凝結水精處理系統節水減排降耗關鍵技術

北極星水處理網訊:［摘要］凝結水精處理系統會消耗大量的除鹽水，佔電廠除鹽水消耗總量的50%以上，且設備再生過程中產生的酸鹼廢水也是高鹽廢水的重要來源。對此，可通過增大周期制水量和減少自用水量大幅度降低自用水耗。採用西安熱工研究院有限公司研發的凝結水精處理系統節水減排降耗新技術，其中包括高速混床運行優化技術、精處理混床智能控制技術、提高高速混床布水均勻性技術以及再生廢液中氯離子減排技術，顯著地提高了凝結水設備的周期制水量，降低水耗，同時大幅節約除鹽水和新鮮水，減少廢水排放量和酸鹼用量，並且能夠極大地降低廢水零排放工程的造價和運行費用。這種過程節水法已在國內三十多家大型發電廠成功應用，是一種低成本的節水方式，具有良好的推廣應用前景。

［關鍵詞］凝結水；精處理；節水；減排；降耗；高速混床；運行優化；再生

隨著國家《水汙染防治行動計劃》（簡稱「水十條」）的深入推進，火電廠節水及廢水綜合治理目前已成為電廠環保的重點。除對各種廢水的綜合治理及對末端廢水的「零排放」處理外，從源頭節水即推行清潔生產工藝，強化生產過程節水也至關重要。

《中華人民共和國清潔生產促進法》（2016）第十九條要求：企業在進行技術改造過程中，應當採用資源利用率高、汙染物產生量少的符合清潔生產要求的工藝和設備，替代資源利用率低、汙染物產生量多的工藝和設備。凝結水精處理系統會消耗大量的除鹽水，佔電廠除鹽水消耗總量的50%以上，且設備再生過程中還會產生大量的酸鹼廢水也是高鹽廢水的重要來源，尤其是沒有循環冷卻塔排汙水的直流冷卻電廠以及空冷電廠耗水量佔比則更大。如廣東沿海某電廠2臺600MW機組，凝結水精處理系統除鹽水耗量曾經達到12萬t/年，產生廢水中固體鹽量超過300t，製備這些除鹽水所消耗的新鮮水量將會更大，還會產生高鹽廢水。可見，凝結水精處理系統的節水減排降耗技術對減少末端高鹽廢水量具有非常重要的意義。

1 節水減排降耗潛力分析

凝結水精處理系統是電廠水汽循環過程中必不可少的一個環節，其作用是去除凝結水中的雜質和離子，以獲得更純淨的鍋爐給水。凝結水精處理系統主要設備有前置過濾設備和精除鹽設備。前置過濾設備一般包括前置過濾器（大流量過濾器）、粉末覆蓋過濾器和前置陽床3種設備，精除鹽設備主要有高速混床和陽陰分床2種類型。

目前，凝結水精處理系統應用最多的是高速混床加前置過濾器和粉末覆蓋過濾器，而高速混床是其中最主要的設備。因此，本文僅對高速混床的節水減排降耗技術進行分析。高速混床在樹脂輸送、分離、再生、置換和正洗過程中都會消耗除鹽水。衡量1臺水處理設備節水效果的指標是自用水率ηR，即生產1t產品水工藝本身用水所佔的百分率，一般以1個運行周期來計算：

由式(1)可見，降低ηR有兩個途徑：一是減少自用水量WR，二是增大周期制水量WC。減少自用水量和增大周期制水量與自用水率為倍數效應，即若將自用水量減少50%，周期制水量增加1倍，那麼自用水率將僅為原來的1/4。可見，延長運行周期和減少自用水量同等重要，因此一方面需要降低單次再生水量，另一方面還需要延長周期運行時間，增大周期制水量。

由於我國電廠凝結水精處理系統高速混床從調試到正常投運階段時間跨度較長，期間很少進行系統性能優化，因此系統節水減排降耗潛力很大。西安熱工研究院有限公司2012—2014年對國內十多家電廠凝結水精處理系統的評估結果表明，精處理系統普遍存在周期制水量偏低、自用水耗偏高的問題。例如1臺3.2m直徑的高速混床，在機組不加氧的情況下，氫型運行周期制水量最低時僅為3萬~5萬m³，但最高可達16萬m³；再生1次耗水量最高可達700~900m³，但最低僅約為300m³。另外，評估還發現凝結水精處理系統再生酸耗、鹼耗普遍偏高，有些甚至高達280kg/m³以上，是標準酸耗、鹼耗的2.8倍。另外，高速混床再生過程中普遍存在「跑樹脂」現象，而樹脂已經被列為危險廢物，應採取有效措施減少排放。可見，凝結水精處理系統節水減排降耗潛力巨大。

2 節水減排降耗關鍵技術分析

認為造成凝結水精處理系統耗水量高的原因主要有2點：

1）對電廠生產過程中的節水減排工作不夠重視，沒有相應的考核指標，所以長期缺少關注；

2）目前採用的節水減排降耗技術基本是十多年前就已經成熟的老舊技術，且僅注重水質控制指標，而忽視節水和降耗指標。高速混床及再生設備雖然不多，但工藝非常複雜，僅再生過程步序就達100餘步，很容易出現問題。很多電廠凝結水精處理系統的高速混床及再生設備在使用過程中性能下降很快，最常出現周期制水量明顯下降，有的甚至僅為設計值的1/2甚至1/3，使得自用水率大幅上升。針對上述問題，西安熱工研究院有限公司開發了多項凝結水精處理系統節水減排降耗新技術和新產品，在全國三十多家電廠得到了應用，不僅提高了精處理系統出水水質，降低了運行費用，而且能夠顯著提高凝結水設備的周期制水量和出水水質，降低水耗，大幅節約除鹽水和新鮮水，減少廢水排放量。

2.1 高速混床運行優化技術

由於凝結水中的主要離子是為提高pH值加入的氨，一般氨的質量濃度為0.5~1.0mg/L，而氯離子、鈉離子等其他離子的質量濃度在1μg/L以下，兩者質量濃度相差上千倍。因此，高速混床的周期制水量主要決定於加氨量，也就是pH值。因此，增加高速混床周期制水量有以下3個途徑。

1）凝結水維持適宜的pH值。在凝結水精處理系統出水氫電導率小於0.1uS/cm的條件下，採用加氧處理工藝，可大幅降低pH值，從而降低凝結水氨量。

2）增大陽樹脂的比例，從而增加陽樹脂的體積。根據《火電廠凝結水精處理系統技術要求第1部分：溼冷機組》（DL/T333.1—2010），高速混床氫型運行時，陽樹脂與陰樹脂體積比例應為3:2或者2:1[6]。目前，很多電廠陽樹脂與陰樹脂體積比例仍然為1:1，若調整為3:2，則周期制水量可增加20%以上。

3）通過優化措施提高陽樹脂工交。銨離子主要靠陽樹脂來去除，但很多電廠陽樹脂工交僅為1200mol/m3，若提高至1500mol/m³，周期制水量可增加25%。可將降低單次再生除鹽水用量的優化措施與增加混床周期制水量的3種途徑相結合，在凝結水精處理最優化理論的指導下，通過對現有設備進行技改和對運行工藝過程和控制參數進行調整，最大限度地提升設備的能力，達到「提質增效」和「節水減排」的目標。

高速混床優化一般包括以下3個步驟。

1）優化方案研究。利用先進的測試儀器和試驗裝置，進行凝結水精處理設備評估和問題診斷，提出優化方案。

2）設備技改和運行優化。應用新技術和產品，對凝結水精處理設備進行技改，最大限度地提升設備性能；並且對凝結水精處理設備的運行工藝及參數進行優化調整，提高出水水質，以達到GB/T12145要求，增加設備的周期制水量。

3）優化效果評價。按照技術指標，對優化效果進行整體評價。高速混床運行優化內容主要包括：樹脂在高速混床與分離系統之間的傳輸方法和步序參數、樹脂空氣擦洗的工藝方法和步序參數、樹脂反洗分層的工藝參數、樹脂再生工藝參數、樹脂混合的工藝方法和步序參數、高速混床投運步序、聯鎖保護條件及確定混床失效水質指標、過程控制改造。

高速混床運行優化技術實施後，一般情況下，樹脂輸送率可達99.9%以上；陽樹脂再生度達到99.6%以上，陰樹脂再生度達到97%以上；高速混床單次再生所需自用除鹽水量可控制在40~60m³/m³R；高速混床單次再生所需純酸和純鹼量控制在120kg/m³R以內；陽、陰樹脂混合後的上層300mm樹脂層中的陽樹脂體積分數達到30%以上，下層300mm樹脂層中的陰樹脂體積分數達到30%以上；高速混床失效時，出水鈉、氯離子質量濃度不超過1μg/L。此外，採用高速混床運行優化技術還可有效防止高速混床投運過程中發生水錘導致高速混床內部裝置損壞，以及高速混床旁路閥誤動作危害其安全運行，且防止樹脂跑漏，減少了廢樹脂量。

2.2 精處理混床智能控制技術

鑑於目前樹脂輸送檢測裝置的局限性，西安熱工研究院有限公司研發出以圖像智能識別技術為核心的精處理混床智能控制中心，可提高樹脂體外輸送的精確度，降低精處理運行效果對人員技術水平的依賴性及運行的自動化和智能化程度。精處理混床智能控制中心主要用於電廠凝結水精處理系統的精細化管理，對精處理混床狀態、樹脂性能、再生消耗水量及酸鹼量進行有效監控，有助於運行人員及時發現異常狀況並進行處理。

精處理混床智能控制中心主要包括以下模塊：

1）樹脂輸送圖像智能識別控制系統；

2）高速混床樹脂編號跟蹤程序；

3）凝結水精處理系統各個運行程序自用除鹽水量統計程序；

4）用酸量、用鹼量統計程序；

5）高速混床運行周期長度、周期制水量、氫型運行吸收氨量統計程序；

6）高速混床及樹脂再生參數記錄程序；

7）高速混床運行指標記錄程序；

8）凝結水精處理系統參數資料庫；

9）形成高速混床及樹脂再生參數報表；

10）形成高速混床運行指標日報表。

2018年8月精處理混床智能控制中心成功在廣東某電廠應用，結合高速混床運行優化技術，該項目實施前後，節水減排降耗效果十分明顯。周期制水量由5.3~6.9萬m3增大到8.5~11.0萬m3，單次再生自用水量從340m3下降至260m3；酸用量由平均1.6m3/次（質量分數31%的鹽酸，下同）下降至0.9m3/次，酸耗由平均261kg/m3(R)（100%鹽酸，下同）下降至128kg/m³(R)；鹼用量由平均1.4m3/次（質量分數32%的氫氧化鈉，下同）下降至0.7m3/次，鹼耗由平均236kg/m3(R)（100%氫氧化鈉，下同）下降至147kg/m3(R)。

該項目2臺機組凝結水精處理系統高速混床年再生臺次由約110次減少為約55次，每年可節省除鹽水2.31萬m3，節省31%鹽酸124t，節省32%氫氧化鈉116t。同時，全廠年新鮮水的取水量減少3.47萬m3。

2.3 提高高速混床布水均勻性技術

現有的高速混床一般採用穹形擋板加多孔板擰水帽式的進水分配裝置。該裝置在投運初期布水效果很好，但由於運行阻力較大，在遭受進水衝擊負荷時容易變形或者損壞，從而造成偏流，使高速混床周期制水量遠遠達不到設計要求，嚴重者只有設計值的1/3，這不僅造成再生用除鹽水和酸鹼的巨大浪費，還增加了高鹽廢水的排放量。

對此，西安熱工研究院有限公司採用流體力學的計算機模擬技術，研究提出了新型布水裝置—雙層多孔板式布水裝置。圖1為雙層多孔板式布水裝置結構示意，其由上層多孔板、固定環板、下層多孔板3個部分組成。雙層多孔板式布水裝置的上層多孔板和下層多孔板分別等份切割為5~6塊，每塊板寬度應該小於人孔門內徑10mm以上，拼接處的下端安裝支撐條。固定環板由上環板、側環板、下環板組成，上環板焊接在側環板的上端，下環板焊接在側環板的下端，焊接後上環板、側環板和下環板同心，最後應切分為六等份。

雙層多孔板式布水裝置通過對上、下層多空板開孔率及孔徑大小等參數的優化，使高流速下的布水均勻性大幅提高，均勻性指數可達0.9以上，而阻力卻明顯下降，僅約為1.7kPa。至於高速混床可能遇到的入口樹脂倒灌問題，可通過加裝防樹脂倒灌裝置來解決。

雙層多孔板式布水裝置已獲得了國家專利（201721260523.5），並在7個電廠20多臺凝結水精處理系統高速混床中得到推廣應用。在江西某電廠超超臨界680MW機組凝結水精處理系統球形高速混床（DN3200mm）應用1年的結果表明：採用雙層多孔板式布水裝置樹脂界面在100m/h以上的高流速下也十分平整，沒有出現明顯的擾動，說明其布水均勻性很好；同時，高速混床（氫型）運行時的周期制水量由6.6萬m3增大至10.9萬m3，增幅超過65%，每年能減少除鹽水用量約1萬m³，間接減少新鮮水用量約1.5萬m3，同時減排酸鹼高鹽廢水約0.5萬m³。

2.4 再生廢液中氯離子減排技術

影響電廠脫硫廢水處理系統末端廢水量的1個重要因素是漿液中氯離子的質量濃度，一般要求氯離子質量濃度控制在15000mg/L以下。而凝結水精處理系統再生廢水排放量約佔全廠高鹽廢水排放量的50%以上，若將凝結水精處理系統陽樹脂的再生劑由鹽酸改為硫酸，那麼再生廢液中的氯離子將會被硫酸根離子所代替，這將明顯減少脫硫系統補充水中氯離子的質量濃度，從而提高脫硫廢水中漿液的濃縮倍率，減少脫硫廢水處理系統末端廢水排放量。而增加的硫酸根離子最終轉化為石膏，以固體的形式排出脫硫廢水處理系統。2017年4月，對遼寧某電廠二期凝結水精處理系統和鍋爐補給水系統陽樹脂再生工藝進行硫酸改造，投運後該廠工業廢水中氯離子平均質量濃度由370mg/L降至150mg/L，使用硫酸再生後1年內減排氯鹽49350kg，減排效果顯著。

按照標準DL/T333.1—2010的要求，在達到同樣再生效果的前提下，再生1m3陽樹脂需用質量分數31%的鹽酸323kg，而只需質量分數98%的硫酸133kg，鹽酸用量是硫酸用量的2.4倍。同時，鹽酸再生1次排放氯離子21.9mmol/L，硫酸再生1次排放硫酸根離子10.6mmol/L。

使用硫酸再生的另一個優點是硫酸不會形成酸霧，不會對再生間的設備形成腐蝕。但硫酸再生存在安全隱患，因此將鹽酸再生工藝更換為硫酸再生工藝時一定要注意兩者之間的差別，選擇適宜的材料，並加裝防洩漏裝置。另外，為提高硫酸再生效果，還需進行必要的優化調整試驗。

3 新技術節水減排降耗效果分析

3.1 節水減排效果分析

凝結水精處理系統應用上述節水減排降耗新技術後，由於既增加了混床周期制水量，減少了單次再生的耗水量，同時相應地減少了除鹽水車間制水量和廢水量，綜合起來節水減排效果相當可觀。表1列出了不同類型電廠應用部分凝結水精處理系統節水減排降耗新技術後的節水效果。由表1可見，無論是亞臨界汽包爐還是超超臨界直流爐，不管是開式循環冷卻或者是海水直流冷卻抑或直接空冷，節水減排效果都很顯著。如D電廠2×600MW機組每年可節約除鹽水5.7萬t，減排固體鹽類335萬t。

由表1可知，減排效果與機組容量關係密切，與冷卻方式關係不大，最主要的是與機組原來的設計和運行水平以及採用的減排技術關係很大。例如C電廠由於原設計的樹脂比例比較合理（陽樹脂與陰樹脂體積比為3:2），雖然容量比B電廠大近1倍，但減排水量只有B電廠的58%。由於各項節水減排降耗新技術之間會產生協同效應，綜合應用節水減排效果會更加顯著，如D電廠凝結水精處理系統應用了多種節水減排降耗新技術，節水減排效果顯著。

3.2 降耗效果分析

凝結水精處理系統在很多電廠是唯一使用高濃度酸鹼的工藝，而且使用的是高品質的酸鹼。凝結水精處理系統採用節水減排降耗新技術可以大幅度降低耗酸量、耗鹼量，表2為某電廠降耗效果。由表2可見，某電廠凝結水精處理系統採用節水減排降耗新技術後，每年減少高品質酸、鹼的消耗量超過600t。

酸鹼屬於危險化學品，在運輸和貯存過程中極易發生事故，屬於國家嚴格限制使用的產品，需要公安部門審批。降低酸鹼消耗意味著減排廢水和固體鹽類。某電廠凝結水精處理系統採用節水減排降耗新技術後可減排廢水9萬t，另外製水車間廢水排放量減少了5萬t，每年減排固體鹽類超過100t。凝結水精處理系統節水減排降耗新技術能夠極大地降低廢水零排放工程的造價和運行費用，若全年減排固體鹽類300t，可降低零排放工程的造價約1000萬元，年運行費用約降低200萬元。

4 結論

1）凝結水精處理系統是電廠除鹽水的主要消耗途徑，高速混床再生過程中產生的酸、鹼廢水也是高鹽廢水的重要來源。通過增大周期制水量和減少自用水量可以大幅度降低自用水耗，從源頭上減少廢水的產生量，是一種低成本的節水方式。

2）西安熱工研究院有限公司研發的凝結水精處理系統節水減排降耗新技術，其中包括高速混床運行優化技術、精處理混床智能控制技術、提高高速混床布水均勻性技術、再生廢液中氯離子減排技術，能夠顯著地提高凝結水設備的周期制水量，降低水耗，大幅節約除鹽水和新鮮水，減少廢水排放量及酸鹼用量，每年可增加效益上百萬元，並且能夠極大地降低廢水零排放工程的造價和運行費用。

3）各種新技術之間具有協同效應。在國內三十多家大型發電廠的應用實踐表明，節水減排降耗作用明顯，有良好的推廣應用前景。

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