大型热电站锅炉中低含盐量补给水处理方案选择

游晓宏

（江苏省电力设计院，江苏南京211100）

对存在外供热、供水等要求的火电厂，锅炉补给水处理系统规模往往较为庞大，在整个电厂建设的投资比例提高，因此，选择一个技术经济合理的水处理方案颇受投资、设计、运行方关注。

为大幅减少酸碱费用、保证运行的经济性，对于含盐量高于500 mg/L水源，大型水处理应用投资较高的反渗透（RO）处理技术[1]在业内已达成共识。但对于200 mg/L左右的中低含盐量水源，水处理是采用全离子交换还是RO处理方案，常常意见相左，甚至争议较大。此外，RO后级系统又有全离子交换、两级RO＋混床、两级RO＋电除盐（EDI）等诸多可选子方案，各子方案的技术经济性差别较大，常常也是问题讨论的焦点。文中结合具体工程设计实践，在深化方案设计和全面分析技术特性、一次性投资及酸碱药品消耗、电耗、人工成本等运行费用的基础上，力图优化选择中低含盐量水源的大型电站补给水处理方案。

1 锅炉补给水处理方案

某供热电厂建设2×600MW超临界直流炉燃煤发电供热机组，热负荷600 t/h，考虑水汽循环等损失，设计锅炉补给水处理系统出力695 t/h，锅炉补给水采用经混凝澄清处理、含盐量约185 mg/L的长江水，污染较轻，水源是典型的中低含盐量水。

常规设计锅炉补给水处理考虑采用活性碳过滤+一级离子交换除盐+混床处理方案（简称方案一），其工艺流程及主要设备参数如图1所示。

图1 方案一工艺流程及主要设备参数

RO预脱盐处理具有大幅降低再生频度、减少再生酸碱应用和废水排放量、显著提高运行操作自动化水平及提高和稳定出水品质等突出优点[2]，因此可考虑RO处理方案。但对于大型系统，RO脱盐前预处理系统如采用传统的高效过滤+活性炭过滤，设备数量多，系统庞大复杂，占地面积大。如采用高度集成化的超滤（UF）膜组件，不仅出水水质高，且大大简化系统，大幅减少布置占地[3]。因此，RO预脱盐处理前宜采用UF处理。综上所述，锅炉补给水处理可考虑UF+RO+一级离子交换除盐+混床处理方案（方案二）。

出于节能考虑，常规RO水处理装置在设计使用条件下，RO本体初始运行最大进水压力宜小于1.5 MPa[4]，但对大型水处理系统，如能进一步降低RO运行操作压力，可取得非常显著的节能效果。事实上，对99.7%高脱盐率低压复合膜RO后的全离子交换系统，即使应用在原水含盐量高达到700 mg/L场所，运行周期也较长，一般超过2个月才再生一次，为避免树脂压实结块，常常中途强制再生。针对水源含盐量中偏低水质特点，设计采用99%的稍低脱盐率极低压复合膜，虽然膜的投资因此约增加12%，但运行压力可由常规的0.9～1.2 MPa降至0.45～0.6 MPa，其应用既保证后级除盐系统合理运行周期，又大大节约能耗。方案二的工艺流程及主要设备参数如图2所示。

图2 方案二工艺流程及主要设备参数

为简化系统，进一步提高运行操作的自动化水平，混床前一级离子交换除盐系统可用二级RO代替，形成UF+一级、二级RO+混床处理方案（简称方案三），其工艺流程及主要设备参数如图3所示。

图3 方案三工艺流程及主要设备参数

床型离子交换处理具有运行中断、使用酸碱和排放废液的缺点，近年来，EDI处理成为水处理应用新技术。以EDI工艺应用为核心的UF+RO+EDI全膜处理技术具有运行自动连续、产水品质高、安装运行维护简便等优点，由于设备均为紧凑模块化装置，系统布置占地面积和空间体积小，特别是EDI技术以电再生方法来生产高纯水，避免了酸碱使用和废液排放，为一种新型的清洁生产工艺，具有显著的环境效益[5]。因此，可考虑UF+一级RO+二级RO+电EDI处理方案（简称方案四），其工艺流程及主要设备参数如图4所示。

图4 方案四工艺流程及主要设备参数

2 方案技术经济比较

2.1 技术性比较

4种方案的技术性比较如表1所示。

综合各项技术性能，特别是考虑系统复杂程度、酸碱消耗、自动化程度、环境效益、安全保障等性能，方案的技术性评价由高到低依次为：方案二＞方案三＞方案四＞方案一。

2.2 经济性比较

根据方案设计，计算4种方案各项投资和运行费用，具体详如表2所示。

表1 4种方案技术性比较

表2 4种方案经济性比较数据万元

由表2可看出，在原水含盐量约200 mg/L时，各方案投资费用：方案四＞＞方案三～方案二＞＞方案一；各方案运行费用：方案四＞＞方案三＞方案二～方案一。

考虑资金的时间价值，根据各方案年费用大小，185 mg/L含盐量水平下，各方案的经济性评价由高到低依次为：方案一＞方案二＞方案三＞＞方案四。

3 原水含盐量对方案经济性影响的定量分析

在上述方案经济性定量分析基础上，可建立各费用与含盐量关系的数学关系式，进而解决原水含盐量对方案经济性影响的问题。

在一定含盐量范围内，原水含盐量对各方案的经济性影响主要体现在：原水含盐量越高，方案一的酸碱费因此上升，树脂一次性投资和年树脂更换费用有所上升；原水含盐量越高，渗透压上升，RO运行电耗上升，但RO运行压力主要取决于膜元件本身的动力压力和水力损失，一定含盐量范围内，水的渗透压仅是运行压力中很微小的一部分，故方案二、三、四的一级RO由于进水含盐量升高所引起的运行电耗上升忽略不计；当含盐量高于350 mg/L时，为保证后级系统运行，膜的选择由极低压复合膜改为低压复合膜，膜的投资下降。

根据上述分析，以表2经济比选数据为基准值，拟定原水含盐量C对系统一次性投资I和静态运行费用Z关系式分别如下：

式中：I为某含盐量水平下的静态一次性投资，万元；I0为基准含盐量水平下的静态一次性投资，万元；IR0为基准树脂投资，万元；C为原水含盐量，mg/L；C0为基准含盐量，mg/L；k为除树脂投资外，与含盐量相关投资倍增指数，方案一取0.2，其他方案取0；IM为因含盐量变化导致膜型选择而引起的投资调整量，万元。

式中：Z为某含盐量水平下的静态运行费，万元/年；ZM为基准含盐量水平下的除再生酸碱费、废水处理排放费、维修费以外的静态运行费，万元/年；ZAC为基准含盐量水平下的再生酸碱费，万元/年；ZWW为基准含盐量水平下的废水处理排放费，万元/年；I为某含盐量水平下固定资产的静态一次性投资，万元；η1为膜、树脂等设备性材料一次性投资占总静态一次性投资比率，方案一取8%，方案二取25%，方案三取40%，方案四取60%；η2为固定设备年维修费率，取2.5%。

由式（1，2）计算出各原水含盐量水平下的静态一次性投资以及运行费用，结果如表3、表4所示。

表3 各含盐量水平下4种方案的静态一次性投资

表4 各含盐量水平下4种方案的静态运行费用

由于考虑了一次性投资资金占用的时间价值，采用动态年费用法可准确反映评价各含盐量水平下的各方案经济性。综合表3、表4的静态一次性投资和运行费用经济数据，以40年为方案寿命期，以10%为社会基准收益率，4种方案动态费用见表5。

表5 各含盐量水平下各方案的动态年费用

根据表5可知，一定含盐量范围内，随着含盐量上升，方案一的经济性显著下降，而方案二、三、四经济性几乎不变。当原水含盐量上升至约270 mg/L时，对大型水处理系统而言，方案二的经济性开始高于方案一，且经济性最好。

4 结束语

综合上述技术经济分析，对以中低含盐量水为水源的大型锅炉补给水处理系统，宜推荐技术性能优、投资和运行费用适中的UF+极低压RO+一级除盐+混床处理方案；当原水含盐量超过270 mg/L时，应选择不仅技术性能优，且经济性能亦优的UF超滤+RO+一级除盐+混床处理方案。

[1] 冯逸仙，杨世纯.反渗透水处理工程[M].北京：中国电力出版社，2000.

[2] DL 5000—2000，火力发电厂设计技术规程[S].

[3] 邵钢.膜法水处理技术[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[4] DL/T951—2005，火电厂反渗透水处理装置验收导则[S].

[5] 时钧，袁权，高从楷.膜技术手册[M].北京：化学工业出版社，2001.