论火电厂水岛联合布置之EDI的优势

赵 敏,郭志文，陈 永

（内蒙古京能锡林发电有限公司,内蒙古 呼和浩特 026000）

论火电厂水岛联合布置之EDI的优势

赵 敏,郭志文，陈 永

（内蒙古京能锡林发电有限公司,内蒙古 呼和浩特 026000）

近年来,随着国内火电机组的大规模投入使用，对于电厂化学这个行业的技术创新和实践应用起到了不可小觑的推动作用。立足于EDI去离子系统的技术可靠性和经济合理性，阐述了现代大型火电厂水处理系统的工艺和布局的优化可以给管理和运营带来的各方面有益之处。

水岛联合布置；水处理；EDI；水质

1 概况

火力发电厂的水处理分为多个系统，主要由原水预处理、锅炉补给水处理、工业废水处理、脱硫废水处理和凝结水精处理等构成，这些系统除凝结水精处理需要布置在主厂房内，其余系统的布置均比较分散。这些系统本应该是“首尾相连”，集中布置，但实际却布置的互不相干，既增加了投资造价，又影响了生产效率。现代新建火电机组从源头改进，即从设计开始找准最优布置方案，充分考虑投资造价、占地面积、运行可靠和检修的方便性。

京能五间房电厂一期2×660MW超超临界空冷机组工程位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗吉林高勒镇锡林郭勒盟煤田境内，属于大型坑口电厂，拥有良好的建厂条件。设计采用先进的超临界、烟气提水、间接空冷、脱硫、脱硝、高效除尘、废水综合利用等节能环保技术，节煤、节水，为高效、环保、节能型电厂，属特高压外送电源的坑口电站。

2 工艺选择

火电厂水处理的工艺可谓层出不穷，但是被业内普遍认可的也不过两三种，原水预处理系统主要以混凝、澄清、过滤的工艺为主，工业废水处理系统主要以絮凝加斜管、斜板、沉淀为主，而锅炉补给水的处理则多数以超滤反渗透加离子交换除盐或者超滤反渗透加EDI。对于离子交换除盐和EDI的选择一直存在争议，笔者认为传统的离子交换除盐运行稳定，投资成本低，但是操作的复杂性和工艺的危险性增加了人力资源和运行成本，这显然与企业的减员增效政策相违背。EDI技术从20世纪90年代末期在国内开始推广，直至现在从完全进口到部分零部件国产化，系统运行基本可以实现无人值守。下面就京能五间房电厂一期锅炉补给水工艺选择EDI作为除盐设备的理由进行简单分析，选取EDI作为除盐设备需要从技术应用的可靠性和投资价值的合理性两方面去考虑。

2.1 EDI技术的可靠性

所谓的可靠性是指产品在规定条件和时间内完成规定功能的能力。就EDI制水技术而言，我们要求其在特定的条件、环境、时间内为锅炉提供除盐水，为了实现以上目的，要求EDI设备在运行时必须有基本条件支撑，即入口水质满足EDI入口要求、入口水压满足运行要求、EDI设备的供电装置可以稳定运行、废水废气排放系统畅通、系统配套的仪表正常等。

2.1.1 EDI入、出口水质

为了使系统运行稳定且出水水质满足锅炉用水要求，研究几大EDI品牌的技术后得出其进水条件的共性主要看离子负荷类和结垢污染类两类指标。

（1）离子负荷类指标主要由以下几项构成[1,2]：

a.pH值：pH值为7.0～8.5之间的EDI有最佳电阻率性能，但硬度要低于常规值。典型的低pH值进水会由于CO2的存在导致产水质量下降；

b.电导率：最佳电导率在2～10μs/cm之间，最大不能超过50μs/cm。

c.总CO2：不能超过10ppm，建议小于5ppm。因为产水率很大程度上依赖于CO2水平和pH值；

d.硅含量：最大不能超过0.5ppm。

（2）结垢污染类指标主要由以下几项构成：

a.硬度（以CaCO3计）：回收率大于90%时，最大不能超过1.0ppm；

b.金属离子：铁，锰，硫化物等变价金属离子不能超过0.01 ppm；

c.有机物（TOC）：最大不超过0.5ppm；

d.颗粒物：在RO与EDI之间如果有水箱缓冲，需要在EDI入口增加1μm的保安过滤器以保证EDI系统的安全稳定运行；

e.氧化剂：建议不含氧化性物质。

要特别说明的就是离子负荷类指标中的CO2[3]，因为CO2在溶液中表现为弱电解质，所以转化为HCO3-的速度比较慢，即便在进入EDI之前可以全部转化为HCO3-，其透过阴离子膜的速度也不会像其他离子那么快。而结垢污染类指标中的硬度又是决定EDI系统回收率的重要项，过高要求EDI的回收率，会导致浓水室中硬度和碱度的浓缩倍率成倍增长，再加上透过膜的CO2就会形成浓水侧结垢。为了尽量避免过多的CO2进入EDI的浓水侧，我们选择在二级反渗透前添加NaOH,以便快速消除水中CO2。

基于以上两类指标要求，在设计制水系统时将EDI前设置两级RO，最终二级RO的产水水质见下表1[4,5]：

表1 二级RO产水水质Table 1 Two-stage RO water quality of water production

经过两级反渗透处理后的水再进入EDI系统处理，EDI出水水质，见下表2：

表2 EDI产水水质Table 2 EDI water quality of water production

2.1.2 EDI系统稳定运行

影响EDI系统的稳定运行条件包含离子交换膜、供电系统、水流分配系统、树脂的选择等方面。其中离子交换膜、供电系统以及树脂的选择等技术已经被各个厂家所熟练掌握,近些年各厂家对水流分配系统都做了不同的调整，比如流道宽窄问题、浓淡水流向问题、极水分配问题。

混床运行过程中，其内部的树脂分为饱和区，交换区和新生区。饱和区的树脂已经被水中离子交换至饱和状态，不再具有交换水中离子能力；交换区的树脂处于半饱和状态，除盐过程主要在交换区完成；新生区的指树脂未发生离子交换。随着混床的运行，饱和区和交换区将逐步向上移动，新生区的空间将减少，直到被穿透（见图1）。新生区的存在是产水水质的保证，而新生区被穿透的时候，也就意味着混床产水水质将下降，混床树脂需要用酸碱再生恢复其交换能力。

EDI运行过程中，树脂分为交换区和新生区，在运行过程中，虽然树脂不断进行离子交换，但电流连续不断的使树脂再生，从而形成了一种动态平衡；EDI模块内将能始终保持一定空间的新生区（见图1）；这样EDI内的树脂也就不再需要化学药品的再生，且其产水品质也得到了较高的保证。

相比于混床，由于没有化学再生的需要，其系统的水利用率提升到95%～99%，这对于中大型系统、水资源紧缺地区的节水效益尤为明显。

EDI的稳定运行主要体现在出水电阻率的变化率小。混床运行过程为间歇运行过程，混床在运行一段时间后，树脂会被穿透，此时产水电阻率会下降，这时就需要对混床进行停机再生，再生后的混床将能继续提供高品质的产水，直到下一次再生。而EDI运行过程为连续过程，EDI在运行过程中将能持续不断地提供10～18M·cm的产水，且不需要化学药品的再生。二者运行中电阻率变化趋势比较（见图2，图3）。

图1 混床和EDI工作过程Fig.1 Mixed bed and EDI working process

图2 混床运行产水电阻率Fig.2 Mixed bed water resistivity

图3 EDI运行产水电阻率Fig.3 EDI running water resistivity

影响EDI稳定运行的另一个主要因素为浓淡水流向问题，传统的浓淡水均设计为同向流动，而我公司采用浓水室和淡水室的流向为逆流形式。

浓淡水同向顺流作为最初的EDI运行模式，经过多年的运行经验得出结论，当淡水室内的失效层树脂逐渐上移时，透过离子膜的阴阳离子在浓水室被同向水流带出浓水室的同时，也会在其末端有一部分离子再次反向透过离子膜，和淡水室还未工作的树脂层进行交换，这样就导致淡水室内树脂周期制水量要低于设计值，同时也要消耗一定电量去提前再生那部分失效树脂，这样会影响EDI系统的稳定运行（见图4）。

图4 同向顺流EDI工作原理Fig.4 EDI working principle of same downstream

经过优化后的EDI将浓水和淡水流设计为反向逆流模式，即淡水室从下部进水的同时也从浓水室上部进水，这样只要淡水室的树脂交换下来的离子一经透过离子交换膜，马上就会被浓水侧水流带出系统外，且不会经过淡水室上部未发生交换反应的树脂区域。所以淡水室内树脂的周期制水量可达设计值，同时也降低了再生频率，节约电量[6]。经过实践证明，这种反向逆流模式在运行过程中不会引起电流的频繁波动，保证EDI制水的稳定性（见图5）。

图5 反向逆流EDI工作原理Fig.5 EDI working principle of reverse backflow

2.2 投资价值的合理性

传统2×90T/H混床的设备投资约150万元，同等制水能力的EDI投资为200万元左右，但除盐采用混床系统占地方面积约为650m2，而除盐采用EDI系统为100m2，并且EDI系统对厂房高度要求远低于混床的10m以上，仅为3m，由此可见虽然EDI设备的初期投资略高，但综合计算，反而EDI投资要小于混床。

2.2.1 运行费运比较

表3 反向逆流EDI工作原理Table3 EDI working principle of reverse backflow

2.2.2 出水水质比较

表4 混床和EDI出水水质对比Table 4 The comparison of water quality between mixed bed and EDI

通过以上对比可以直观看出选择EDI系统制水，既降低了运行成本，又提高了出水水质，保证甚至超出了锅炉、汽轮机对水质的要求。重要的是杜绝了酸碱污染物的排放，保护了环境。

3 系统布置优化

本工程拟将主厂房外化学水处理系统工艺设施设计成为联合布置，从物理上将各处理车间布置在一起，即将原水预处理、锅炉补给水、工业废水设计为联合体建筑，并对水处理系统的工艺及设备布置进行优化，逐步实现水处理各系统的有机融合。主要体现在以下几个方面：

3.1 药品设施合并

本工程各处理系统所需药剂品种如下表：

由上表可看出，上述系统采用了部分相同的化学药品，如盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠、絮凝剂、氧化性杀菌剂、助凝剂。

本工程拟将上述车间设计成联合布置，因而从布置上就有条件将相同的药品存储设施进行合并。即对公用药品设计成共用的存储设施，计量设施按照各水处理系统的加药需求单独设置。公用药品存储设施配置如下：

盐酸贮罐、氢氧化钠贮罐、次氯酸钠钠贮罐、絮凝剂溶解溶液箱、助凝剂溶解溶液箱。

通过此项优化，大大减少了药品存储设施，节省了投资及占地，化学药品集中贮存，减少了危险源，也方便后续的运行管道工作。

3.2 原水预处理系统优化

本工程原水预处理设备布置与水工专业生产消防蓄水池及生活蓄水池的布置综合考虑。水工的生产消防蓄水池及生活蓄水池布置在地下，原水预处理系统布置在蓄水池上方。澄清设备出水通过重力流入蓄水池，无需提升。

此项优化，充分利用了蓄水池上部的空间，节省了投资及占地。

3.3 污泥脱水系统合并

工业废水处理系统和原水预处理系统的澄清设备在运行过程中均需要排泥。以往的工程，在2个车间单独设置泥浆池、加药系统、脱水机进行分别处理，既增加了投资成本，又增加了运行检修的工作量。

本工程由于具有水岛联合布置的优势，合并两个处理系统的污泥脱水设施。拟在原水预处理区域设置污泥浓缩池1座，污泥浓缩液由污泥输送泵送至脱水机脱水处理，脱水后的泥饼由汽车外运，泥水排至泥浆池。

此项优化，减少了一个系统的污泥脱水机，既节省了投资和占地，又减少了运行和检修的工作量。

3.4 节能降耗

鉴于联合布置的综合布局，缩短了部分工艺系统的连接距离，从工艺上减少了部分连接管道，也达到了节能降耗的效果。

拟设计锅炉补给水处理一级反渗透浓排水和膜反洗以及化学清洗废水通过预留自然坡度的排水沟道分别自流至经常性废水池。

4 结 论

根据我们的实际调研和运行结果表明，采用EDI代替混床有如下几个优点：

1）水质稳定。混床中的树脂总有一个逐步失效的过程，所以它的电导率总是一个逐步变化的曲线，在制水周期内，水质是由合格逐步变为失效，存在判断过早或滞后现象。而EDI制水工艺交换和再生是同步的，其水质非常稳定。

2）离子交换和再生同步，实现了连续生产，无需停机再生，更不必有酸碱储运设备及计量设备等。

3）没有酸碱废液排放，绿色环保，节水节能合理回用全部浓水，极水排放率控制在5%以内，远小于离子交换的10%的污水排放。

4）设备安装维修简单，无需备用设备，任何膜块维修、更换均不会影响其他膜块的运行。

5）操作比混床简单，只需调节整流电源的电压、电流，容易实现全自动控制。

6）水质好，EDI纯水电阻率可以高达16MΩ·cm，更能保证高参数机组的安全运行。

7）设备占地少[7]，厂房高度要求低，混床厂房高度要求10m以上，而EDI厂房高度3m足够，并且占地约为混床的10%左右，土建成本投资比混床少。

8）投资性价比高，虽然EDI设备本身价格比混床价格稍高一点，但若将占地、厂房投资、运行费运计算在内EDI投资反而比混床要少。

本工程结合工艺特点，对电厂部分水处理系统的布置进行优化设计，利用联合布置的布局，减轻了运行人员的劳动量，即化学运行、巡检、检修人员等在一个车间就可以完成化学水处理的大部分工作，并且经过充分调研，将锅炉补给水的工艺确定为超滤反渗透加EDI，实现了精简工艺系统、减少工艺设施、减少运行人员操作量、节省占地、降低能耗等效果。

［1］ 孙国业,曹子友.影响EDI出水水质的因素分析［J］.现代仪器, 2007,4:28～30.

［2］ 张赢.EDI产水水质影响因素的试验及分析［J］.工业用水及废水,2007,38（1）:21～24.

［3］ 李艳萍,周广智.EDI水处理技术及其在电厂中的应用［J］.华北电力技术,2003（2）:35～37.

［4］ 吕宏德,张新欣,张晓明.EDI技术在超纯水制备中的应用［J］.电站系统工程,2006,22（4）:36.

［5］ 赵毅,王娜,孙小军,等.电去离子（EDI）及其在高纯水生产中的应用［J］.华北电力大学学报,2007,34（3）:72～76.

［6］ 刘慧然,魏俊富,管山,等.离子交换纤维EDI技术制备超纯水的研究［J］.天津工业大学学报,2011，30（2）:19～22.

［7］ 王磊.化水系统EDI工艺与混床工艺的比较及应用［J］.山东电力技术,2007,6（158）:60～62.

Study on the EDI Advantage in the Water Island Combined Layout of Heat-engine Plant

ZHAO Min,GUO Zhi-wen and CHEN Yong
（Neimenggu Nengxilin Power Generation Co.Ltd.,Hohhot 026000,China）

In recent years,with a large-scale use of domestic thermal power units,the power plant chemical industry technology innovation and practical application were promoted.Based on the deionization EDI system reliability and economic rationality,the benefits of the management and operation which brought by the process and layout of modern large-scale thermal power plant water treatment system were elaborated.

Water island combined layout;water treatment;EDI;water quality

TQ085.6

B

1001-0017（2016）06-0464-05

2016-07-13

赵敏（1982-），男，内蒙古人，工程师，研究方向：工业废水和原水预处理。