中水作为水源的超临界电厂水处理的工程实践

孙 霞，羊智成，王龙胜*，林木松

(1.湖北工业大学 材料与化学工程学院，湖北 武汉 430068；2.华能应城热电有限责任公司，湖北 孝感 432406；3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

电能是当今人类生产生活、工业生产所不可或缺的能源动力。尽管目前有核能发电、风力发电、太阳能发电、水力发电、天然气发电、潮汐发电等多种发电方式，但是燃煤火力发电在当前电力能源结构中仍然占据了很大的比例，2015年我国约有65%的发电装机容量为火电。传统的亚临界小火电机组具有能耗大、效率低、污染严重等诸多缺点。因此具有低排放、效率高、低能耗优点的超临界发电技术得到了迅速发展[1]。

超临界状态是指某流体的温度和压力超过临界温度(Tc)和临界压力(Pc)时所处的状态。水蒸汽作为火力发电的工作介质，提高水蒸汽的温度和压力有助于提高热电转换效率。水的超临界温度为374.14℃，超临界压力为22.115 MPa，工作温度和压力高于水的超临界条件的发电机组均为超临界发电机组。目前亚临界电厂的热电效率可达39%，而超临界电厂的热电效率可达50%，同亚临界电厂长相比，超临界发电大大提高了燃料的利用效率，减少了二氧化碳、PM2.5等污染物的排放，是当前火力发电的发展趋势[2]。我国自1992年引进首台超临界机组以来，在湖北、浙江、江苏、广州、福建等地都建有相应的超临界发电厂，超临界发电机组更是达到了数千余台。超临界电厂在运行中对于水质的要求很高，其含盐量必须低于10 μg/L，否则容易造成炉管超温，爆管等事故，因此超纯水处理工厂是超临界电厂的必需配套设施。

目前超临界电厂大多采用芳香聚酰胺反渗透(RO)膜来脱除水中过量的盐，以达到超临界机组所需供水标准[3]。然而我们电厂设计水源为含盐量较高的市政中水[4]，为弥补中水水量的不足，同时采用了当地一湖泊的湖水作为备用水源，然而该湖水硬度和碱度均偏高，且pH不稳定，时高时低，微生物较多。此外，武汉地区夏天温度很高，平均气温超过35℃的高温桑拿天连续超过两个月，较高的温度也影响了反渗透膜的除盐率。我们发现在进水盐度偏高、硬度偏高、pH不稳定、温度偏高时的复杂条件下，反渗透膜的脱盐率会时高时低，出水不能满足超临界机组的用水要求。因此针对这一系列复杂工程问题，我们在双膜法的基础上，通过引入纳滤膜、阴离子交换树脂、脱气膜工艺、PLC自动加药系统等水净化工艺，使配套水厂的出水品质达到了超临界发电机组的用水要求，确保了超临界发电机组的长期稳定运行。

1 水净化工程简介

该热电厂配套超纯水工厂的补给水源为市政中水，并采用了一附近湖泊的湖水作为备用水源，由于水源的硬度、碱度含量均属中度以上，含盐量(>500 mg/L)，BOD(生物需氧量)(1.85～8.2 mg/L)，COD(化学需氧量)(16～30 mg/L)，Fe3+(0.159～0.344 mg/L)含量均较高。经过水预处理系统后，再经过超滤(UF)装置，纳滤膜，反渗透膜处理净化后，最后经过阴阳混合离子交换器进一步除盐后的水才可供给超临界发电机组，本装置的最大水处理能力为15800 t/d。本流程在双膜法水净化工艺流程的基础上，在反渗透膜和超滤装置之间增加了纳滤膜，以提高反渗透膜的脱盐率和使用寿命。整个水净化工程的主要流程见图1。

图1 超临界电厂超纯水工厂的水处理工艺流程

2 水预处理系统

水预处理工艺主要采用了混凝石灰处理和变孔隙滤池的过滤处理方式，以除去水中的悬浮物胶体，降低水的硬度，同时降低水中COD、BOD的含量，然后用NaClO(次氯酸钠)进行杀菌处理，通过以上工艺可以控制预处理水质，并进入下个工段的水纯化处理。该系统于2014年1月正式投产，一直处于满负荷运行，脱盐率仍能保持98%以上，单套产水量接近设计水量218 t/h。

3 反渗透(RO)系统

反渗透(RO)膜是水脱盐工艺的核心装置，其原理是使用高压水泵将原水加压至6～20 kg压力，使原水在压力作用下渗透通过孔径约为0.0001 μm的反渗透膜。真菌、病毒体、细菌、离子不能通过反渗透膜，随废水排出，反渗透膜只允许尺寸小于0.0001 μm的水分子或溶剂通过[5]。常用的渗透膜为聚酰胺卷式复合膜，该膜的除盐率可达99.5%，由于RO膜的脱盐率容易受到进水pH值、进水盐浓度和水温的影响，因此反渗透(RO)系统对进水的pH值和盐浓度有严格的要求。

3.1 进水pH值

进水pH值对RO膜的脱盐率有较大影响。pH值对水中溶解的二氧化碳有较大影响，pH值较低时，二氧化碳会以气态形式存在，容易透过反渗透膜，脱盐率较低；pH值较高时，气态二氧化碳会转化为HCO3-离子，脱盐率也逐渐上升。但当pH值高于8.5时，脱盐率反而下降，且结垢倾向十分明显。进水pH值在7.5～8.5之间时反渗透膜的脱盐率最高。

新增纳滤一级系统的给水pH值一般在7～7.5，则纳滤系统产水的pH值将会低于7，即此时反渗透给水的pH值低于7，使得反渗透膜脱盐率降低，这与提高脱盐率相矛盾，对此还需进一步精细优化，除了调整二级给水pH值，即用氢氧化钠药剂调节pH值外，另加入了脱气膜工艺。脱气膜工艺是利用了扩散原理，大量中空纤维疏水超滤膜网氨装在脱气膜容器内，疏水超滤膜上的微孔可以通过气体分子，却不能通过水分子。脱气膜运行时，水体在特定压力下从中空纤维内侧切向通过，而水中的二氧化碳等气体在中空纤维外侧真空泵的负压作用下，被不断抽走，从而达到去除水中二氧化碳等各种气体的目的，脱气膜装置的脱气效果可高达99.99%。

为了使得反渗透系统的进水pH值在适当的(7.5～8.5)范围内，我们建立了水质在线pH检测及自动加药系统，根据进水的pH值，通过PLC控制实现自动加碱或加酸，确保进水pH值在7.8～8.3之间[6]。

3.2 进水盐浓度

反渗透膜正反两侧的盐浓度差对反渗透膜的脱盐率有较大影响，进水含盐量越高，浓度差越大，透盐率变大，脱盐率变小。我们在RO反渗透膜系统前加装了用阴离子交换树脂(R-OH)以除去进入反渗透膜水中的SO42-离子和Cl-离子。实践表明，增设离子交换装置在提高了反渗透膜脱盐率的同时，还延长了反渗透后级水处理“阴阳混床”的使用寿命，并降低了总的运行费用。

3.3 进水温度

温度对反渗透膜的脱盐率和膜压降有较大影响。夏季温度较高，进入反渗透膜的水温也高，高温会降低反渗透膜的脱盐率。为解决高温时反渗透(RO)膜脱盐率降低的问题，我们在反渗透膜系统和水预处理系统之间安装了一套耐高温(70℃)的纳滤系统(PRO_NF8040HR)进一步脱盐，通过降低反渗透(RO)装置给水的含盐度来降低反渗透(RO)装置出水的含盐量。

4 纳滤系统

纳滤膜(Nanofiltration Membranes)是拥有l nm左右微孔结构的一种新型分离膜，能截留纳米级(0.001 μm)的物质，可截留有机物的分子量约为200～800 MW，介于超滤膜和反渗透膜之间，对无机盐的截留率在20%～98%[7]。纳滤系统的产水作为反渗透膜系统的给水，纳滤系统的浓水直接排放，但是反渗透系统的产生浓水回流至纳滤系统进水侧，与预处理系统出水混合后构成新增纳滤系统的总给水(图2)。此工艺不仅提高了全系统的水回收利用率，也降低了纳滤系统给水的含盐量。

图2 纳滤系统与反渗透系统工段的水处理工艺流程

系统总水回收率采用以下公式：系统总的回收率 = 总的产水量/总的进水量×100%。

两级系统的进水量为Qr，二级系统回收率为Re2=Qp2/Qf2=Qp2/Qp1，一级系统回收率为Re1=Qp1/Qf1，则两级系统回收率：

其中Re2，Qp2，Qf2，分别为二级系统回收率，产水量，进水量；Re1，Qp1，Qf1分别为一级系统回收率，产水量，进水量；Qc1为一级浓水量，优化后系统回收率可达到85%以上，远高于优化前65%。

5 结论

我们针对湖北某超临界电厂配套水厂所面临的水源为市政中水和地表湖水所带来的含盐量和硬度偏高、微生物较多、BOD和COD较高、夏季高温，且pH值时高时低等一系列复杂工程问题，我们在双膜法水处理工艺的基础上采用了以下措施来优化水处理工艺，保证水厂的出水品质：1)在反渗透系统之前增加纳滤系统和阴离子交换树脂，降低了反渗透系统进水的盐浓度，即使在高温反渗透膜脱盐率降低时，也能保证反渗透系统出水具有较低的含盐量；2)为了使纳滤系统的进水pH值在脱盐率最佳的7.5～8.5之间，我们在纳滤系统前增加了脱气膜工艺，以除去水中的二氧化碳，并利用在线水质pH检测及自动加药系统，控制进水水质的pH值在7.5～8.5之间；3)将反渗透系统所产生的浓水回流至纳滤系统的进水箱，使得水处理系统的水回收率达到85%，降低了系统的运营成本。