SCAL式間接冷卻系統(tǒng)循環(huán)廢水的回用處理
在我國(guó)北方缺水地區(qū)，SCAL間接空冷系統(tǒng)(間接冷卻系統(tǒng))逐漸成為火電廠汽輪機(jī)排汽冷凝系統(tǒng)的主要類型。為了減緩系統(tǒng)中物料的腐蝕速度，該系統(tǒng)中的循環(huán)水需要保持良好的水質(zhì)，但這類間接冷卻系統(tǒng)中沒有凈水裝置，所以當(dāng)循環(huán)水的濁度、pH值等指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，只能通過換水來凈化水質(zhì)。這類間接冷卻系統(tǒng)中往往有近萬噸軟化水，每次需要更換數(shù)百噸水。利用電廠現(xiàn)有水處理車間回收間接冷卻循環(huán)廢水，不僅可以節(jié)約大量水資源，而且不需要增加新的水處理設(shè)備。它是一種多用途的廢水處理方法，具有很高的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但目前還沒有回收間接冷卻循環(huán)廢水的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)SCAL型中冷循環(huán)水的特點(diǎn)，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)對(duì)該問題進(jìn)行了研究。
1.間接冷卻循環(huán)廢水回收水處理系統(tǒng)
影響的理論分析在火電廠運(yùn)行過程中，需要通過水處理車間對(duì)原水進(jìn)行處理，去除各種雜質(zhì)，以保證電廠良好的水汽品質(zhì)。一般原水的處理包括雙介質(zhì)過濾、超濾和反滲透，最后通過離子交換制得脫鹽水，儲(chǔ)存在水箱中備用。以寧夏某電廠水處理車間為例，水處理流程如圖1所示。
水處理車間的設(shè)計(jì)用水為來自廠區(qū)的原水。原水和間接冷卻循環(huán)廢水的主要水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比見表1。由于換水時(shí)間冷循環(huán)水水質(zhì)往往較差，因此選擇間冷循環(huán)水水質(zhì)較差作為間冷循環(huán)廢水的水質(zhì)指標(biāo)與原水進(jìn)行對(duì)比。
從表1可以看出，與廠內(nèi)原水相比，間接冷卻循環(huán)廢水的溫度更高，pH值更高，濁度更高。脫鹽水一開始就注入SCAL式間接冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)氣密性好，所以循環(huán)廢水中含有的雜質(zhì)離子比較少，不會(huì)增加離子交換樹脂的工作負(fù)荷。間接冷卻系統(tǒng)中循環(huán)水的主要雜質(zhì)來源是碳鋼和鋁在運(yùn)行過程中腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物。這些腐蝕產(chǎn)物不僅增加了循環(huán)水的濁度，而且使水中的鐵和鋁含量高，這將對(duì)水處理中的預(yù)處理環(huán)節(jié)(雙介質(zhì)過濾器、超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng))產(chǎn)生很大的工作量。
水處理系統(tǒng)由一系列串聯(lián)的水處理設(shè)備組成。對(duì)于每臺(tái)水處理設(shè)備，既要保證進(jìn)水水質(zhì)合格，滿足設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，也要保證其出水水質(zhì)符合下一環(huán)節(jié)的水質(zhì)要求。因此，重點(diǎn)分析了間接冷卻循環(huán)廢水回用工藝對(duì)雙介質(zhì)過濾器、超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)的影響。
1.1雙重介質(zhì)過濾器
雙介質(zhì)過濾是水通過沙子、無煙煤、活性炭等多孔介質(zhì)后，攔截水中雜質(zhì)的方法。通過機(jī)械篩分去除水中的懸浮顆粒，可以有效去除原水中的膠體、懸浮物和有機(jī)物，濾液的濁度通?？梢越档偷?NTU以下。該裝置主要去除間接冷卻循環(huán)廢水中的懸浮物和沉淀鐵。如果進(jìn)水濁度過高，雙介質(zhì)過濾器的工作強(qiáng)度將會(huì)增加。如果進(jìn)水濁度過高，出水濁度指標(biāo)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)對(duì)后續(xù)設(shè)備造成不利影響。雙介質(zhì)過濾器與超濾系統(tǒng)之間有保安過濾器，其過濾精度為100 μ m，當(dāng)雙介質(zhì)過濾器出水濁度不合格時(shí)，會(huì)造成保安過濾器更大的工作負(fù)擔(dān)，縮短其使用壽命。此外，雙介質(zhì)過濾器對(duì)進(jìn)水的pH值也有一定的限制。當(dāng)水的pH值大于9時(shí)，過濾器中的石英砂會(huì)溶解，水中的SiO2含量會(huì)增加，因此需要監(jiān)測(cè)雙重介質(zhì)過濾器進(jìn)水的pH值。
1.2超濾系統(tǒng)
超濾是以機(jī)械篩分為基礎(chǔ)，以膜兩側(cè)壓力差為驅(qū)動(dòng)力的溶液分離過程。超濾膜的孔徑為0.005 ~ 1 μ m，小于超濾膜孔徑的物質(zhì)和溶于水的物質(zhì)可作為透過液透過膜，膠體物質(zhì)、顆粒、細(xì)菌、病毒會(huì)被截留并濃縮在排出液中。超濾系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式:全流過濾和錯(cuò)流過濾。在全流式過濾中，所有的進(jìn)水都通過膜表面，成為產(chǎn)出水。這種運(yùn)行方式能耗低，運(yùn)行壓力低，運(yùn)行成本低。但在錯(cuò)流過濾中，一部分進(jìn)水通過膜表面成為產(chǎn)水，另一部分被去除雜質(zhì)成為濃水。這種模式可以處理懸浮物含量較高的流體。
超濾設(shè)備對(duì)進(jìn)水有以下要求:水溫5~40℃，濁度小于5NTU，余氯2.85×10-5~5.71×10-5mol/L，pH 2~13。因此，在通過超濾系統(tǒng)時(shí)，需要重點(diǎn)監(jiān)控間接冷卻循環(huán)廢水的水溫，并根據(jù)進(jìn)水濁度及時(shí)調(diào)整超濾系統(tǒng)的運(yùn)行方式。超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)之間設(shè)置過濾精度為5μm的精密過濾器，超濾系統(tǒng)的出水水質(zhì)不合格會(huì)縮短精密過濾器的運(yùn)行周期。
1.3反滲透系統(tǒng)
反滲透(RO)是一種對(duì)濃縮液施加壓力使水通過半透膜的物理脫鹽方法，可以同時(shí)去除水中的膠體、有機(jī)物、細(xì)菌等。為了保證半透膜的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，需要在反滲透前去除原水中污染反滲透膜或?qū)е缕淞踊奈镔|(zhì)。膜制造商一般規(guī)定膜元件的使用條件，間接冷卻循環(huán)廢水回用過程中應(yīng)注意的水質(zhì)指標(biāo)如下:
(1)濁度和SDI值。由于膜元件內(nèi)部的給水和濃水通道很細(xì)，很容易堵塞固體顆粒，造成堵塞。因此，需要嚴(yán)格控制進(jìn)水中的懸浮物含量:一方面控制濁度，防止渾濁顆粒劃傷高壓泵和膜。另一方面，控制進(jìn)水的SDI值。
(2)溫度。根據(jù)膜材料的耐溫性，規(guī)定了膜元件的較高使用溫度，反滲透膜元件的較高使用溫度一般為40~45℃。
(3)進(jìn)水的pH范圍。為了防止膜聚合物水解，需要控制進(jìn)水的pH值。醋酸纖維素膜(CA膜)的pH范圍比較窄，一般為5~6。聚酰胺薄膜(PA薄膜)2-11。
(4)鐵含量。因?yàn)殍F是過渡金屬，有時(shí)會(huì)成為氧化反應(yīng)的催化劑，加速膜的氧化老化，膠體鐵也會(huì)造成膜堵塞。鐵的容許濃度隨pH值和溶解氧而變化，通常為1.78× 10-6 ~ 8.93× 10-7 mol/L
1.4間接冷循環(huán)廢水回收過程中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)
根據(jù)對(duì)水處理設(shè)備工作原理的分析，在制定回用方案的過程中，考慮到水處理設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，有必要對(duì)間接冷卻循環(huán)廢水的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。影響間接冷卻循環(huán)水回用水處理系統(tǒng)的水質(zhì)指標(biāo)包括溫度、pH值、濁度和鐵、鋁含量。首先監(jiān)測(cè)間接冷卻循環(huán)廢水的溫度和pH值，如果符合條件，進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，確定水處理系統(tǒng)可以承受的臨界濁度和鐵、鋁含量指標(biāo)。而且通過將循環(huán)廢水與廠區(qū)原水按一定比例混合，可以調(diào)節(jié)進(jìn)水的溫度、pH、濁度和鐵鋁含量，所以從理論上講，利用水處理車間處理中冷循環(huán)廢水是可行的。當(dāng)間冷循環(huán)廢水的某些水質(zhì)指標(biāo)過大時(shí)，不能作為100%的間冷循環(huán)廢水運(yùn)行。需要將中冷循環(huán)廢水與廠區(qū)原水按一定比例混合，經(jīng)過水質(zhì)調(diào)節(jié)后循環(huán)使用。
根據(jù)各種水處理設(shè)備的水質(zhì)要求，回收過程中需要監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)見表2。
2.現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)研究
2.1現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)方案
在兩種工況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn):
工況1，使用100%間接冷卻循環(huán)廢水作為原水。
工況2，使用50%間接冷卻循環(huán)廢水和50%工廠原水作為原水。
實(shí)驗(yàn)過程中，為了檢測(cè)各水處理設(shè)備對(duì)水質(zhì)的耐受極限，在改變水質(zhì)條件時(shí)，檢測(cè)各水處理設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后的水質(zhì)指標(biāo)。因此，在本次工業(yè)試驗(yàn)中，分別監(jiān)測(cè)了30min和50min兩種工況下各水處理設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)。工業(yè)實(shí)驗(yàn)中使用的間接冷卻循環(huán)廢水已冷卻至室溫25℃左右，因此實(shí)驗(yàn)過程中不監(jiān)測(cè)水溫。工廠采用石英砂+無煙煤雙介質(zhì)過濾器，反滲透膜為聚酰胺膜。
2.2間接冷卻循環(huán)廢水回收對(duì)雙重介質(zhì)過濾器的影響
間接冷卻循環(huán)廢水按兩種工況處理時(shí)，雙重介質(zhì)過濾器的水質(zhì)監(jiān)測(cè)見表3。
在兩種工況下，進(jìn)水pH值均小于9，滿足雙介質(zhì)過濾器進(jìn)水的要求。該廠雙介質(zhì)過濾器出水濁度小于1，在100%間接冷卻循環(huán)水條件下，出水濁度>:在30NTU時(shí)，雙介質(zhì)過濾器出水濁度不能達(dá)標(biāo)。在50%間接冷卻循環(huán)水工況下，雙介質(zhì)過濾器出水濁度達(dá)標(biāo)。在50%間接冷卻循環(huán)水工況下，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行取樣，分析鐵含量結(jié)果。從結(jié)果可以看出，雙層濾料濾池對(duì)循環(huán)廢水中鐵的去除效果顯著，與理論分析結(jié)果一致。
2.3間接冷循環(huán)廢水回收對(duì)超濾過濾器的影響
間接冷卻循環(huán)廢水按兩種工況處理時(shí)，超濾過濾的水質(zhì)監(jiān)測(cè)見表4。在100%間接冷卻循環(huán)廢水條件下運(yùn)行時(shí)，超濾進(jìn)水濁度小于雙介質(zhì)出水濁度，說明兩者之間的保安過濾器濾除了部分不溶物，但長(zhǎng)期在此條件下運(yùn)行會(huì)縮短保安濾芯的使用壽命。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，超濾出水濁度控制在≤0.5NTU，在100%中冷水的情況下，超濾出水濁度不能達(dá)標(biāo)，在50%中冷循環(huán)水的情況下，可以達(dá)標(biāo)。超濾裝置進(jìn)一步降低了水中的鐵含量，超濾除鋁效果不明顯。在100%中冷水和50%中冷水下運(yùn)行時(shí)，超濾系統(tǒng)產(chǎn)水流量和運(yùn)行壓差如圖2所示，流量和運(yùn)行壓差都比較穩(wěn)定，沒有明顯異常。
2.4間接冷循環(huán)廢水回收對(duì)反滲透系統(tǒng)的影響
間接冷卻循環(huán)廢水分兩種工況處理，反滲透系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)見表5。該廠反滲透系統(tǒng)進(jìn)水的SDI值小于1100%。冷水運(yùn)行30分鐘，SDI值為3.3，高于反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求，會(huì)污染反滲透膜，縮短使用壽命。在50%工況下運(yùn)行時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。通過反滲透處理，去除間接冷卻循環(huán)廢水中的鋁。如圖3所示，100%中冷水和50%中冷水運(yùn)行工況下，反滲透系統(tǒng)的壓差和回收率無明顯異常。
3.結(jié)論
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，間接冷卻循環(huán)廢水引入水處理系統(tǒng)對(duì)雙介質(zhì)過濾器、保安過濾器、超濾系統(tǒng)、精密過濾器和反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在制定具體的回收方案時(shí)，首先要測(cè)定循環(huán)廢水的溫度、pH值、濁度、鐵、鋁含量，通過工業(yè)實(shí)驗(yàn)確定水處理車間能夠處理水質(zhì)的臨界參數(shù)。在工業(yè)實(shí)驗(yàn)中，我們可以參照表2所列的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目來監(jiān)測(cè)回收過程。在水處理過程中，雙重介質(zhì)過濾器去除間接冷卻循環(huán)廢水中大部分懸浮鐵，超濾進(jìn)一步去除鐵的腐蝕產(chǎn)物。在進(jìn)入反滲透之前，水中鐵的腐蝕產(chǎn)物幾乎被完全去除，反滲透系統(tǒng)去除間接冷卻循環(huán)的廢水中的鋁。經(jīng)過這三步處理，可以滿足后續(xù)離子交換的水質(zhì)要求。當(dāng)雙重介質(zhì)過濾器的進(jìn)水濁度大于30NTU時(shí)，雙重介質(zhì)過濾器的出水和超濾水的濁度達(dá)不到控制指標(biāo)；當(dāng)雙介質(zhì)過濾器的進(jìn)水濁度小于14.7NTU時(shí)，雙介質(zhì)過濾器的出水和超濾水的濁度能夠滿足控制指標(biāo)。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，將間接冷卻循環(huán)廢水與廠區(qū)原水混合調(diào)節(jié)進(jìn)水水質(zhì)是完全可行的，最終實(shí)現(xiàn)間接冷卻循環(huán)廢水的回收，是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的處理方法。(來源:寧夏京能寧東發(fā)電有限公司、Xi安熱工研究院有限公司)
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