电厂除盐水系统设计优化分析

谢　峰，杨　程

(1.江苏利港电力有限公司，江苏江阴214444；2.陶氏化学(中国)投资有限公司水处理及过程解决方案业务部，上海201203)



电厂除盐水系统设计优化分析

谢峰1，杨程2

(1.江苏利港电力有限公司，江苏江阴214444；2.陶氏化学(中国)投资有限公司水处理及过程解决方案业务部，上海201203)

摘要：目前电厂除盐水制水系统的设计都以反渗透系统作为核心进行设计，而反渗透的产水精制则以电除盐为核心的全膜法和以离子交换树脂为核心的两种方案并存，对各种技术路线进行经济技术比较对于电力企业的除盐水系统的设计与运行具有重要意义。以长江水作为水源的某电厂为例，从业主的实际运行角度对目前常见制水设计方案的运行成本进行对比核算和优化分析。成本分析显示，电费和蒸汽消耗在全膜法运行成本中占据较高比例，同时废水处理成本亦在一级反渗透-树脂法中占比较高。两种方案经过设计优化之后其运行成本均得到有效降低，而全膜法的产水水质和单位制水成本为最优。

关键词：全膜法；低压反渗透膜；制水成本；节能；优化设计

0引言

近年来，随着膜法处理技术的日趋成熟完善，反渗透膜已经广泛应用于水处理和物料分离领域。尤其是在电厂的除盐水系统中，反渗透膜元件的应用比例不断提高，出现了以二级反渗透-电除盐为代表的全膜法工艺[1-3]和以多级/单级反渗透-离子交换树脂为代表的一级反渗透-离子交换树脂法工艺[4-5]。近二十年来的运行案例表明，无论是全膜法还是一级反渗透-离子交换树脂法，其系统出水水质均可以保证锅炉补给水的要求。本文以长江水为水源，探讨以反渗透膜为核心的除盐工艺下，不同技术流程的设计优化方案与运行成本核算，实现除盐系统性价比的最优。

1传统制水方案工艺方案对比

1.1工艺设计简介

某电厂的锅炉补给水系统以长江水为水源，该电厂取水口的长江水水质如表1所示。

表1　某电厂取水口处长江水水质分析

某电厂三期锅炉补给水制水系统采用全膜法方案(方案1)，其设计规模为228 m3/h，工艺流程为地表水→平流斜板沉淀池→加热器→超滤→一级反渗透→二级反渗透→电除盐。在设计之初，该工艺路线就已经考虑到了用水效率的最大化，其二级反渗透浓水和EDI浓水都被回收到超滤水箱，超滤反洗水回收到预处理沉淀池，以便增加整个系统的回收率。该厂的运行经验亦表明，在当前长江水源逐步恶化的情况下，砂滤池的应用对降低一级反渗透系统的膜污染起着举足轻重的作用，因此该电厂三期锅炉补给水系统的水平衡图如图1所示。

图1　全膜法(方案1)设计水平衡图

该电厂的四期锅炉补给水制水系统采用反渗透-离子交换树脂工艺 (方案2)。系统设计规模为400 m3/h，其工艺流程为地表水→平流斜板沉淀池→V型滤池→加热器→超滤→一级反渗透→一级除盐→混床。超滤反洗水回收至预处理沉淀池以提高系统回收率。图2给出了方案2的水平衡图，为了便于与全膜法进行比较，其设计规模被调整为228 m3/h。

图2　一级反渗透-离子交换树脂法(方案2)设计水平衡图

1.2运行成本核算

在系统运行成本的核算中，药剂成本和膜元件的备件成本均引用于电厂实际采购单价，其他运行成本的估算基准如表2所示，而方案1与方案2的制水成本则总结于表3。由表3可知，无论是否考虑人力成本，方案1都具有一定优势，但如果不计算废水处理成本，方案2的一级反渗透-离子交换树脂法则更具有吸引力。需要指出的是，这里的废水处理仅仅指酸碱的再生废水经处理后达标排放，如果按照废水零排放的标准，方案2的成本将会更加高昂。

表2　除盐水系统运行成本估算基准

表3　方案1与方案2制水成本明细表 (单位：元/吨)

1.3运行成本构成分析

图3和图4分别总结了上述两套传统工艺方案运行成本的成本构成。在方案1中，电费、蒸汽加热费用、维护费用和人力成本占据较高比例，因而提高系统自动化程度，节能降耗是该工艺未来的发展方向。而方案2除方案1的问题之外，树脂再生废水的处理成本也在总成本中占据较高比例。

图3　全膜法(方案1)的成本构成

图4　一级反渗透-离子交换树脂法(方案2)的成本构成

2制水系统优化方案及成本核算

2.1优化方案介绍

根据成本构成分析，进一步对方案1和方案2进行优化。经过优化后的方案1命名为方案3，二级反渗透回收率从原设计的85%提高到90%，EDI回收率从原设计90%提高到95%，由此降低预处理水量及相关加药量。将加热器从超滤前移到超滤产水以节省辅助蒸汽使用量。需要说明的是，为了最大限度的降低加热费用，一级反渗透的设计水温调整为5 °C，同时通过降低单位膜面积的通量来保证低温下反渗透的出力，而加热系统只是为了保证在难得一遇的严寒时才进行加热(只有水温低于5 °C时，方启动加热器)。

对于方案2，其改进方案4同样将加热器调整到超滤产水侧。但值得指出的是，方案2所采用一级反渗透+一级除盐+混床的工艺对反渗透提出了较高的要求。如果将一级反渗透更换为低能耗反渗透膜，其产水水质反而会在较大程度上影响后续一级除盐树脂的再生周期，从而进一步推高运行维护和再生废液处理费用。因此方案4仍然采用高脱盐率反渗透膜用于一级反渗透系统，并维持原有的加热量以保证系统出力。

2.2优化方案的经济性评价

改进后方案3与方案4的制水成本明细总结于表4。由表可知，与反渗透-离子交换树脂工艺相比，尽管全膜法的基建和维护费用略高，但是在废水处理、药剂消耗以及辅气加热费用上优势明显，总吨制水成本比方案4低1元左右。如果横向比较，则可以发现方案1经过优化后，吨水成本下降0.874元。按系统出力228 m3/h计算，年运行费用节约可达159万元。

表4　方案3与方案4制水成本明细表 (单位：元/吨)

3优化方案技术分析

方案1和方案3的技术参数详见表5。由于方案3更换低压反渗透膜之后能够在低温下运行，其年加热水量按照年加热时间400小时计算，为最保守估计。二级反渗透系统由陶氏化学反渗透模拟软件ROSA 9.0估算[6]。由于方案3中二级反渗透和EDI的回收率得到提升，系统的用水效率得到优化，因而反渗透的进水流量都有所降低。同时，由于方案3应用了低压反渗透膜，其一级和二级反渗透的产水水质较方案1略差。

表5　方案1与方案3技术参数对比

3.1水温

对于反渗透膜而言，进水温度增加在提高产水量的同时，也降低了产水水质。反之，低温下的反渗透系统往往出力降低，水量不够。在以往的反渗透设计中，一般会在超滤前设置辅汽加热，以保证反渗透的运行水温(20 °C)。然而，辅汽的费用一般较高，以常规设计为例，辅助蒸汽一项的吨水成本约为0.747元，对于出力为228 m3/h的系统的年蒸汽费用即为136万元。一个可行的解决方案是在低温情况下设计膜系统，保证足够的膜面积和系统出力。如果采用常规反渗透膜，增加膜面积则意味着更多的膜数量，因而需要增加基建成本，并增加制水成本折旧比例。张首君[7]等认为常规反渗透膜的经济膜通量是19.9 LMH。反渗透系统在该通量下可确保在水温高于5 °C时不需加热，而此时一、二级反渗透增压泵压力高达2 MPa和1.6 MPa,虽然节省了蒸汽的消耗，却增加了四分之一的设备基建费用和三分之一的电费。而在本文中，全膜法工艺采用了低压膜设计，不仅大幅度降低了辅助蒸汽的消耗，同时维持基建成本与运行电费与原工艺持平。

3.2能耗

在全膜法的运行成本核算中，电费占据了相当大的比重，而其中反渗透增压泵又占总电费的72%。因此采用低压反渗透膜，降低反渗透进水压力是降低电耗的最有力手段。在方案3中，一级反渗透采用陶氏FILMTECTMXFRLE-400/34i膜元件，二级反渗透采用陶氏FILMTECTMHRLE-440i膜元件，一级反渗透能耗从0.69 kWh/m3下降至0.38 kWh/m3，二级反渗透能耗从0.92 kWh/m3下降至0.25 kWh/m3。与常规反渗透相比，低压反渗透膜最大的缺点是脱盐率不够高，但一方面二级反渗透系统最主要的功能在于除硅，另一方面更换低压膜之后其产水水质对后续EDI的影响依然较小。在表3中方案3的二级反渗透产水TDS为0.36 mg/L，虽比方案1多44%，但完全满足目前EDI进水的水质要求。

3.3排列比

传统反渗透设计一般认为，提高回收率需要增加系统级内段数，而85%回收率的反渗透系统则一般设计为3段。事实上，对于二级反渗透系统，由于一级反渗透产水水质较好，完全可以采用二段式设计并进一步提高回收率，由此节约段内的压力损失。表6对不同的排列比和回收率进行了优化。需要说明的是，反渗透系统由于温度、反渗透膜污染、保安过滤器污堵、进出水水箱液位波动等影响，水泵的选择无法完全符合管道曲线。从节能角度考虑，反渗透系统高压泵应设置变频器，表6中方案b与方案a仅仅只是对原水泵进行变频，吨水能耗就从0.8 kWh/m3下降到0.57 kWh/m3，其原因即为过高的进水压力导致所选水泵效率降低。

表6　二级反渗透采用低压膜的详细设计参数对比

3.4低压膜产水水质

方案3的EDI工作参数和离子交换床的再生周期如表7所示，其中EDI由E-CALC MK-3 V3模拟计算得出。出于保守估算的原则，假定反渗透膜更换周期为5年，第5年一级反渗透脱盐率96%，二级反渗透脱盐率98%。从表7可知，二级反渗透更换低压膜后，EDI出水水质完全可以保证，只需把模块的额定电流略调高即可。方案4与方案2对比，除盐工艺没有变化，出水水质一致。

表7　方案1和方案3中EDI的工作参数

4结论

(1)依据电厂的实际运行情况，将全膜法与一级反渗透-离子交换工艺进行了运行成本核算和成本构成分析，结果显示电费、加热蒸汽、维护和人力成本构成了运行成本的主要部分。当计入树脂再生废水处理费用后，全膜法具有成本上的优势。

(2)通过一系列措施对这两种传统方案分别进行优化改进，包括优化加热位置，更换低压反渗透膜，以及对反渗透高压泵增加变频器等，成本分析表明优化后的全膜法可降低20%的制水成本，并且显著优于改进的一级反渗透-离子交换工艺。

(3)在目前工业废水零排放的环境压力和政策导向下，全膜法因其较少的废水排放，具备最优的环境相容性，因而前景广阔。

参考文献:

[1]李桂兰，陈海霞，张守德，等. 全膜法水处理技术制备火力发电厂锅炉补给水的应用[J]. 工业水处理，2013，33 (3): 81-84.

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[7]张首军，张叶来，孙正华，等. 反渗透经济膜通量的选择分析[J]. 给水排水， 2015，44 (2): 55-58.

The Optimization Study of Power Plant Demineralization System

XIE Feng1, YANG Cheng2(1. Jiansu Ligang Power Co. Ltd., Jiangyin 214444, China; 2. DOW Chemical (China) Investment Co. Ltd. Water & Process Solutions, Shanghai 201203, China)

Abstract：It is widely accepted that the key of designing demineralization system in a power plant is the reverse osmosis (RO) system. However, there are still two main technologies for the RO permeate water refinement, electrodialysis and ion exchange resin. The comparison analysis of the two technical routes is meaningful for the design and operation of the power plant demineralization system. This paper discusses the operation cost and poses a further optimization proposal for each technical scheme from the perspective of plant-end users, taking a power plant with Yangtze River the water resource as an instance. The cost analysis demonstrates that the power and vapour consumption dominates the two pass RO-electrodialysis (EDI) process operation cost, and the cost of wastewater treatment also occupies significant portion in one pass RO-ion exchange resin process. The operation costs of the two scheme are significantly decreased after optimization, and two pass RO-EDI process balances the water quality and operation cost best.

Keywords：two pass RO-EDI proecss；low energy RO；operation cost；energy saving；optimization design

中图分类号:TM621.8

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.014

作者简介：谢峰 (1975-)，男，工程师，主要从事电厂化学设备管理工作，Email: xief@jlepc.com.cn。

收稿日期：2016-01-14。