统实现零溢出后，渣系统进入刮渣机可以保持热平衡热量由三部分组成水的热量蒸发，净补给水吸收热量温度上升，带走热量的热交换器。根据需要，吹渣池水温应低于一定温度。
(3)水热过程平衡计算：渣滓的初始温度为t′=850 ℃，换热器入口温度32 ℃，出口温度48 ℃，渣比热：CZ=0.97 kJ/(kg·℃)，水比热：CS=4.2 kJ/(kg·℃)，补给水温度32 ℃，最高水温60 ℃，100 ℃水的汽化热为2 258.4 kJ/kg。
(4)换热器带走的热量：1 t渣需要3 t封闭循环水换热器，3 t水温度从32 ℃上升到48 ℃时吸收的热量Qs=1 000×3×4.2×(48-32)=201 600 kJ。
3.2 全厂水务管理及梯级利用
改造要点是水平衡系统优化，通过级联用水，提高水的重复利用率。通过工厂废水综合治理、废水复苏，在确保安全的前提下操作的设备，大部分废水回收，有点难以重用脱盐处理的废水，工厂废水“零排放”。
(1)水的优化平衡，整个工厂以满足工厂废水“零排放”水平衡系统。
(2)电厂排水量最大的废水为循环水排污水，要实现全厂废水“零排放”，必须提高循环水浓缩倍率。针对电厂的实际情况，在提高循环水浓缩倍率的基础上，对循环水排污水进行脱盐处理后回用。
3.2.1 循环水加入新型药剂提高浓缩倍率
采用新型高效水稳剂，提高循环水浓缩倍率，使循环水排污水量与脱硫系统工艺用水量相匹配，最终仅处理脱硫废水，以实现全厂废水零排放。
图7 水量平衡图
3.2.2 维持正常浓缩倍率，加装脱盐装置
(1)脱硫废水预处理采用石灰-碳酸钠两级软化，去除废水中的硬度离子和硅酸盐，并降低硫酸盐的含量。
(2)将预处理后的脱硫废水与循环水排污水处理系统的反渗透浓排水混合，经过砂滤过滤后，进行纳滤处理，去除硬度离子和有机物，纳滤回收率设计为80%。
(3)纳滤产水进海水反渗透，反渗透设计为75%，脱盐率是98%，反渗透水冷却塔水、反渗透水和纳滤浓水混合蒸发结晶系统。
(4)上清液回反应池继续处理，泥渣作为脱硫吸附剂。
图8 加装脱盐装置改造方案
3.3 废水软化及浓缩减量处理
本部分着重从含煤废水、脱硫废水、高盐废水的改造工程方案进行研究。
3.3.1 含煤废水处理系统
煤水处理系统主要由煤泥水调节预沉池、排煤泥泵、加药装置、混合器、YZJ15一体化处理设备、中间水箱、中间水泵、过滤装置、清水池、清水泵、煤水提升泵、排污泵设备组成。各段煤泥水经过污水泵排到煤泥沉淀池后，由煤泥水泵提升到YZJ15 型一体化净水器，在煤泥水泵提升管路上装设有在线浊度仪可控制加药装置的变量计量泵调节加药量的大小，管道混合器使药剂和污水充分混合，提高煤水处理率，混合加药后的煤泥水进入YZJ15型一体化净水器，经过反应区、分离区、过滤区处理后清水排到清水池，煤泥排到煤场。清水池的清水由清水泵排到输煤水冲洗与煤场喷淋系统再利用。
3.3.2 脱硫废水处理系统
由于脱硫废水悬浮物含量高达42 400 mg/L，悬浮杂质含量过多。导致废水处理系统污泥量偏大，设备、管道、阀门等堵塞严重。通过在石膏脱水机上部增加废水旋流站，依靠离心力的作用实现浆液的浓缩和分级。将石膏旋流站上清液经过废水旋流站的二级旋流，使大部分悬浮杂质沉降，将上清液送入脱硫废水池。通过增设废水旋流站，避免脱硫废水处理系统设备堵塞现象，并提高系统的处理效果。
3.3.3 高盐废水处理系统
高含盐量废水浓缩处理系统来水包括两部分：一部分为循环水排污水处理系统的反渗透浓排水 30 m3/h，一部分为脱硫废水15 m3/h，水量合计45 m3/h。脱硫废水和反渗透浓排水含盐量、有机物均偏高，反渗透浓排水硬度离子含量较低，脱硫废水中硬度离子、硫酸盐含量偏高，这两股水按照水量比例进行混合后，混合水的硬度和有机物含量偏高，处理难度大。脱硫废水由于含有高浓度的钙镁离子及硫酸根、硅等结垢性离子，为了避免后续膜处理系统出现结垢堵塞，需要对脱硫废水先进行除硬除硅除浊处理。
图9 高盐废水处理系统流程图
3.4 末端废水处理
末端废水处理有MVR蒸发结晶和烟道雾化蒸发两种处理方案。根据高盐废水深度浓缩处理工艺的不同，末端废水量也有所不同(电渗析-反渗透方案末端废水量为7 m3/h，DTRO方案末端废水量为8 m3/h)，水量差别不大，因此末端废水处理系统的选型设计基本相同。
3.4.1 MVR蒸发结晶
蒸发系统：经过电渗析-反渗透系统或DTRO系统进一步浓缩后的末端废水量，MVR蒸发结晶系统的设计处理量为8 m3/h，进水浓度按12%，浓缩至排盐，排盐率按100%，总面积1 060 m2。设计采用二段MVR节能蒸发系统。
结晶系统：末端废水经过MVR蒸发系统蒸发处理产生的浓盐浆进入结晶系统，结晶系统的具体 流程为：
(1)水泵将浓盐浆送至结晶器。
(2)进水与循环浓盐浆混合，并由循环泵送至列管式加热器。由于换热管呈全充满状态，浓盐浆在此承受一定的压力，不会沸腾。这样可以防止管内结垢的产生。
(3)循环浓盐浆与结晶器闪蒸罐呈一定角度进入，随后盐浆在罐内旋转形成涡流。此时一小部分浓盐浆发生汽化。
(4)水从浓盐浆中蒸发，盐分就结晶析出晶体。
(5)绝大部分浓盐浆仍然循环回到加热器，一小部分浓盐浆被从循环管线上抽出，送至脱水设备进行脱水。
(6)蒸发产生的工艺蒸汽经除雾器后，取出夹带的颗粒及液滴。
(7)蒸汽经压缩后进入结晶器加热器用于加热浓盐浆，蒸汽则在壳程冷凝(也可采用工厂蒸汽进行加热)。
(8)蒸馏水为高品质水，经收集后回用。
3.4.2 烟道雾化蒸发
对于烟道雾化蒸发处理部分，改造内容较少，仅需要增加雾化喷射装置、空气压缩机、压缩空气罐、吹灰器以及输水输气管路等设备。由于雾化喷射装置、吹灰器安装在空预器入口前的烟道内，不需要在室内占用空间。设置2个压缩空气罐(尺寸为Φ1*3米，碳钢衬胶)，占地面积较小，可以室外布置。根据末端废水水量(约10 m3/h，考虑25%的余量)， 压缩空气消耗量约为40 Nm3/min，根据某电厂实际调研情况，需要新加一台空气压缩机(压缩空气量为40 Nm3/min)。
图10 末端废水烟道雾化喷射系统安装位置图
3.4.3 旁路烟道蒸发
高盐废水经过电渗析或 DTRO深度浓缩处理后产生的末端废水量约为6～7m3/h。每台机组设置2台旁路烟道蒸发器，单台旁路烟道蒸发器引接SCR出口高温烟气量约为24 000 Nm3/h。旁路烟道蒸发器桶体直径 2.2～2.50 m，长13.30 m，重8～10 t/台，材质为双相钢复合材质。整个旁路烟道呈“S”形，一端接SCR出口烟道，一端接除尘器入口前烟道。为了避免旁路烟道内出现积灰、结垢，旁路烟道与除尘器入口前烟道接口处应设计为钝角(>110°)。
旁路烟道蒸发系统主要包括废水输送系统、压缩空气系统、旁路烟道蒸发结晶器、自动清灰系统、控制系统及检修平台等。
本部分研究着重从零排放工程的环境效益以及社会效益两个方面进行阐述。
4.1 环境效益
全厂废水“零排放”工程全部实施运行后，发电水耗将由目前的2.42 m3/(MW·h)(水平衡报告数据)降低至1.75 m3/(MW·h)。改造后，可减少水源水取水量70.66万m3/年，节约取水费114.5万元/年(年运行时间按4 512 h计，取水费1.62元/m3计)。全厂废水“零排放”处理系统改造实施后，废水经过处理后能够满足回用要求，不再有废水外排并且能够节约水资源。因此全厂废水零排放处理系统的改造对减轻电厂的环保压力、改善当地的水环境质量有着重要作用，环境与社会效益显著。
对产生噪声较大的设备可设置消声器，对于其它运行中产生噪音可能超过国家现行标准的设备，均采取其它有效措施，将噪声降低至60dB(A)以下，满足《工业企业设计卫生标准》(GBZ1-2010)的规定。
在本项目改造实施后，系统中的转动设备(如泵、风机等)数量较少，能够满足国家规定的《工业企业设计卫生标准》(GBZ1-2010)的要求。
4.2 社会效益
燃煤电厂的废水中通常存在悬浮物、重金属等超标的问题，直接排放进入环境后会造成严重的污染。全厂废水零排放改造工程实施后，全厂的废水可以得到有效的处理，并进行回用，对当地环境质量的改善具有重要促进作用。
预计某电厂全厂废水零排放改造工程实施后，2×320 MW组发电水耗将由目前的2.42 m3/(MW·h)降低至1.75 m3/(MW·h)。DTRO-旁路烟道蒸发方案年运行总成本为1 868万元，增加上网电费为6.95元/MWh；
本工程目前处于工程的可行性研究阶段，建议将本全厂废水“零排放”改造工程分为全厂水务管理及梯级利用、废水软化及浓缩减量处理、末端废水处理三个层次进行改造，改造费用分别为2 725万元、4 746万元和1 870万元(静态投资，不包括基本预备费和其他费用)。