大型火電廠化學(xué)水處理技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用探討
摘要：分析國內(nèi)外電廠化學(xué)水處理技術(shù)的主要發(fā)展特點(diǎn)與趨勢(shì)，從水處理工藝、水處理監(jiān)控技術(shù)等方面闡述電廠化學(xué)水處理技術(shù)的最新進(jìn)展與應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：火電廠 化學(xué)水處理技術(shù) 進(jìn)展與應(yīng)用
0 前言
隨著大型火電機(jī)組建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，機(jī)組的參數(shù)與容量不斷提高，電廠化學(xué)水處理也正發(fā)生著深刻的變化。而這種變化的動(dòng)力，主要來源于高參數(shù)大容量機(jī)組對(duì)水質(zhì)的要求和環(huán)境保護(hù)的需要，新的水處理技術(shù)與材料的出現(xiàn)及應(yīng)用又為電廠水處理技術(shù)的發(fā)展提供了可能。另外，在劇烈的電力市場(chǎng)競(jìng)爭中，每個(gè)電廠都面臨著減員增效的壓力，面臨著生產(chǎn)流程優(yōu)化重組的需要。在上述各種因素的作用與影響下，電廠化學(xué)水處理在技術(shù)選用方式、設(shè)備布置、工藝流程、控制監(jiān)測(cè)、運(yùn)行維護(hù)、生產(chǎn)管理等環(huán)節(jié)均發(fā)生深刻的變化。
1 總體發(fā)展特點(diǎn)
電廠化學(xué)水處理在為高參數(shù)、大容量的現(xiàn)代化火電廠的生產(chǎn)服務(wù)過程中，呈現(xiàn)出以下主要發(fā)展趨勢(shì)與特點(diǎn)：
1.1 水處理設(shè)備呈集中化布置的特點(diǎn)
傳統(tǒng)的電廠化學(xué)水處理一般按功能作用設(shè)有：凈水預(yù)處理、鍋爐補(bǔ)給水處理、凝結(jié)水精處理、汽水取樣監(jiān)測(cè)分析、加藥系統(tǒng)、綜合水泵房、循環(huán)水加氯、廢水及污水處理等系統(tǒng)。存在占地面積大，生產(chǎn)崗位分散，管理不便等問題。目前，從優(yōu)化水處理整體流程的需要出發(fā)，設(shè)備布置以緊湊、立體、集中的構(gòu)型取代平面、松散、點(diǎn)狀的構(gòu)型。節(jié)約了占地面積和廠房空間，提高了設(shè)備的綜合利用率，方便了運(yùn)行管理。
1.2 水處理生產(chǎn)呈集中化控制的特點(diǎn)
集中化控制就是把電廠所有化學(xué)水處理的各個(gè)子系統(tǒng)合為一套控制系統(tǒng)，取消傳統(tǒng)的模擬盤，采用PCL和上位機(jī)的2級(jí)控制結(jié)構(gòu)，利用PLC對(duì)各個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，上位機(jī)和PCL之間通過數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行通信。各個(gè)子系統(tǒng)以局域網(wǎng)的總線形式集中聯(lián)接在化學(xué)主控制室上位機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)水處理系統(tǒng)相對(duì)集中的監(jiān)視、操作與自動(dòng)控制。
1.3 水處理方式以環(huán)保和節(jié)能為導(dǎo)向的特點(diǎn)
隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，盡可能減少水處理過程中產(chǎn)生的各類污染，不用或少用化學(xué)藥品已成為必然的選擇。“綠色水處理”的概念也逐漸深入人心。如鍋爐水處理正朝著“少排污、零排污”，“少清洗、零清洗”的方面發(fā)展。
隨著水資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深化，作為耗水大戶，合理地利用水資源，提高水的重復(fù)利用率已成為電廠水處理工作的緊迫任務(wù)。依靠科技進(jìn)步與管理制度，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)使用、循序使用（串級(jí)使用）和水的回收使用尤為重要。廢水的“零排放”已在部分電廠得到實(shí)現(xiàn)，即只能從水體取水而不向水體或周圍環(huán)境排放任何廢水。
1.4 水處理工藝呈現(xiàn)多元化的特點(diǎn)
傳統(tǒng)的電廠水處理工藝中，主要以混凝過濾、離子交換、磷酸酸處理為主要特征。如今，電廠水處理技術(shù)出現(xiàn)了多元化的特點(diǎn)。隨著化工材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，膜處理技術(shù)（包括微濾、超濾、反滲透、納濾等）開始廣泛應(yīng)用于水質(zhì)處理中，離子交換樹脂的種類、使用條件與范圍也有較大的進(jìn)展，粉末樹脂在凝結(jié)水處理中發(fā)揮著積極的作用。
1.5 檢測(cè)方法方式日趨科學(xué)化的特點(diǎn)
化學(xué)檢測(cè)與診斷技術(shù)進(jìn)一步得到發(fā)展與應(yīng)用，檢測(cè)與診斷的方法方式日趨科學(xué)化。在觀念上，化學(xué)診斷實(shí)現(xiàn)了從事后分析到事前防范的轉(zhuǎn)變；在手段上，逐步實(shí)現(xiàn)從手工分析到在線診斷的轉(zhuǎn)變；在級(jí)別上，也開始實(shí)現(xiàn)從微量分析到痕量分析的轉(zhuǎn)變。所有的這些轉(zhuǎn)變，為預(yù)防事故的發(fā)生，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。
2 電廠化學(xué)水處理技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用
2.1 水處理工藝技術(shù)
2.1.1 鍋爐補(bǔ)給水處理
傳統(tǒng)的鍋爐補(bǔ)給水預(yù)處理通常采用混凝與過濾處理。國內(nèi)大型火電廠澄清處理設(shè)備多為機(jī)械加速攪拌澄清池，其優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)速度快、操作控制方便、出力大。近年來，變頻技術(shù)不斷地應(yīng)用到混凝處理中去，進(jìn)一步提高了預(yù)處理出水水質(zhì)，減少了人工操作。在濾池的發(fā)展方面，以粒狀材料為濾料的過濾技術(shù)經(jīng)歷了慢濾池、快濾池、多層濾料濾池等發(fā)展階段，在改善預(yù)處理水質(zhì)方面發(fā)揮了一定的作用。但由于粒狀材料的局限性，使過濾設(shè)備的出水水質(zhì)、截污能力和過濾速度均受到較大的限制。目前，以纖維材料代替粒狀材料作為濾元的新型過濾設(shè)備不斷地出現(xiàn)，纖維過濾材料因尺寸小、表面積大及其材質(zhì)柔軟的特性，具有很強(qiáng)的界面吸附、截污及水流調(diào)節(jié)能力。代表性的產(chǎn)品有纖維球過濾器、膠囊擠壓式纖維過濾器、壓力板式纖維過濾器等。
在鍋爐補(bǔ)給水預(yù)脫鹽處理技術(shù)方面，反滲透技術(shù)（簡稱RO）的發(fā)展已成為一個(gè)亮點(diǎn)，電力行業(yè)最早使用反滲透技術(shù)的是天津軍糧城電廠，隨后在鄭州熱電、彰化電廠、招遠(yuǎn)電廠、彭城電廠、寶鋼電廠、石洞口電廠等得到了應(yīng)用。反滲透最大的特點(diǎn)是不受原水水質(zhì)變化的影響。如上海地區(qū)的濱海電廠，枯水期時(shí)適逢海水倒灌，長江水的氯根有時(shí)高達(dá)3500mg/L，黃浦江水的含鹽量也會(huì)劇增到2000mg/L，單純采用離子交換的除鹽設(shè)備已無法適應(yīng)這樣的惡劣水質(zhì)。另外，反滲透具有很強(qiáng)的除有機(jī)物和除硅能力，COD的脫除率可達(dá)83%，滿足了大機(jī)組對(duì)有機(jī)物和硅含量要求嚴(yán)格的需要。最后，反滲透由于除去了水中的大部分離子（一般為90%左右），減輕了下一道工序中離子交換系統(tǒng)的除鹽負(fù)擔(dān)，從而減少酸、堿廢液排放量，降低了排放廢水的含鹽量，提高了電廠經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
在鍋爐補(bǔ)給水除鹽處理方面，混床仍發(fā)揮著不可替代的作用，而混床本身的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：環(huán)保與節(jié)能。填充床電滲析器（電除鹽）CDI（EDI）是將電滲析和離子交換除鹽技術(shù)組合在一起的精脫鹽工藝，樹脂的再生是由通過H2O電離的H+和OH-完成，即在直流電場(chǎng)中電離出來的H+和OH-直接充當(dāng)樹脂的再生劑，不需再消耗酸、堿藥劑。同時(shí)，該裝置對(duì)弱電離子，如SO2、CO2的去除能力也較強(qiáng)。CDI在水處理工藝中在國外的應(yīng)用較多。1991年，美國的Grand Gulf核電站安裝了首臺(tái)電除鹽設(shè)備。美國德州熱電廠補(bǔ)給水系統(tǒng)采用RO+EDI處理系統(tǒng)，生水經(jīng)RO處理后的電導(dǎo)率為5~20μS/cm，再經(jīng)EDI處理后電導(dǎo)率小于0.1μS/cm。
纖維過濾器、反滲透、電除鹽與離子交換技術(shù)的組合應(yīng)用將是今后鍋爐補(bǔ)給水處理發(fā)展的新趨勢(shì)。
2.1.2 鍋爐給水處理
鍋爐給水目前用氨和聯(lián)氨的揮發(fā)性處理較成熟，但它比較適于新建的機(jī)組，待水質(zhì)穩(wěn)定后可轉(zhuǎn)為中性處理和聯(lián)合處理。加氧處理改變了傳統(tǒng)的除氧器、除氧劑處理，創(chuàng)造氧化還原氣氛，在低溫狀態(tài)下即可生成保護(hù)膜，抑制腐蝕。此法還可以降低給水系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)量，減少藥品用量、延長化學(xué)清洗間隔、降低運(yùn)行成本。氧化性水化學(xué)運(yùn)行方式在歐洲的應(yīng)用較為普及，國內(nèi)基本處于研試階段。必須強(qiáng)調(diào)的是，氧化性水化學(xué)運(yùn)行方式僅適用于高純度的給水，并應(yīng)注意系統(tǒng)材質(zhì)與之的相容性。
2.1.3 鍋爐爐水處理
爐內(nèi)磷酸鹽處理技術(shù)已有70余年的歷史，現(xiàn)在全世界范圍內(nèi)有65%的汽包鍋爐使用過爐水磷酸鹽處理。由于以前的鍋爐參數(shù)較低，水處理工藝落后，爐水中常常出現(xiàn)大量的鈣鎂離子，為防止鍋爐結(jié)垢，不得不向鍋爐中加入大量的磷酸鹽以去除爐水中的硬度，這樣，爐水的pH值就非常高，堿性腐蝕問題顯得特別的突出。在這樣的情況下，協(xié)調(diào)磷酸鹽處理應(yīng)運(yùn)而生，并取得了一定的防腐效果。但隨著鍋爐參數(shù)不斷的提高，磷酸鹽的“隱蔽”現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，由此引起的酸性腐蝕也越來越多。而在另一方面，高參數(shù)機(jī)組的鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)已全部采用二級(jí)除鹽，凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)有精處理裝置。這樣，爐水中基本沒有硬度成份，磷酸鹽處理的主要作用也從除硬度轉(zhuǎn)為調(diào)整pH值防腐。因此，近十年來，人們又提出低磷酸鹽處理與平衡磷酸鹽處理。低磷酸鹽處理的下限控制在0.3~0.5mg/L，上限一般不超過2~3mg/L。平衡磷酸鹽處理的基本原理是使?fàn)t水磷酸鹽的含量減少到只夠與硬度成份反應(yīng)所需的最低濃度，同時(shí)允許爐水中有小于1mg/L的游離NaOH，以保證爐水的pH值在9.0~9.6的范圍內(nèi)。加拿大Ontario Hydro電站壓力為13.8~17.9MPa鍋爐進(jìn)行平衡磷酸鹽處理的爐水控制指標(biāo)：磷酸根為0.0~2.4mg/L，pH值9.0~9.6，游離NaOH小于1mg/L。山西陽光發(fā)電公司爐水磷酸根濃度范圍0.1~1.0mg/L，期望值為0.2~0.5mg/L。湘潭電廠爐水磷酸根濃度范圍0.1~0.5mg/L，pH值9.0~9.7，當(dāng)爐水pH值小于9.2，則添加微量的NaOH。
2.1.4 凝結(jié)水處理
目前絕大部分300MW及以上的高參數(shù)機(jī)組均設(shè)有凝結(jié)水精處理裝置，并以進(jìn)口為主，其再生系統(tǒng)的主流產(chǎn)品是高塔分離裝置與錐底分離裝置。但真正能實(shí)現(xiàn)長周期氨化運(yùn)行的精處理裝置并不多，僅有廈門嵩嶼電廠等少數(shù)幾家，嵩嶼電廠混床的運(yùn)行周期在100天以上，周期制水量達(dá)50萬噸以上。從環(huán)保與經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)氨化運(yùn)行將是今后精處理系統(tǒng)的發(fā)展方向。另外，在設(shè)備投資、設(shè)備布置與工藝優(yōu)化方面，應(yīng)考慮盡可能多地利用電廠原有的公用系統(tǒng)，如減少樹脂再生用的風(fēng)機(jī)及混床的再循環(huán)泵等，盡可能把系統(tǒng)的程控裝置和再生裝置安裝在鍋爐補(bǔ)給水側(cè)，以利實(shí)現(xiàn)集中化管理。
另一方面，具有過濾與除鹽雙重功能的粉未樹脂（POWDEX）精處理系統(tǒng)也逐步得到應(yīng)用，如福州華能二期、南通華能二期等電廠。但由于粉未樹脂的價(jià)格較高，主要依賴于進(jìn)口，使得粉未樹脂精處理裝置的推廣應(yīng)用受到了一定的限制。
2.1.5 定冷水處理
國外的雙水內(nèi)冷機(jī)組由于水箱采用充氮密閉，并設(shè)有鈀樹脂催化器進(jìn)行除氧，所以多采用中性除氧法。而國產(chǎn)雙水內(nèi)冷機(jī)組大多采用敞口式水箱。水處理技術(shù)工藝主要有：采用除鹽水與凝結(jié)水混合補(bǔ)水的方式或添加少量的堿液來改善pH值，加裝混合離子交換器對(duì)定冷水進(jìn)行處理，還有投加MBT或BTA緩蝕劑來減緩銅腐蝕。從實(shí)踐的效果看，堿性化學(xué)水工況運(yùn)行較為成功，但存在著堿度不易控制與調(diào)整的問題等。最近，山東省的濰坊、威海、十里泉等電廠采用化學(xué)清洗與預(yù)膜工藝處理定冷水，取得了較好的防腐防垢效果。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，不管是預(yù)膜工藝還是直接投加MBT或BTA緩蝕劑及其復(fù)合配方，應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)的潔凈程度。
2.1.6 循環(huán)水處埋
采用閉式循環(huán)冷卻的火電廠，冷卻水的循環(huán)回用和水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)的開發(fā)是水處理工作的重點(diǎn)。發(fā)達(dá)國家循環(huán)水濃縮倍率已達(dá)6~8倍，國內(nèi)大多數(shù)電廠的循環(huán)水濃縮倍率在2~3倍左右，國內(nèi)火電廠應(yīng)在提高循環(huán)水重復(fù)利用效率上下功夫。為避免磷系水處理藥劑對(duì)環(huán)境水體的二次污染，低磷和非磷系配方的高效阻垢分散劑、多元共聚物水處理藥劑逐漸得到應(yīng)用。
采用開式排放冷卻的火電廠，特別是以海水作為冷卻水的濱海電廠，冷卻水一般采用加氯處理，其常見的裝置是美國Captial Control公司的產(chǎn)品。但是，也有部分電廠采用電解海水產(chǎn)生次氯酸鈉作為殺生劑。如漳州后石電廠、北侖港電廠等。
2.1.7 廢水處理
目前，國內(nèi)大型的電廠工業(yè)廢水處理的布置基本套用寶鋼電廠的廢水處理模式，即采用廢水集中匯集，分步處理的方式。一般采用以鼓風(fēng)曝氣氧化、pH調(diào)整、混凝澄清、污泥濃縮處理等為主的工藝。但這種處理方式的缺點(diǎn)是對(duì)水質(zhì)復(fù)雜且變化范圍大的來水的處理難度較大，并影響到廢水的綜合回收利用。近年來，兩相流固液分離技術(shù)逐步得到應(yīng)用，該技術(shù)采用一次加藥混凝、在一個(gè)組合設(shè)施內(nèi)完成絮凝、沉淀、澄清、浮渣刮除和污泥濃縮等工藝過程，使水中的泥沙、懸浮固體物、藻類懸浮物和油在同一設(shè)施內(nèi)分離出來。該處理技術(shù)提高了出水水質(zhì)，降低了處理成本，擴(kuò)大了回用范圍。
2.2 水處理監(jiān)控技術(shù)
2.2.1 控制技術(shù)
水處理控制技術(shù)的發(fā)展以PLC控制為主導(dǎo)，并可以分為三個(gè)層面。
第一個(gè)層面是水處理各個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC+PC控制方式，取消了繼電器或模擬屏控制，直接在CRT上進(jìn)行操作與監(jiān)控。這一硬件體系在除鹽系統(tǒng)與凝結(jié)水精處理系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。目前常用的PLC中有MODICON、AB、SIEMENS、GE、OMRON等產(chǎn)品，工控機(jī)有研華、ICS等名牌，監(jiān)控軟件有INTOUCH、FIX、WINVIEW等流行軟件。程控系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、人機(jī)接口好和自動(dòng)化水平高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)出水質(zhì)量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、藥量的自動(dòng)調(diào)節(jié)、閥門和各類泵與風(fēng)機(jī)的自動(dòng)操作。
第二個(gè)層面是采用集中化控制，把化學(xué)水處理控制系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的控制區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)水處理相對(duì)分散的各個(gè)子系統(tǒng)間的有效控制與緊密聯(lián)接，解決水處理設(shè)備位置分散、運(yùn)行值班崗位多、巡檢工作量大的問題。如蕪湖發(fā)電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)采用上海新華控制工程公司的XDPS—400DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原先位置較為分散、自動(dòng)化程度低的水處理系統(tǒng)的集中控制與監(jiān)測(cè)。
第三個(gè)層面是通過網(wǎng)關(guān)技術(shù)或?qū)Ｓ玫囊蕴W(wǎng)卡與電廠的其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)水處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的共享與交換。
根據(jù)外高橋、北侖港、嵩嶼、嘉興，石洞口二廠等電廠完成的化學(xué)水系統(tǒng)局部程控和相對(duì)集中化控制的效果看，化學(xué)水運(yùn)行工作量大為降低。如外高橋電廠4臺(tái)300MW機(jī)組，目前化學(xué)水處理運(yùn)行僅20余人，較大幅度地減人增效，提高了生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)了電廠的競(jìng)爭力。
2.2.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)
高參數(shù)機(jī)組及部分高壓機(jī)組對(duì)水汽進(jìn)行集中采取與在線分析，在線表計(jì)與微機(jī)相聯(lián)，微機(jī)定期巡測(cè)管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行水汽過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)存案、越限報(bào)警、自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)和管理報(bào)表等化學(xué)監(jiān)測(cè)功能，也可實(shí)現(xiàn)水處理工況的自動(dòng)調(diào)節(jié)、在線事故分析與推斷等化學(xué)人工智能控制和診斷功能，為水質(zhì)運(yùn)行工況的調(diào)整和歷史趨勢(shì)分析以及生產(chǎn)過程中事件和故障的追蹤分析提供了科學(xué)的依據(jù)，避免了報(bào)表數(shù)據(jù)、事件處理受人為因素的影響。增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和水工況調(diào)節(jié)的有效性，也減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
另外，適用于痕量級(jí)分析的在線離子色譜（IC）開始出現(xiàn)，性能優(yōu)良的硅表（如Polymetron 8891）、鈉表（如ORION 1811EL）、氧表（如HoneyWell 7020）、酸度計(jì)（如GLI E33）等在線表計(jì)廣泛地應(yīng)用到連續(xù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中去，保證了分析數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。
參考文獻(xiàn)
1．趙林峰．電廠化學(xué)水處理系統(tǒng)綜合化控制發(fā)展趨勢(shì)．中國電力．2001，34（8）：14~16．
2．于海琴．21世紀(jì)高參數(shù)機(jī)組電廠化學(xué)水處理技術(shù)發(fā)展探討．工業(yè)水處理2002，20（8）：11~14．
3．李元培．火力發(fā)電廠水處理及水質(zhì)控制．北京：中國電力出版社．2000，2．
4．趙玉坤．國內(nèi)反滲透技術(shù)的應(yīng)用概況．工業(yè)水處理．1998，18（4）：71~3．
5．戴云松．火電廠生活污水處理新技術(shù)．電力情報(bào)．2001，3：54~56．
6．沈保中．發(fā)電機(jī)定子冷卻水的水質(zhì)控制與監(jiān)督．華東電力．1999，9：32~34．
7．茅玉林．電站水處理DCS改造．華東電力．2002，5：63~66．
8．宋麗莎．大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)加藥處理技術(shù)的應(yīng)用．熱力發(fā)電．2001，1：60~62．
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
