HERO工艺在电站废水零排放设计的应用徐秀萍

电力经济研究电力经济研究258中国电力教育2010年第30期总第181期HERO工艺在电站废水“零排放”设计的应用徐秀萍葛小玲摘要：越来越多的电站设计要求利用循环水的排污水，甚至要求实现全厂废水“零排放”。本文结合国核电力规划设计研究院某电站废水“零排放”的设计，对高效反渗透（HERO）工艺进行深入的研究，探索一种适合循环水排污水及同类型水质的高回收率的处理工艺，使其能够达到节水减排的目的。关键词：“零排放”；循环水排污水；高效反渗透（HERO）；节水减排作者简介：徐秀萍（1970-），女，山东莱阳人，国核电力规划设计研究院，高级工程师，主要研究方向：火电厂及核电站的水处理设计。（北京100094）近年来，越来越多的电站要求按全厂废水“零排放”设计，一方面为节约水资源，获得良好的用水指标；另一方面是国家越来越注重对环境的保护，在某些特定的区域，不允许电厂设排水口。对于大多数火电厂而言，全厂用水经用水流程及工艺系统优化后的末端废水无非有两种：一是脱硫废水，二是剩余的循环水排污水以及少量的酸碱再生废水。要实现“零排放”，必须对末端废水进行深度处理，选择合理的处理工艺，使得“零排放”做到技术可行，投资合理。HERO是HighEfficientReverseOsmosis的缩写，意为高效反渗透，是近年来新开发出来的膜处理工艺，它的回收率可以达到90%，适用于循环水排污水以及其他高含硅量水的处理。该工艺可用于作为热力蒸发系统前的预浓缩器，也可作为减少进入蒸发器或其他结晶设施前的预浓缩工艺。以下结合国核电力规划设计研究院（以下简称“我院”）某电站废水“零排放”的设计，对高效反渗透（HERO）工艺进行深入的研究，探索一种适合循环水排污水及同类型水质的高回收率的处理工艺，使其能够达到节水减排的目的，并获得良好的经济性。一、HERO（高效反渗透）工艺1.HERO工艺简介HERO工艺一般设计流程：原水→过滤→去除硬度→去除碱度→反渗透膜（高pH条件下）。HERO的预处理工艺应根据化学和现场的实际情况确定，但有一个条件是不变的，这就是RO是在高pH条件下运行的。为使RO能在高pH条件下运行，所有可能引起膜结垢的硬度和其他阳离子成分必须除去。硅在高pH条件下是高度溶解的，不会限制RO的回收率。理论上，经过预处理后，RO的回收率只受溶液渗透压的限制。根据已有的工程实例，HERO工艺可实现90%的回收率，而在大多数循环水排污水的应用上，回收率会更高。2.HERO工艺的优点HERO工艺是将在工业中成功应用的几个水处理工艺综合为单一的水处理工艺，具有能在高回收率和增大的通流速率条件下处理难以处理的水，与常规的RO工艺相比，该工艺具有如下特点。（1）RO膜的防垢是通过预处理除去给水中的硬度及其他结垢性物质来达到的。（2）由于硅的溶解度随pH的升高而增加，所以硅的结垢极限得到明显的提高。已有实例证明，在运行时浓水中硅的浓度可以达到1600mg/L～2000mg/L。相比之下，常规RO的硅浓度极限最大200mg/L左右。（3）生物、有机物粘污可通过高pH控制。高的pH作为生物抑制剂，能够控制生物粘污的产生。在运行的条件下，细菌、病毒、孢子和内毒素等被溶解或皂化，有机物被乳化或被皂化，使其不会粘附在膜上。（4）颗粒粘污的明显降低是由于在高pH条件下表面强度的降低实现的。运行经验指出，高污泥指数（SDI）的水能在无需经常化学清洗条件下运行。（5）允许特殊情况下给水中含有低含量的油和油脂而不影响运行。（6）由于预处理除去了结垢物质，所以HERO不需要投加阻垢剂。（7）HERO工艺在高pH条件下运行，与常规RO为了防止生物粘污所采用的间断高pH清洗运行相似。故HERO不再需要高pH清洗，经常性的化学清洗也大为减少。（8）HERO固有的防垢、防粘污、防堵塞机制，使其能在比常规RO高得多的通流量下运行。较高的通流量意味着可用较少的膜，降低了膜的数量和更换费用。综上所述，HERO并不是一种新型的反渗透膜，而是一种工艺。这种工艺利用普通的淡水（或苦咸水）反渗透膜，通过一系列预处理，使其在高pH值的工况下运行，并且可达到90%以上的回收率。根据系统水源不同，预处理应采用不同工艺。一般采用一级弱酸阳离子交换，当硬碱比不合适时再增加一级钠离子交换。二、某电站HERO工艺在废水“零排放”的设计1.“零排放”设计背景及概况由国核电力规划设计研究院设计的某电站装机容量为DOI编码：10.3969/j.issn.1007-0079.2010.30.116电力经济研究电力经济研究259中国电力教育2010年第30期总第181期2X1250MW，采用长江水二次循环，为避免大量循环水排污水对周围环境产生影响并节约用水，项目建设初期业主要求按“零排放”设计。电站内不同的工业设备和工艺系统用水有不同的水质要求，本工程根据全厂废水的组成、特点以及各用水点的水质、水量要求，采用梯级供水方式，对用水流程及各水处理系统进行了细致的优化。因本工程无脱硫废水，无煤灰系统的冲洗、伴湿用水，故末端废水量比较大，主要包括：循环水、排污水、凝结水精处理酸碱再生废水、除盐水处理系统膜元件定期清洗时少量的排水，通过进行深度处理以达到“零排放”目标。2.“零排放”设计工艺简介“零排放”工程的技术难点在于末端废水的处理消化。要实现全厂废水“零排放”，除尽量回用外，末端的浓水只能采用蒸发/结晶工艺，而蒸发包括自然蒸发和强制蒸馏，自然蒸发与当地气候有关，在此不做论述。由于结晶设备投资昂贵，为尽量减少进入结晶设备的水量，对废水进行预浓缩十分必要。预浓缩工艺也有多种，如：常规RO浓缩工艺、HERO浓缩工艺、蒸馏浓缩工艺等。由表1可以看出：直接将废水进行蒸发结晶，其投资和运行费用都极大；采用预浓缩＋结晶工艺，减少了进结晶器的废水处理量，降低了结晶设备的初投资和运行费用，而且国际上已有成功运行的实例。而HERO预浓缩工艺解决了RO膜结垢和粘污的根本原因，因此能可靠的在90%或更高的回收率下运行，而常规的RO基本上只能在75%或更低的回收率下运行。采用此工艺作为循环水排污水的预浓缩器，能大大减少废水的体积，使得较少量的浓水进入结晶处理单元。综合考虑，本工程末端废水即选择HERO预浓缩+结晶工艺，以实现真正的“零排放”。3.循环水排污水处理工艺本工程循环水经浓缩5倍后，其排污水的碱度～10meq/L左右，有机物含量也很高，而且因循环水系统投加了酸、阻垢剂、稳定剂、杀菌剂等，造成其排污水水质更加复杂。近年来火力发电厂循环水排污水回用处理普遍采用的设计工艺是双膜法，即超滤+普通反渗透，反渗透的水回收率一般在60%左右。经过最近1～2年的运行经验来看，该工艺还存在相当严重的超滤和反渗透膜的污堵，以及膜清洗后出力和出水水质不能达到设计值，运行成本增加等诸多问题。通过综合考虑进水水源、水质等各种因素，循环水排污水处理系统应该选择：石灰/纯碱澄清+高效反渗透（HERO）处理工艺，其工艺流程为：循环水排污水等→石灰/纯碱澄清处理→清水池→高效过滤器→弱酸阳离子交换器→脱碳器→HERO（高效反渗透）→淡水箱→除盐水处理系统↓→循环水补充水系统其中HERO回收率设计为80%，主要是与末端废水处理工艺统筹考虑，其浓水进入末端废水通过三级HERO工艺进一步浓缩。循环水排污水处理系统处理水量1404t/h，其中循环水系统的排污水1376t/h，凝结水精处理系统再生废水～37t/h，除盐水处理系统反渗透膜元件清洗排水～1t/h。石灰处理的排水，经浓缩池浓缩后，上部溢水收集至贮存池，再送回石灰处理的进水；浓缩后的污泥经脱水机脱水后，泥饼外运。过滤器的反洗排水，返回石灰处理的进口。弱酸阳离子交换器再生用水采用末端废水处理三级HERO的浓排水，再生废水直结晶设备入口。HERO的浓排水，排至末端废水处理系统进一步浓缩、结晶。4.末端废水处理工艺循环水排污水处理系统浓排水水量～304t/h，含盐量～20000mg/L。如果直接进结晶设备，投资巨大。为尽量减少结晶处理设备的投资，设计采用三级HERO预浓缩后，再进行蒸发结晶处理。表1“零排放”设计工艺简介工艺项目常规RO浓缩工艺HERO浓缩工艺蒸馏浓缩工艺蒸馏+结晶工艺（组合工艺１）HERO+结晶工艺（组合工艺２）工艺特点该工艺通过混凝澄清去除大部分浊度、胶硅、COD等，澄清后废水进入砂滤器、软化器，再经加酸调节后进入反渗透系统该工艺回收率～35%，仍有～65％的废水排出。由于膜对进水水质的特殊要求，使得预处理系统较为复杂。回收水水质不如馏浓缩法（脱盐率～98%），但系统投资较蒸馏浓缩工艺低该工艺包括三个基本步骤：硬度和悬浮固体的去除、二氧化碳的去除、在高pH条件下进行RO处理该工艺回收率高达90%以上，只有～10％的废水排出。预处理系统较为复杂。回收水水质同常规RO浓缩工艺该工艺先加碱调整进水pH值，再进入蒸发系统。蒸发系统主要分为四个部分：热输入部分，热回收部分、排热部分、附属系统部分该工艺蒸发器回收率30-40%，仍有～60-70％废水排出。系统流程简单，蒸馏回收水水质好，其溶解固形物5mg/L-10mg/L经蒸馏浓缩后的来水→给水箱→回收热交换器→强制循环换热器→闪蒸水箱→压滤机→喷雾干燥机→固体处理该系统回收率较高，除部分干燥损失外，废水基本处理回收，无废液排放经HERO浓缩后的来水→给水箱→回收热交换器→强制循环换热器→闪蒸水箱→压滤机→喷雾干燥机→固体处理该系统回收率较高，除部分干燥损失外，废水基本处理回收，无废液排放设备投资比较约为基准方案的47％，但运行操作、维护量远大于基准方案约为基准方案的52％，但系统回收率远高于基准方案，从而大大减少下级结晶设备的处理量以该工艺投资为基准１计以该组合工艺制水成本为基准１计约为基准组合工艺的40-60%备注：进水水质按火电厂典型的脱硫废水水质计。上述两个组合工艺的设备投资是参考某国外知名“零排放”设计公司的有关工程实例数据，不同的供货商差异较大，仅供参考。电力经济研究电力经济研究260中国电力教育2010年第30期总第181期DOI编码：10.3969/j.issn.1007-0079.2010.30.117包头供电局仅农电系统直属的变电站有62座，供电母线200余条，这些变电站中压母线35kV系统和10kV系统均采用中性点不接地方式运行。随着高压用户的增加，用户进线高压计量柜不断增加，系统内电磁式电压互感器也相应增加，由于系统运行参数发生变化引发的铁磁谐振过电压故障给供电质量带来了一定危害。铁磁谐振过电压故障表现形式不同，损坏程度不一，因此，运行人员不好判断故障原因。一但系统发生铁磁谐振现象，轻则使熔断器熔断、互感器线圈烧毁，重则使变压器和断路器套管发生过电压闪络或崩裂造成严重后果。系统在正常的稳定状态下运行时不会发生振荡，当系统某处发生故障或某种操作过程中使电网参数变化就可能激发铁磁谐振。例如：1999年3月21日、6月17日轻质变先后两次B相接地，A相电压9.2千伏，C相电压9.6千伏，B相电压2.8千伏，引发母线工频谐振，烧坏母线电压互感器，两次的表象基本一致。2009年9月张家营变电站110kV系统用母联开关由Ⅰ母向Ⅱ母出线充电时，Ⅱ母电压互感器的电感和母线开关均压电容及母线对地电容形成谐振，造成A、B两相电压互感器烧坏喷油。与此同时，10kV系统也产生谐振，导致10kV电压互感器一次保险熔断，电压互感器一次绕组烧坏。一、铁磁谐振产生的现象和机理笔者根据多年工作经验将中压系统的铁磁谐振产生原理及现象做如下三个方面的探讨。1.铁磁谐振过电压产生的机理电网系统是由大量的储能元件如：电压互感器、变压器、电抗器、电容器、线路对地电容、断路器的断口电容等等构成的串联或并联电路。其中，产生铁磁谐振过电压的等值电路如图1（a）为最简单的电阻R、电容C和铁芯电感L的串联电路；图1（b）为电路中电压与电流的相量图：设电流为正弦波，并中性点不接地系统中的铁磁谐振过电压探讨刘丽萍摘要：铁磁谐振过电压是一种常见的内部过电压，多发生在中性点不直接接地的配电网中，但在中性点直接接