1 研究背景
火電廠作為用水、排水大戶，用水占工業(yè)總量的 20%，實(shí)現(xiàn)火電廠廢水“零排放”或“近零排放”意義重大，尤其在嚴(yán)重缺水的地區(qū)。廢水零排放可以提高火電廠用水的復(fù)用率，節(jié)約發(fā)電用水，降低環(huán)境污染，是“保護(hù)生態(tài)環(huán)境就是保護(hù)生產(chǎn)力，改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力”的有力執(zhí)行。2015 年國務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動計(jì)劃》也明確對電廠廢水提出零排放的要求，電廠傳統(tǒng)廢水可通過傳統(tǒng)成熟的工藝輕易實(shí)施各種層次的梯級應(yīng)用，但是脫硫廢水由于鹽濃度高、成分復(fù)雜、腐蝕性強(qiáng)，如何對其實(shí)施有效的資源化處理成為制約火電廠廢水零排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放的需求越來越迫切，各種零排工藝技術(shù)也孕育而生。
目前市場上零排的主流工藝還是以長流程的“預(yù)處理模塊+濃縮模塊+結(jié)晶模塊”為主，同時(shí)也有短流程的“預(yù)處理+煙道蒸發(fā)或旁路旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)”工藝。“預(yù)處理+煙道蒸發(fā)或旁路旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)”工藝雖然流程短，但會不同程度地影響發(fā)電機(jī)組的效率和增加后續(xù)煙氣處理的負(fù)擔(dān)。比如煙道蒸發(fā)受鍋爐負(fù)荷影響明顯，容易蒸發(fā)不徹底，造成煙道結(jié)垢、堵塞影響機(jī)組安全，存在煙道腐蝕和積灰等現(xiàn)象;旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)要求發(fā)電鍋爐機(jī)組負(fù)荷在 60%以上，造成煙氣的水分增加，影響電袋除塵器、飛灰成分，降低鍋爐效率，使供電煤耗增加;短流程零排工藝需要對煙道進(jìn)行改造�！邦A(yù)處理模塊+濃縮模塊+結(jié)晶模塊”工藝雖然流程長，在濃縮模塊和結(jié)晶模塊需要預(yù)防結(jié)垢問題，但基本不會對發(fā)電機(jī)組造成影響及進(jìn)行煙道改造，是獨(dú)立于發(fā)電機(jī)組的處理工藝，不會影響發(fā)電效率和煙氣處理等工藝。采用哪種零排工藝，不能一概而論，需要根據(jù)不同電廠自身的特點(diǎn)和脫硫廢水的水質(zhì)進(jìn)行可行性驗(yàn)證來選擇合適的脫硫廢水零排工藝。但是不論采用哪種工藝，在蒸發(fā)固化之前都可以對脫硫廢水進(jìn)行濃縮減量，從而通過減少結(jié)晶和霧化量來降低蒸發(fā)設(shè)備的投資和運(yùn)行成本。
目前市場上出現(xiàn)的濃縮減量工藝有反滲透、高壓反滲透(碟盤式和卷式)、電滲析、多效蒸發(fā)、正滲透、機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)等，不同濃縮工藝都有各自的濃縮極限和優(yōu)缺點(diǎn)，具體見表1。表1中TDS(Total Dissolved Solids)表示總?cè)芙夤腆w。
還有一種濃縮工藝就是膜蒸餾，在大多數(shù)文章中報(bào)道了膜蒸餾技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如由于膜是超疏水材料，所以不易被污染;操作壓力低、預(yù)處理簡單;脫鹽率高，產(chǎn)水品質(zhì)高，可直接回用;濃縮極限濃度可至飽和態(tài)等。同時(shí)也指出膜蒸餾存在的問題，比如能量利用率低、膜通量小和膜污染與膜潤濕等問題，對膜蒸餾工程化應(yīng)用的報(bào)道也極少。本文將對已經(jīng)工程化的膜蒸餾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和在脫硫廢水零排工藝中的合理性應(yīng)用做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
2 膜蒸餾技術(shù)
膜蒸餾技術(shù)是 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的分離技術(shù)，采用疏水微孔膜把液態(tài)和氣態(tài)兩相隔離開，以膜兩側(cè)由溫度引起的飽和蒸汽壓力差作為傳質(zhì)驅(qū)動力，只要膜兩側(cè)有溫度差，此分離過程就可持續(xù)進(jìn)行。膜蒸餾技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(見表 2)，所以一直受到廣泛關(guān)注。常見的膜蒸餾過程有直接接觸式膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾、減壓膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾等，膜組件類型有板式、中空纖維式、管式及卷式。但目前市場上已經(jīng)通過大量中試并已成功工業(yè)化應(yīng)用的膜蒸餾技術(shù)是板式真空多效膜蒸餾技術(shù)。
3 膜蒸餾技術(shù)的工程化
目前市場上出現(xiàn)的膜蒸餾工藝中使用的膜組件有中空纖維式、卷式和板式，加拿大 KMX 的中空纖維式膜蒸餾工藝和德國 Solarspring 的卷式膜蒸餾工藝在國外有少量應(yīng)用報(bào)道，但都處于中試階段;板式膜蒸餾工藝近期在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)廢酸、氯化銨廢液、酸洗廢水資源化、含鹽廢水零排等，取得了顯著效果。板式膜蒸餾模塊以多片聚丙烯框架為主體，內(nèi)嵌聚四氟乙烯(PTFE)微孔疏水膜和聚丙烯(PP)冷凝片形成單個(gè)模塊，單個(gè)模塊通過并聯(lián)提高處理量;通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多效模式來提高回收率和熱循環(huán)效率，如圖 1 所示，第 1 效濃鹽水在被外部熱源加熱到 80 ℃左右之后在 PTFE 膜片表面蒸發(fā)，蒸發(fā)的蒸汽透過疏水膜進(jìn)入產(chǎn)水通道，在 PP 冷凝片表面被來自第 1 效因蒸發(fā)而降溫的濃鹽水冷凝形成蒸餾水;吸收蒸汽潛熱的濃鹽水同時(shí)在第 2效膜表面繼續(xù)蒸發(fā)，以此類推，最后 1 效蒸發(fā)的蒸汽被外部冷卻水冷凝，蒸餾水通過內(nèi)流道匯集流出。模塊不論并聯(lián)還是串聯(lián)都是通過無管道連接實(shí)現(xiàn)，因而降低了熱損失。板式真空膜蒸餾流程如圖1所示。
板式真空膜蒸餾主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：
(1)負(fù)壓操作，安全性更高，無泄漏風(fēng)險(xiǎn);
(2)多效，熱循環(huán)，模塊化，內(nèi)流道設(shè)計(jì)，模塊之間無管道連接提高熱利用效率，造水比最高可達(dá)6~8;
(3)液體過流部件全部采用耐腐蝕的非金屬材質(zhì)(PP，PTFE)，耐酸、耐堿、耐鹽腐蝕、耐氧化;
(4)潤濕液回流設(shè)計(jì)降低因膜潤濕引起的膜清洗恢復(fù)頻率;
(5)在線清潔和干燥(CIP & DIP)設(shè)計(jì)可以在線恢復(fù)污染或潤濕的膜;
(6)此設(shè)備為撬裝設(shè)計(jì)，基本不需要配套土建，可節(jié)省空間和大量土建費(fèi)用。
板式真空膜蒸餾在含鹽含鉻廢水零排領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用如圖2所示。
此應(yīng)用是目前為止世界上處理量最大的膜蒸餾零排應(yīng)用，膜蒸餾處理量為 288 t/d，可提升至 420t/d;進(jìn)水一次過膜濃縮達(dá) 50% 回收率，產(chǎn)水電導(dǎo)率為 100~150 µS/cm，可直接回用 ，噸水電耗為 4. 8kW·h，濃縮液進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶工藝段。
每噸產(chǎn)水所需要的外部熱量消耗折合成蒸汽用量為 0. 20~0. 23 t，相當(dāng)于五效金屬蒸發(fā)設(shè)備的噸水耗汽量，但電耗要比五效金屬蒸發(fā)設(shè)備低一半以上。
4 膜蒸餾技術(shù)在脫硫廢水零排處理工藝中的合理化應(yīng)用分析
燃煤火電廠脫硫廢水由于成分復(fù)雜、含氯根高、pH值較低，對管道和設(shè)備有腐蝕性等特點(diǎn)，其零排處理一直是行業(yè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，電廠已建的三聯(lián)箱處理工藝已經(jīng)無法滿足要求，許多電廠都在進(jìn)行升級改造。公開報(bào)道的脫硫廢水零排工程主要有采用多效蒸發(fā)的廣東河源電廠(以下簡稱河源電廠)、采用機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)的佛山三水恒益火力發(fā)電廠(以下簡稱恒益火電)、采用正滲透為技術(shù)核心的浙江浙能長興發(fā)電有限公司，但在經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性上面臨不同程度的問題。
膜蒸餾作為一種新興技術(shù)，具有用于脫硫廢水濃縮減量的潛力：(1)燃煤電廠有大量余熱可用，比如煙氣回收的余熱、低壓乏汽等，都可以用來驅(qū)動膜蒸餾從而節(jié)省運(yùn)行成本;(2)膜蒸餾設(shè)備的耐腐蝕和耐氧化性強(qiáng)，可以讓設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行;(3)撬裝設(shè)備基本不需要土建。某發(fā)電集團(tuán)下屬公司采用板式膜蒸餾設(shè)備用于脫硫廢水濃縮減量的中試研究，結(jié)果表明脫硫廢水 TDS 可從 40 000 mg/L 濃縮至200 000 mg/L 以上，濃縮液的量少于原液量的 1/5，大大降低了蒸發(fā)固化工藝段的蒸發(fā)量，從而減少了蒸發(fā)固化設(shè)備的投資和運(yùn)行成本。膜蒸餾技術(shù)可以與現(xiàn)有濃縮和終端處理技術(shù)耦合集成使用，從經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性上完善和提高脫硫廢水零排工藝路線。
4. 1 含鹽量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 低于3%的脫硫廢水
含鹽量低于 3% 的脫硫廢水，在用膜蒸餾濃縮減量前可以用反滲透工藝進(jìn)行預(yù)濃縮，把鹽濃度提高至 5%~6%，這樣可以整體降低投資成本和運(yùn)行成本，零排處理方案如圖 3 所示，圖中 MVR 表示機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)。
經(jīng)過預(yù)處理的脫硫廢水先用反滲透提濃至 5%左右，反滲透產(chǎn)水回用，反滲透濃水進(jìn)入膜蒸餾提濃至 20% 以上，膜蒸餾產(chǎn)水回用，濃縮液進(jìn)入結(jié)晶或霧化工藝段進(jìn)行終端處理。
4. 2 含鹽量介于 3%～6%的脫硫廢水
含鹽量介于 3%～6%的脫硫廢水可采用高壓反滲透工藝進(jìn)行預(yù)濃縮，把鹽濃度提高至 8% 左右，然后再接膜蒸餾和終端蒸發(fā)工藝。處理方案如圖 4所示。
4. 3 含鹽量高于 6%的脫硫廢水
含鹽量高于 6% 的脫硫廢水可直接采用膜蒸餾進(jìn)行濃縮，提濃至 20% 以上，濃縮液進(jìn)入終端處理工藝段。處理方案如圖 5所示。
5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
在經(jīng)過膜蒸餾的濃縮減量之后，進(jìn)入結(jié)晶或噴霧干燥終端處理的濃縮液的量大大降低，那么終端處理設(shè)備的投資和運(yùn)行成本也會隨之降低。以某發(fā)電集團(tuán)下屬一燃煤電廠的 8 t/h 脫硫廢水為例，采用 綜 合 初 步 經(jīng) 濟(jì) 分 析 與 設(shè) 計(jì) 法(integratedPreliminary Economic Analysis and Design，iPEAD)[7]進(jìn)行初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。各工藝段計(jì)算所用參數(shù)見表 3，用于技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算的設(shè)備投資價(jià)格和運(yùn)行成本見表 4。由于缺乏針對脫硫廢水的耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備準(zhǔn)確的成套投資價(jià)格，所以本文根據(jù)耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備國內(nèi)外市場均價(jià)[8-9]及參考已建電廠以蒸發(fā)結(jié)晶為主工藝的脫硫廢水零排工程的設(shè)備投資(見表 5，表中：MED 為多效蒸發(fā);MVC為機(jī)械式蒸汽壓縮)來估算用于此經(jīng)濟(jì)分析中的耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備的投資價(jià)格，此價(jià)格僅供參考，實(shí)際價(jià)格可能會高于此估算價(jià)格。由于脫硫廢水初始含鹽量已達(dá) 6%，并且氯根含量高于 2%，所以采用不同的蒸發(fā)+結(jié)晶或噴霧干燥的零排工藝進(jìn)行對比，計(jì)算結(jié)果見表 6。
從計(jì)算結(jié)果可以看出，如果終端處理采用旋轉(zhuǎn)噴霧干燥，“預(yù)處理+膜蒸餾+噴霧干燥”的零排工藝比其他 3個(gè)工藝路線(“旋轉(zhuǎn)噴霧干燥”“預(yù)處理+4效蒸發(fā)+噴霧干燥”“預(yù)處理+MVR蒸發(fā)+噴霧干燥”)從設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本上有不同程度的降低，最少可節(jié)省 240 多萬元的投資成本和每年 90 多萬元的運(yùn)行成本;當(dāng)終端處理采用結(jié)晶器，“預(yù)處理+膜蒸餾+MVR 結(jié)晶器”的零排工藝與其他 2 個(gè)工藝路線(“預(yù)處理+4效蒸發(fā)+MVR結(jié)晶器”“預(yù)處理+MVR
蒸發(fā)+MVR 結(jié)晶器”)相比，設(shè)備投資成本至少節(jié)省230 多萬元，運(yùn)行成本 1 年至少可節(jié)省 90 多萬元。因此采用有膜蒸餾的工藝路線可以節(jié)省總成本，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。
雖然電滲析技術(shù)也可作為濃縮減量的手段，但其脫鹽率低，單級只有 45%~90%，產(chǎn)水 TDS高，需要疊加多級膜堆或與反滲透耦合才能提高脫鹽率和降低產(chǎn)水 TDS，設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本會隨脫鹽率的提高而線性增加，并且造成管路和安裝復(fù)雜，維護(hù)成本提高。據(jù)加拿大 Saltworks Technologies 公司報(bào)道，采用電滲析把 2% 含鹽廢水濃縮至 15%，并且產(chǎn)水 TDS 要低于 1 000 mg/L 的話，設(shè)備噸水造價(jià)達(dá)到 150萬元以上，高于膜蒸餾的噸水造價(jià)，并且產(chǎn)水 TDS 是膜蒸餾產(chǎn)水的 10 倍。近期有報(bào)道某電廠采用電滲析進(jìn)行濃縮減量中試，但目前無法得到詳細(xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，所以電滲析暫且沒有包括在此經(jīng)濟(jì)分析的濃縮技術(shù)工藝中。
6 結(jié)論
(1)從膜蒸餾的技術(shù)特點(diǎn)、膜蒸餾工藝在脫硫廢水濃縮減量的中試研究結(jié)果以及板式膜蒸餾工藝成功的工業(yè)化應(yīng)用看，膜蒸餾工藝完全適用于燃煤電廠脫硫廢水的零排工藝路線。
(2)以某發(fā)電集團(tuán)下屬一燃煤電廠的脫硫廢水為例，通過對多種零排工藝路線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可以看出，膜蒸餾技術(shù)參與脫硫廢水零排工藝路線可以為電廠節(jié)省可觀的投資與運(yùn)行成本，也符合節(jié)能減排大方向。
(3)由于脫硫廢水成分復(fù)雜，不同電廠的脫硫廢水成分和濃度都不同，所以膜蒸餾工藝在不同電廠脫硫廢水零排工藝中的合理化應(yīng)用還需要根據(jù)具體水質(zhì)具體分析，根據(jù)水質(zhì)和現(xiàn)場條件做相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使膜蒸餾工藝在脫硫廢水零排工藝中得到最優(yōu)化應(yīng)用。(來源:《華電技術(shù)》 作者:高永鋼，史志偉)
