膜蒸餾在火電廠脫硫廢水零排工藝中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

膜蒸餾在火電廠脫硫廢水零排工藝中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析摘要：膜蒸餾作為一項(xiàng)新興技術(shù)，具有耐腐蝕、耐氧化和運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，可用于燃煤電廠脫硫廢水零排處理工藝。并且近期板式多效膜蒸餾工藝已經(jīng)在廢酸資源化、含鉻含鹽廢水零排等領(lǐng)域勝利實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。通過對(duì)膜蒸餾工藝的介紹分析，提出3類膜蒸餾在脫硫廢水零排方案中合理化應(yīng)用的工藝路線。以8t/h某燃煤電廠脫硫廢水處理為例，對(duì)7種脫硫廢水零排工藝組合進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果表明膜蒸餾工藝完全可適用于燃煤電廠脫硫廢水的零排工藝路線，膜蒸餾參加的零排工藝可以在設(shè)備投資和運(yùn)行成本上為電廠節(jié)約可觀的資金。關(guān)鍵詞：燃煤電廠；脫硫廢水；液體零排；膜蒸餾；資源化；零排放1討論背景火電廠作為用水、排水大戶，用水占工業(yè)總量的20%，實(shí)現(xiàn)火電廠廢水“零排放”或“近零排放”意義重大，尤其在嚴(yán)峻缺水的地區(qū)。廢水零排放可以提高火電廠用水的復(fù)用率，節(jié)省發(fā)電用水，降低環(huán)境污染，是“愛護(hù)生態(tài)環(huán)境就是愛護(hù)生產(chǎn)力，改善生態(tài)環(huán)境就是進(jìn)展生產(chǎn)力”的有力執(zhí)行。2015年國務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)方案》也明確對(duì)電廠廢水提出零排放的要求，電廠傳統(tǒng)廢水可通過傳統(tǒng)成熟的工藝輕易實(shí)施各種層次的梯級(jí)應(yīng)用，但是脫硫廢水由于鹽濃度高、成分簡單、腐蝕性強(qiáng)，如何對(duì)其實(shí)施有效的資源化處理成為制約火電廠廢水零排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放的需求越來越迫切，各種零排工藝技術(shù)也孕育而生。目前市場(chǎng)上零排的主流工藝還是以長流程的“預(yù)處理模塊+濃縮模塊+結(jié)晶模塊”為主，同時(shí)也有短流程的“預(yù)處理+煙道蒸發(fā)或旁路旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)”工藝?！邦A(yù)處理+煙道蒸發(fā)或旁路旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)”工藝雖然流程短，但會(huì)不同程度地影響發(fā)電機(jī)組的效率和增加后續(xù)煙氣處理的負(fù)擔(dān)。比如煙道蒸發(fā)受鍋爐負(fù)荷影響明顯，簡單蒸發(fā)不徹底，造成煙道結(jié)垢、堵塞影響機(jī)組平安，存在煙道腐蝕和積灰等現(xiàn)象；旋轉(zhuǎn)噴霧蒸發(fā)要求發(fā)電鍋爐機(jī)組負(fù)荷在60%以上，造成煙氣的水分增加，影響電袋除塵器、飛灰成分，降低鍋爐效率，使供電煤耗增加；短流程零排工藝需要對(duì)煙道進(jìn)行改造。“預(yù)處理模塊+濃縮模塊+結(jié)晶模塊”工藝雖然流程長，在濃縮模塊和結(jié)晶模塊需要預(yù)防結(jié)垢問題，但基本不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組造成影響及進(jìn)行煙道改造，是獨(dú)立于發(fā)電機(jī)組的處理工藝，不會(huì)影響發(fā)電效率和煙氣處理等工藝。采納哪種零排工藝，不能一概而論，需要依據(jù)不同電廠自身的特點(diǎn)和脫硫廢水的水質(zhì)進(jìn)行可行性驗(yàn)證來選擇合適的脫硫廢水零排工藝。但是不論采納哪種工藝，在蒸發(fā)固化之前都可以對(duì)脫硫廢水進(jìn)行濃縮減量，從而通過削減結(jié)晶和霧化量來降低蒸發(fā)設(shè)備的投資和運(yùn)行成本。目前市場(chǎng)上消失的濃縮減量工藝有反滲透、高壓反滲透（碟盤式和卷式）、電滲析、多效蒸發(fā)、正滲透、機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)等，不同濃縮工藝都有各自的濃縮極限和優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)見表1。表1中TDS（TotalDissolvedSolids）表示總?cè)芙夤腆w。還有一種濃縮工藝就是膜蒸餾，在大多數(shù)文章中報(bào)道了膜蒸餾技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如由于膜是超疏水材料，所以不易被污染；操作壓力低、預(yù)處理簡潔；脫鹽率高，產(chǎn)水品質(zhì)高，可直接回用；濃縮極限濃度可至飽和態(tài)等。同時(shí)也指出膜蒸餾存在的問題，比如能量利用率低、膜通量小和膜污染與膜潤濕等問題，對(duì)膜蒸餾工程化應(yīng)用的報(bào)道也極少。本文將對(duì)已經(jīng)工程化的膜蒸餾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和在脫硫廢水零排工藝中的合理性應(yīng)用做具體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261517480033.jpg”alt=“1.jpg”width=“678”height=“363”/2膜蒸餾技術(shù)膜蒸餾技術(shù)是20世紀(jì)60年月消失的分別技術(shù)，采納疏水微孔膜把液態(tài)和氣態(tài)兩相隔離開，以膜兩側(cè)由溫度引起的飽和蒸汽壓力差作為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力，只要膜兩側(cè)有溫度差，此分別過程就可持續(xù)進(jìn)行。膜蒸餾技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（見表2），所以始終受到廣泛關(guān)注。常見的膜蒸餾過程有直接接觸式膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾、減壓膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾等，膜組件類型有板式、中空纖維式、管式及卷式。但目前市場(chǎng)上已經(jīng)通過大量中試并已勝利工業(yè)化應(yīng)用的膜蒸餾技術(shù)是板式真空多效膜蒸餾技術(shù)。3膜蒸餾技術(shù)的工程化目前市場(chǎng)上消失的膜蒸餾工藝中使用的膜組件有中空纖維式、卷式和板式，加拿大KMX的中空纖維式膜蒸餾工藝和德國Solarspring的卷式膜蒸餾工藝在國外有少量應(yīng)用報(bào)道，但都處于中試階段；板式膜蒸餾工藝近期在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)廢酸、氯化銨廢液、酸洗廢水資源化、含鹽廢水零排等，取得了顯著效果。板式膜蒸餾模塊以多片聚丙烯框架為主體，內(nèi)嵌聚四氟乙烯（PTFE）微孔疏水膜和聚丙烯（PP）冷凝片形成單個(gè)模塊，單個(gè)模塊通過并聯(lián)提高處理量；通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多效模式來提高回收率和熱循環(huán)效率，如圖1所示，第1效濃鹽水在被外部熱源加熱到80℃左右之后在PTFE膜片表面蒸發(fā)，蒸發(fā)的蒸汽透過疏水膜進(jìn)入產(chǎn)水通道，在PP冷凝片表面被來自第1效因蒸發(fā)而降溫的濃鹽水冷凝形成蒸餾水；汲取蒸汽潛熱的濃鹽水同時(shí)在第2效膜表面連續(xù)蒸發(fā)，以此類推，最終1效蒸發(fā)的蒸汽被外部冷卻水冷凝，蒸餾水通過內(nèi)流道匯合流出。模塊不論并聯(lián)還是串聯(lián)都是通過無管道連接實(shí)現(xiàn)，因而降低了熱損失。板式真空膜蒸餾流程如圖1所示。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261517487617.jpg”alt=“2.jpg”width=“700”height=“505”/板式真空膜蒸餾主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）負(fù)壓操作，平安性更高，無泄漏風(fēng)險(xiǎn)；（2）多效，熱循環(huán)，模塊化，內(nèi)流道設(shè)計(jì)，模塊之間無管道連接提高熱利用效率，造水比最高可達(dá)6~8；（3）液體過流部件全部采納耐腐蝕的非金屬材質(zhì)（PP，PTFE），耐酸、耐堿、耐鹽腐蝕、耐氧化；（4）潤濕液回流設(shè)計(jì)降低因膜潤濕引起的膜清洗恢復(fù)頻率；（5）在線清潔和干燥（CIPDIP）設(shè)計(jì)可以在線恢復(fù)污染或潤濕的膜；（6）此設(shè)備為撬裝設(shè)計(jì)，基本不需要配套土建，可節(jié)約空間和大量土建費(fèi)用。板式真空膜蒸餾在含鹽含鉻廢水零排領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用如圖2所示。此應(yīng)用是目前為止世界上處理量最大的膜蒸餾零排應(yīng)用，膜蒸餾處理量為288t/d，可提升至420t/d；進(jìn)水一次過膜濃縮達(dá)50%回收率，產(chǎn)水電導(dǎo)率為100~150μS/cm，可直接回用，噸水電耗為4.8kW·h，濃縮液進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶工藝段。每噸產(chǎn)水所需要的外部熱量消耗折合成蒸汽用量為0.20~0.23t，相當(dāng)于五效金屬蒸發(fā)設(shè)備的噸水耗汽量，但電耗要比五效金屬蒸發(fā)設(shè)備低一半以上。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261517487167.jpg”alt=“3.jpg”width=“442”height=“717”/4膜蒸餾技術(shù)在脫硫廢水零排處理工藝中的合理化應(yīng)用分析燃煤火電廠脫硫廢水由于成分簡單、含氯根高、pH值較低，對(duì)管道和設(shè)備有腐蝕性等特點(diǎn)，其零排處理始終是行業(yè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，電廠已建的三聯(lián)箱處理工藝已經(jīng)無法滿意要求，很多電廠都在進(jìn)行升級(jí)改造。公開報(bào)道的脫硫廢水零排工程主要有采納多效蒸發(fā)的廣東河源電廠（以下簡稱河源電廠）、采納機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)的佛山三水恒益火力發(fā)電廠（以下簡稱恒益火電）、采納正滲透為技術(shù)核心的浙江浙能長興發(fā)電有限公司，但在經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性上面臨不同程度的問題。膜蒸餾作為一種新興技術(shù)，具有用于脫硫廢水濃縮減量的潛力：（1）燃煤電廠有大量余熱可用，比如煙氣回收的余熱、低壓乏汽等，都可以用來驅(qū)動(dòng)膜蒸餾從而節(jié)約運(yùn)行成本；（2）膜蒸餾設(shè)備的耐腐蝕和耐氧化性強(qiáng)，可以讓設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；（3）撬裝設(shè)備基本不需要土建。某發(fā)電集團(tuán)下屬公司采納板式膜蒸餾設(shè)備用于脫硫廢水濃縮減量的中試討論，結(jié)果表明脫硫廢水TDS可從40000mg/L濃縮至200000mg/L以上，濃縮液的量少于原液量的1/5，大大降低了蒸發(fā)固化工藝段的蒸發(fā)量，從而削減了蒸發(fā)固化設(shè)備的投資和運(yùn)行成本。膜蒸餾技術(shù)可以與現(xiàn)有濃縮和終端處理技術(shù)耦合集成使用，從經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性上完善和提高脫硫廢水零排工藝路線。4.1含鹽量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）低于3%的脫硫廢水含鹽量低于3%的脫硫廢水，在用膜蒸餾濃縮減量前可以用反滲透工藝進(jìn)行預(yù)濃縮，把鹽濃度提高至5%~6%，這樣可以整體降低投資成本和運(yùn)行成本，零排處理方案如圖3所示，圖中MVR表示機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)。經(jīng)過預(yù)處理的脫硫廢水先用反滲透提濃至5%左右，反滲透產(chǎn)水回用，反滲透濃水進(jìn)入膜蒸餾提濃至20%以上，膜蒸餾產(chǎn)水回用，濃縮液進(jìn)入結(jié)晶或霧化工藝段進(jìn)行終端處理。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261517483005.jpg”alt=“4.jpg”width=“434”height=“237”/4.2含鹽量介于3%～6%的脫硫廢水含鹽量介于3%～6%的脫硫廢水可采納高壓反滲透工藝進(jìn)行預(yù)濃縮，把鹽濃度提高至8%左右，然后再接膜蒸餾和終端蒸發(fā)工藝。處理方案如圖4所示。4.3含鹽量高于6%的脫硫廢水含鹽量高于6%的脫硫廢水可直接采納膜蒸餾進(jìn)行濃縮，提濃至20%以上，濃縮液進(jìn)入終端處理工藝段。處理方案如圖5所示。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261517487418.jpg”alt=“5.jpg”width=“434”height=“478”/5技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析在經(jīng)過膜蒸餾的濃縮減量之后，進(jìn)入結(jié)晶或噴霧干燥終端處理的濃縮液的量大大降低，那么終端處理設(shè)備的投資和運(yùn)行成本也會(huì)隨之降低。以某發(fā)電集團(tuán)下屬一燃煤電廠的8t/h脫硫廢水為例，采納綜合初步經(jīng)濟(jì)分析與設(shè)計(jì)法（integratedPreliminaryEconomicAnalysisandDesign，iPEAD）[7]進(jìn)行初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。各工藝段計(jì)算所用參數(shù)見表3，用于技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算的設(shè)備投資價(jià)格和運(yùn)行成本見表4。由于缺乏針對(duì)脫硫廢水的耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備精確?????的成套投資價(jià)格，所以本文依據(jù)耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備國內(nèi)外市場(chǎng)均價(jià)[8-9]及參考已建電廠以蒸發(fā)結(jié)晶為主工藝的脫硫廢水零排工程的設(shè)備投資（見表5，表中：MED為多效蒸發(fā)；MVC為機(jī)械式蒸汽壓縮）來估算用于此經(jīng)濟(jì)分析中的耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備的投資價(jià)格，此價(jià)格僅供參考，實(shí)際價(jià)格可能會(huì)高于此估算價(jià)格。由于脫硫廢水初始含鹽量已達(dá)6%，并且氯根含量高于2%，所以采納不同的蒸發(fā)+結(jié)晶或噴霧干燥的零排工藝進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見表6。從計(jì)算結(jié)果可以看出，假如終端處理采納旋轉(zhuǎn)噴霧干燥，“預(yù)處理+膜蒸餾+噴霧干燥”的零排工藝比其他3個(gè)工藝路線（“旋轉(zhuǎn)噴霧干燥”“預(yù)處理+4效蒸發(fā)+噴霧干燥”“預(yù)處理+MVR蒸發(fā)+噴霧干燥”）從設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本上有不同程度的降低，最少可節(jié)約240多萬元的投資成本和每年90多萬元的運(yùn)行成本；當(dāng)終端處理采納結(jié)晶器，“預(yù)處理+膜蒸餾+MVR結(jié)晶器”的零排工藝與其他2個(gè)工藝路線（“預(yù)處理+4效蒸發(fā)+MVR結(jié)晶器”“預(yù)處理+MVR蒸發(fā)+MVR結(jié)晶器”）相比，設(shè)備投資成本至少節(jié)約230多萬元，運(yùn)行成本1年至少可節(jié)約90多萬元。因此采納有膜蒸餾的工藝路線可以節(jié)約總成本，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261517480956.jpg”alt=“6.jpg”width=“392”height=“316”/雖然電滲析技術(shù)也可作為濃縮減量的手段，但其脫鹽率低，單級(jí)只有45%~90%，產(chǎn)水TDS高，需要疊加多級(jí)膜堆或與反滲透耦合才能提高脫鹽率和降低產(chǎn)水TDS，設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本會(huì)隨脫鹽率的提高而線性增加，并且造成管路和安裝簡單，維護(hù)成本提高。據(jù)加拿大SaltworksTechnologies公司報(bào)道，采納電滲析把2%含鹽廢水濃縮至15%，并且產(chǎn)水TDS要低于1000mg/L的話，設(shè)備噸水造價(jià)達(dá)到150萬元以上，高于膜蒸餾的噸水造價(jià)，并且產(chǎn)水TDS是膜蒸餾產(chǎn)水的10倍。近期有報(bào)道某電廠采納電滲析進(jìn)行濃縮減量中試，但目前無法得到具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，所以電滲析暫且沒有包括在此經(jīng)濟(jì)分析的濃縮技術(shù)工藝中。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261517486076.jpg”alt=““width=“401”height=“271”/<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009261517486620.jpg”alt=““width=“682”height=“386”/6結(jié)論（1）從膜蒸餾的技術(shù)特點(diǎn)