火电厂反渗透浓水循环利用的试验研究

金 浩，葛啟仁，徐宏建

(1.田集发电厂，安徽 淮南 232098；2.上海电力学院，上海 200090)

近年来反渗透(以下简称RO)技术以其先进、可靠、环保的优势在电厂锅炉补给水处理领域广泛应用，在显著减少酸碱消耗和排放的同时，也带来了产水率下降问题。RO装置产出的浓、淡水比例约为1∶3，即RO装置每处理4 t原水，会产出1 t浓水和3 t淡水。RO浓水清澈透明，但含盐量很高，并含有一定量的阻垢剂，致使其使用范围受到限制，通常的处置方法是直接排放，或用作冲洗水后排放，两者都存在环境污染问题；有人建议用作冷却塔补水，但RO浓水的浓缩倍率在4以上，已接近多数电厂的控制上限，意义不大；还有建议作深度处理后回用，显然成本太高[1-3]。本文通过一系列试验研究和反复论证，提出一种RO浓水循环利用新工艺，用来解决火力发电行业普遍存在的反渗透浓水循环利用难题。

1 RO浓水循环利用相关试验研究

本文以用水量较大的脱硫系统为切入点，拟通过RO浓水对于脱硫效果的影响，对于石膏品质的影响以及对于系统设备的影响等试验来论证其用作脱硫工艺水的可行性。

2013年6月中旬从某电厂现场采取反渗透浓水及工业水的水样，其水质分析结果见表1。

表1 反渗透浓水及工业水水质分析报告

为考察不同掺混比例浓水对脱硫效果和系统金属设备的影响，下列试验采用表2所列6组不同配比水样作平行对比试验。

表2 不同配比水样电导率(31℃)

1.1 RO浓水对于脱硫效果的影响

本试验模拟工业烟气脱硫反应过程，主体设备为φ300 mm喷淋塔，模型总高2 000 mm， 内装四块旋流板(RST)和一块除雾板。由风机鼓入的空气与自钢瓶放出的SO2经缓冲罐混合后进入塔底部，与自上而下的脱硫浆液逆流接触，其中SO2大部分被浆液吸收，到塔顶经除雾后排出。在循环槽中，用潜水泵把浆液打入旋流板塔与混合气在旋流板塔脱硫试验装置内逆流接触后，从塔底排入循环槽再循环使用。

1.1.1不同掺混比例RO浓水对SO2喷淋吸收效率的影响

不同配比RO浓水对SO2喷淋吸收效率试验如图1所示。随着浓水与工业水掺混比例的提高，对脱硫效率略有抑制。初始喷淋时(吸收时间<20 min)，由于石灰石浆液浓度不高，活性组分CaCO3迅速被消耗，脱硫效率下降较快；反应后期(吸收60 min)，由于石灰石具有良好的pH缓冲效果，脱硫效率随喷淋的进行渐趋平缓。1∶5浓水的脱硫效果略高于1∶1浓水，当稀释比例进一步提高到1∶20时，脱硫效率与基准(工业水)比较，已无明显差异。

图1 不同配比RO浓水对SO2喷淋吸收效率试验

1.1.2不同掺混比例RO浓水对脱硫浆液pH变化的影响

不同配比RO浓水对脱硫浆液pH变化试验如图2所示。由图2可见，随着吸收的进行，循环浆液pH呈两个阶段的下降趋势。首先，初期反应(20 min以内)，pH下降较快；反应中后期(40 min以后)，pH趋于平缓。反渗透浓水掺混比例越高，pH下降也越快，不利于维持较高的脱硫效率。这是由于反渗透浓水中杂质离子(如铁、镁、铝、氯离子等)含量较高，尤其是氯离子的存在，会导致同离子效应，在石灰石表面形成“包裹”，从而间接导致浆液“失活”。当反渗透浓水掺混比例达到1∶10、1∶20时，其pH随时间的变化曲线与工业水(基准)基本重合，对应pH缓冲值较接近工业上实际控制pH参数范围。

图2 不同配比RO浓水对脱硫浆液pH变化试验

1.1.3循环浆液强制空气氧化试验研究

不同配比RO浓水浆液对强制空气氧化的影响如图3所示。

图3 不同配比RO浓水浆液对强制空气氧化的影响

由图3可见，经喷淋吸收的循环浆液，逐步浓缩至浓度15%(wt)，鼓入空气强制氧化，亚硫酸盐转化率在反应初期上升较快，60 min后转化率随氧化时间变化趋于缓和。反渗透浓水掺混比例提高不利于亚硫酸盐的氧化过程。对比试验表明，稀释倍率达到1∶10以上时，与工业水(基准)的亚硫酸盐转化率已非常接近。

1.2 反渗透浓水对石膏品质的影响

在脱硫塔吸收模拟的基础上，采用石膏结晶机理试验台开展反渗透浓水中的各杂质离子和有机物共存条件下，对石膏品质影响的试验研究，以评定反渗透浓水对石膏品质的影响。

利用该试验台，在不同掺混比例条件下通过喷淋吸收—氧化结晶制备了5种石膏样品，然后采用激光粒度分析仪对其平均粒度D50分别进行检测，结果汇总见表3。

表3 不同配比RO浓水制备的石膏平均粒度D50

通常认为，石膏晶体的平均粒度越大，石膏的脱水性能越好，脱硫石膏品质越高。由表3可见，随着反渗透浓水与工业水掺混比例提高，副产物石膏的平均粒度D50缩小；但当掺混比例低于1∶10时，石膏粒度的变化趋于稳定。

根据结果，为保证脱硫效果和石膏品质，同时兼顾废水综合利用率，建议反渗透浓水与工业水掺混比例≤1∶10。

1.3 RO浓水对于系统设备的影响

本试验采用上海电力学院自行研制的“火电厂循环冷却水系统模拟试验平台”，该试验台具有温度控制、流量调节、自动补水、在线监测等功能。

参照HB/T2160—1991《冷却水动态模拟试验方法》、GB/T 18175—2000《水处理剂缓蚀性能的测定 旋转挂片法》，常温常压条件下，在该试验平台上模拟生产现场RO运行流速及不同RO浓水与工业水配比水质、金属材料等主要参数，通过动态试验来评定反渗透浓水对脱硫系统设备的影响，此外采用在线腐蚀监测仪监测金属材料的腐蚀速率和点蚀趋势。

本试验采用20号碳钢标准腐蚀试片、耐腐蚀性能一般的304不锈钢标准腐蚀试片，考虑到工业水系统用水设施中有纯铜冷凝器，故加上紫铜标准腐蚀试片进行试验。

试验条件：在室温31℃条件下；配制浓水：工业水配比分别为1∶0、1∶1、1∶5、1∶10、1∶20、0∶1的试验溶液，分别挂上20号碳钢试片、304不锈钢和紫铜试片，连续运行48 h。同时，采用美国9030增强型双通道在线腐蚀监测仪监测304不锈钢和紫铜试片在100%浓水中的腐蚀速率和点蚀趋势。

不锈钢、紫铜在纯浓水中的腐蚀试验见图4。三种试片在各种配比浓水中的腐蚀速率见表4。

由表4的试验结果表明，304不锈钢和紫铜在6种水样中腐蚀速率为零，可以得到RO浓水对防腐标准较高的湿法烟气脱硫系统设备基本无影响。

图4 不锈钢、紫铜在纯浓水中的腐蚀试验

试片编号浓水:工业水电导率/(μs·cm-1)失重/g腐蚀速率/(mm·a-1)碳钢0.03630.04176不锈钢11∶0123200紫铜00碳钢0.03140.03612不锈钢21∶181100紫铜00碳钢0.03350.03854不锈钢31∶550900紫铜00碳钢0.03580.04119不锈钢41∶1043800紫铜00碳钢0.04070.04680不锈钢51∶2039200紫铜00碳钢0.04480.05154不锈钢60∶134800紫铜00

图4为美国9030增强型双通道在线腐蚀监测仪对304不锈钢电极和紫铜电极在31℃、100%反渗透浓水中连续48 h的测试记录，图4中两条曲线重合，腐蚀速率为零，无点蚀趋势。该结果与表4所列同步进行的动态腐蚀挂片法结果一致。

表4所列20号碳钢试片在所有掺混比例RO浓水中，包括100%反渗透浓水(1号水样)中的腐蚀速率均显著小于其在纯工业水(6号水样)的腐蚀速率。为此，专门重复进行了试验，结果依旧。

经调研，该厂RO浓水中添加的阻垢剂(如美国清力PTP-0100)，既是一种高效阻垢分散剂，也是高效的缓蚀剂，可有效减缓碳钢材料的腐蚀速率。

1.4 实施RO浓水循环利用

根据试验研究结果，最终确定的RO浓水循环利用工艺如下：将反渗透浓水和超滤反洗水先输送至工业消防蓄水池，经稀释后(平均掺混比例≤1∶10)的水质，除含盐量略高(不大于工业水的1.4倍)外，其他缓蚀、阻垢等性能均优于工业水，可以作为脱硫工艺补充水、工业和消防用水或冷却塔补水。

RO浓水循环利用工程于2014年10月初完工，2014年10月6日起投运。表5和表6为实施RO浓水回用前后脱硫效率和石膏品质对比表。

表5 实施浓水回用前后脱硫效率对比

表6 实施浓水回用前后石膏质量对比 %

表5和表6中的数据表明，应用RO浓水循环利用工艺后，脱硫系统运行正常，脱硫效率和石膏品质未受影响。

2 结果与讨论

根据试验结果可知，由于RO浓水含有阻垢(缓蚀)剂，对304不锈钢、紫铜材料的腐蚀速率约为0；碳钢材料在RO浓水与工业水任意配比的水溶液中的腐蚀速率均显著小于其在纯工业水中的腐蚀速率。据此，建议将RO浓水先回用至工业水池，稀释后(RO浓水:工业水<1∶10)作为脱硫工艺补充水、工业和消防用水或冷却塔补水。该厂自2014年10月按照此工艺实施了RO浓水循环利用至今，脱硫系统运行正常，脱硫效果和石膏品质未受影响。

在科学试验研究基础上，提出了将RO浓水回用至工业水池，稀释后作为脱硫工艺补充水、工业和消防用水或冷却塔补水循环利用工艺简便可行，既保证了脱硫效果和石膏品质，同时兼顾废水综合利用，解决了火力发电行业普遍存在的反渗透浓水循环利用难题，提高了水资源的利用率，弥补了反渗透技术产水率较低的不足。

参考文献：

[1] 朱俊靖.给水系统中RO浓水的再利用[J].上海电力学院学报,2010，26 (4):358-360.

ZHU Junjing. Recycling of RO concentrate water in water supply system [J].Journal of Shanghai University of Electric Power,2010,26(4):358-360.

[2]张葆宗.反渗透水处理应用技术[M].北京:中国电力出版社,2004.

[3]徐宏建. 实验室模拟脱硫装置及脱硫剂的评价[J]. 华东理工大学学报,2002，28(3):314-317.

XU Hongjian. An experimental apparatus to simulate removal of H2S and evaluation of desulphurization solutions[J]. Journal of East China University of science and Technology,2002,28(3):314-317.