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内蒙古地区城市中水回用至电厂补给水可行性分析
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2020-10-28 15:07:09 浏览次数:
作者:罗纯仁(内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司,内蒙古呼伦贝尔021025)


  摘要:针对城市中水水质和火力发电厂补给水水质存在一定的差距,分析了城市中水回用过程中存在的结垢和腐蚀问题,对目前火力发电厂主要采用的石灰法和膜法城市中水深度处理工艺及应用情况进行了介绍,并对其经济性进行了分析,结果表明,石灰法的运用性更强,全膜法处理的城市中水水质好,但运行维护工作量大,适用性较差。

  关键词:城市中水;回用;补给水;腐蚀;结垢

  0 引言

  火力发电厂是工业企业中的用水大户,北方湿冷供热机组中循环冷却水系统、脱硫系统以及热网系统用水量一般占到全厂总用水量的80%以上。以1600 MW 凝汽式机组为例,循环冷却水量约为70000 t/h,冷却水消耗量接近1700 t/h[1];以1个20万t水量的热网系统为例,按照日补水量2%、供暖期120 d进行计算,供暖期间用水量达到48万t。水资源的短缺以及逐渐上涨的地表水和地下水价格都成为火力发电企业发展的限制因素。根据《内蒙古自治区水资源税改试点实施办法》[2],发电厂用水在城市公共供水管网范围外地下水按照2.5元/m3 征收;在城市供水管网范围内地下水按照5 元/m3 征收。随着国家对地下水资源管控力度的不断加大,地表水和地下水取水费会逐年提高。将经过深度处理的城市中水回用为电厂补给水,实现废水资源化,减少地下水和地表水取用,是降低火力发电厂生产成本,提高经济效益的重要手段。

  目前,内蒙古地区坑口电站普遍采用煤矿疏干水作为补水水源,如内蒙古上都发电有限责任公司、内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司、华能伊敏电厂等。在水资源相对丰富的蒙东地区,一些电厂仍采用地下水作为补水水源。一些城市内的电厂则采用城市中水作为补水水源,如华能海拉尔热电厂和海勃湾电厂、内蒙古岱海发电有限责任公司、内蒙古锡林热电厂、国电内蒙古东胜热电有限公司、内蒙古包头第三热电厂等。中水回用至火力发电厂补充水已经成为内蒙古地区火力发电厂用水趋势。本文对城市中水回用至火电厂补水系统存在的问题、处理方式以及处理的经济性进行分析,并对内蒙古地区火力发电厂合理利用城市中水提出建议。

  1 城市中水回用至电厂补给水存在的问题

  目前,多数城市污水处理厂中水水质要求达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[3]中的二级标准。但由于设备老旧、原水水质超出设计范围以及药剂投加量不足等原因,污水处理厂排水水质不达标的情况普遍存在。

  冷却循环设备是火力发电厂最大的用水设备,其补水水质要求执行GB 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》[4];再生水用作电厂冷却水、循环水时,水质要求执行GB 50335—2002《污水再生利用工程设计规范》[5],热网补给水水质要求执行CJJ 34—2016《城市热力网设计规范》[6]。对比水质指标,城市中水水质较循环水系统、热网系统所要求的补水水质仍有较大差距。

  由于城市中水未对碱度、硬度以及腐蚀性离子(Cl-)含量等指标作出限定,因此,结垢和腐蚀是城市中水回用至火电厂补水系统存在的主要问题。为了避免结垢,一些电厂采用掺用除盐水或加酸降低循环水pH值,同时降低浓缩倍率的方式对城市中水进行回用,这就导致循环冷却水排水量增加,并且增加了凝汽器不锈钢换热管的腐蚀风险。凝汽器循环冷却水侧运行温度一般低于40 ℃,而热网换热站的运行温度在70~95 ℃,较高的运行温度将导致热网系统对结垢以及奥氏体钢换热管(板)腐蚀问题更加敏感[7]。

  内蒙古地区一些供热机组,为了提高城市中水回用的经济性,直接将城市中水回用至供热系统。为了避免奥氏体钢换热管(板)的点蚀,对极限Cl-质量浓度进行调整,以确定是否采用中水回用以及回用量;为了避免系统产生钙垢,尽量维持供热系统pH值偏中性。然而,对于供热系统来说,调低pH值后会导致供热系统内碳钢的腐蚀加剧,导致换热管(板)表面氧化铁垢增加。此外,中水水质的缺陷是水质波动大,氨氮、COD、磷等营养物质元素含量远高于自然水体,导致细菌滋生同时降低pH值。细菌滋生严重,还会形成生物垢并在垢下进一步形成酸性环境,加剧设备的腐蚀。

  郑观文等[8]考察了城市中水回用至脱硫系统后对脱硫反应的影响,研究结果表明,城市中水回用后,导致脱硫系统内Cl-质量浓度增加,降低石灰石的反应活性。同时,COD 偏高导致消泡剂用量增加,油类物质则会大幅降低石灰石的反应活性,影响脱硫效率[9]。因此,城市中水不宜直接回用至脱硫系统。

  2 城市中水回用前的处理方式及应用情况

  目前城市中水深度处理工艺主要包括石灰法和膜法两类。

  2.1 石灰法

  石灰混凝澄清过滤工艺是城市中水深度处理比较成熟的技术方法,该工艺在国外作为火电厂循环水补给水处理技术应用广泛,内蒙古地区也主要采用此技术,处理工艺示意图如图1所示。城市中水投加石灰乳控制出水pH值为10.3~10.5,通过化学反应,产生大量各种形态的CaCO3结晶,降低水中暂时硬度。然后加入絮凝剂或助凝剂去除氨氮和磷酸盐,使污染物产生沉降;最后通过澄清、过滤处理后,使水中的悬浮物指标达到循环水补水要求。如果处理后的中水存在有机物、氨氮和暂时硬度高的情况,则在调节池前加曝气生物滤池,内蒙古地区的华能海拉尔热电厂、内蒙古锡林热电厂、渤海湾电厂、内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司[10-13]均采用这种处理方式。

  然而,石灰法处理城市中水存在一定的局限性。由于石灰软化处理无法去除城市中水的Cl-,为了防止Cl-含量超标,循环冷却水浓缩倍率一般维持在3~4 倍水平,这会使循环冷却水系统排水量增加。以大唐安阳发电厂为例,其1号、2号机组循环冷却水水源为安阳市第二污水处理厂的城市中水,采用石灰法对城市中水进行软化处理,Cl-质量浓度达到120 mg/L,为了保障机组的安全运行,循环水浓缩倍率维持在2~3倍的水平,而浓缩倍率的降低则意味着冷却水排水量的增加。

  2.2 膜生物反应器(MBR)工艺

  MBR工艺是生物处理与膜分离相结合的一种组合工艺,在生物反应器中置入过滤中空纤维膜组件(孔径0.04~0.1 μm的超滤膜或微滤膜),用于对悬浮液和有机物的节流,使生物反应池内维持一定浓度的微生物量,对污水进一步净化,工艺流程如图2所示。该方法出水水质稳定、剩余污泥量少、操作方便、可实现自动控制。MBR工艺出水中CODcr、BOD5、NH4-N和浊度都很低,可作为循环冷却水补水或反渗透进水[14-15]。目前,MBR技术在内蒙古地区的华能金桥热电厂、国电内蒙古东胜热电有限公司、内蒙古蒙电华能热电股份有限公司乌拉山电厂[16]等得到成功应用。

  传统MBR工艺存在膜通量降低的情况,为此,国电环境保护研究院在传统MBR技术上,开发出了两级过滤膜生物反应技术(DF-MBR)[12-18],流程如图3所示[17-18]。该技术目前在国电内蒙古热电东胜有限公司得到成功应用,出水ρCODCr ≤20 mg/L,ρBOD5 ≤10 mg/L,ρNH 4 -N ≤5 mg/L,浊度≤0.5 NTU。

  2.3 全膜法工艺

  全膜法处理是将经过预处理(生化、过滤)的中水,经超滤+反渗透工艺处理后,实现污染物的高效去除和深度脱盐,经全膜法处理后的中水,可直接回用至热网、锅炉补给水等[19],但处理能力有限,无法满足循环水补水要求。由于循环水补水量大,为了降低运行成本,可对部分循环水补充水进行脱盐处理,以满足要求[20]。目前,全膜法处理在包头希望铝业电厂、大连泰山热电厂、大连热电厂、上海大屯发电厂、国电河南开封电厂等应用。

  3 城市中水回用处理的经济性

  城市中水无论采用何种处理方式,都会产生巨额的设备投资以及运行成本。是否进行中水回用以及采取何种处理方式与当地环保政策有关。地表水和地下水以及城市自来水等火力发电厂原有水源的水价与城市中水价格差越大,电厂用水量越大,进行中水回用的经济性越好。

  海拉尔热电厂投资4827万元配套了处理量为4000 kt/a的城市中水深度处理设备,处理后的中水主要用于循环水补充水、冬季热网补水、空压机冷却水等。该厂取用中水的价格为0.07元/t,经深度处理后的成本约为0.8元/t(不含人员工资、设备折旧、设备维护等),按照2010年当地自来水价格为3.0元/t,每年用水量4000 kt计算,每年节约水费852万元,预计5~6 a可收回全部投资。锡林热电厂年用水量为1500 kt,2007年当地自来水价格为2元/t,城市中水运行费用及设备折旧费、维护费成本为0.65元/t,每年可年节约费用202.5万元,其收回投资的时间长些[12]。

  国电内蒙古东胜热电有限公司中水岛处理项目,采用DF-MBR 膜处理技术,该项目投资接近2500万元,年回用中水量为4015 kt。当地工业自来水价格为5.9 元/t,中水价格为2.5 元/t(含运行成本),每吨水节约开支3.4元,年节约水费1365万元,项目静态投资回收期为22个月。

  刘枫等[21]报道了大连热电厂抗污染RO膜在城市中水回用中的运行情况。大连热电集团是大连市的用水大户,一直以来以购买城市自来水作为循环冷却水的原水。2007年利用反渗透技术进行了中水回用,降低了企业的运行成本。经核算,产水成本为2.7元/m3(包含固定资产折旧、能耗、药剂消耗、人工及中水价格0.48元/t)。

  4 结束语

  (1) 随着内蒙古地区自来水、地表水、地下水价格的不断提高,如何实现城市污水资源化利用是火力发电厂提高经济性的重要研究课题。由于城镇污水排放指标与火力发电厂补给水指标存在一定的差距,城市中水不宜直接回用至火力发电厂补水系统。

  (2) 城市中水存在Cl-含量偏高的情况[23],回用前应充分评估氯离子对系统材质产生的腐蚀情况,尤其是对奥氏体不锈钢的点蚀作用。

  (3) 经石灰法、生物膜法深度处理后的城市中水适宜直接作为循环冷却水及冬季热网补充水[22]。石灰法的适用性更强,在内蒙古地区的应用逐渐增多。全膜法处理的城市中水水质更好,可作为锅炉补给水、循环冷却水补水等,但该方法存在运行维护工作量大、适用性较差等问题,应用较少。