摘 要：膜蒸餾作為一項新興技術(shù)，具有耐腐蝕、耐氧化和運行成本低等特點，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)域成功實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。通過對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 8 t/h 某燃煤電廠脫硫廢水處理為例，對7種脫硫廢水零排工藝組合進行了技術(shù)經(jīng)濟分析，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，膜蒸餾參與的零排工藝可以在設(shè)備投資和運行成本上為電廠節(jié)省可觀的資金。

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 研究背景

火電廠作為用水、排水大戶，用水占工業(yè)總量的 20%，實現(xiàn)火電廠廢水“零排放”或“近零排放”意義重大，尤其在嚴(yán)重缺水的地區(qū)。廢水零排放可以提高火電廠用水的復(fù)用率，節(jié)約發(fā)電用水，降低環(huán)境污染，是“保護生態(tài)環(huán)境就是保護生產(chǎn)力，改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力”的有力執(zhí)行。2015 年國務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》也明確對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)成熟的工藝輕易實施各種層次的梯級應(yīng)用，但是脫硫廢水由于鹽濃度高、成分復(fù)雜、腐蝕性強，如何對其實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。“預(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，但會不同程度地影響發(fā)電機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，容易蒸發(fā)不徹底，造成煙道結(jié)垢、堵塞影響機組安全，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煙道進行改造。“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，但基本不會對發(fā)電機組造成影響及進行煙道改造，是獨立于發(fā)電機組的處理工藝，不會影響發(fā)電效率和煙氣處理等工藝。采用哪種零排工藝，不能一概而論，需要根據(jù)不同電廠自身的特點和脫硫廢水的水質(zhì)進行可行性驗證來選擇合適的脫硫廢水零排工藝。但是不論采用哪種工藝，在蒸發(fā)固化之前都可以對脫硫廢水進行濃縮減量，從而通過減少結(jié)晶和霧化量來降低蒸發(fā)設(shè)備的投資和運行成本。

目前市場上出現(xiàn)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，具體見表1。表1中TDS（Total Dissolved Solids）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)文章中報道了膜蒸餾技術(shù)獨特的優(yōu)點，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)處理簡單；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，對膜蒸餾工程化應(yīng)用的報道也極少。本文將對已經(jīng)工程化的膜蒸餾技術(shù)的優(yōu)點和在脫硫廢水零排工藝中的合理性應(yīng)用做詳細的技術(shù)經(jīng)濟分析。

2 膜蒸餾技術(shù)

膜蒸餾技術(shù)是 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的分離技術(shù)，采用疏水微孔膜把液態(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)動力，只要膜兩側(cè)有溫度差，此分離過程就可持續(xù)進行。膜蒸餾技術(shù)具有其獨特的優(yōu)勢（見表 2），所以一直受到廣泛關(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。但目前市場上已經(jīng)通過大量中試并已成功工業(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

目前市場上出現(xiàn)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)用報道，但都處于中試階段；板式膜蒸餾工藝近期在國內(nèi)實現(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）冷凝片形成單個模塊，單個模塊通過并聯(lián)提高處理量；通過串聯(lián)實現(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；吸收蒸汽潛熱的濃鹽水同時在第 2效膜表面繼續(xù)蒸發(fā)，以此類推，最后 1 效蒸發(fā)的蒸汽被外部冷卻水冷凝，蒸餾水通過內(nèi)流道匯集流出。模塊不論并聯(lián)還是串聯(lián)都是通過無管道連接實現(xiàn)，因而降低了熱損失。板式真空膜蒸餾流程如圖1所示。

板式真空膜蒸餾主要有以下幾點優(yōu)勢：

（1）負(fù)壓操作，安全性更高，無泄漏風(fēng)險；

（2）多效，熱循環(huán)，模塊化，內(nèi)流道設(shè)計，模塊之間無管道連接提高熱利用效率，造水比最高可達6~8；

（3）液體過流部件全部采用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（CIP & DIP）設(shè)計可以在線恢復(fù)污染或潤濕的膜；

（6）此設(shè)備為撬裝設(shè)計，基本不需要配套土建，可節(jié)省空間和大量土建費用。

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 288 t/d，可提升至 420t/d；進水一次過膜濃縮達 50% 回收率，產(chǎn)水電導(dǎo)率為 100~150 µS/cm，可直接回用 ，噸水電耗為 4. 8kW·h，濃縮液進入蒸發(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. 23 t，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。

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復(fù)雜、含氯根高、pH值較低，對管道和設(shè)備有腐蝕性等特點，其零排處理一直是行業(yè)的熱點和難點問題，電廠已建的三聯(lián)箱處理工藝已經(jīng)無法滿足要求，許多電廠都在進行升級改造。公開報道的脫硫廢水零排工程主要有采用多效蒸發(fā)的廣東河源電廠（以下簡稱河源電廠）、采用機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)的佛山三水恒益火力發(fā)電廠（以下簡稱恒益火電）、采用正滲透為技術(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)動膜蒸餾從而節(jié)省運行成本；（2）膜蒸餾設(shè)備的耐腐蝕和耐氧化性強，可以讓設(shè)備穩(wěn)定運行；（3）撬裝設(shè)備基本不需要土建。某發(fā)電集團下屬公司采用板式膜蒸餾設(shè)備用于脫硫廢水濃縮減量的中試研究，結(jié)果表明脫硫廢水 TDS 可從 40 000 mg/L 濃縮至200 000 mg/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，從而減少了蒸發(fā)固化設(shè)備的投資和運行成本。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行成本，零排處理方案如圖 3 所示，圖中 MVR 表示機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，反滲透濃水進入膜蒸餾提濃至 20% 以上，膜蒸餾產(chǎn)水回用，濃縮液進入結(jié)晶或霧化工藝段進行終端處理。

4. 2 含鹽量介于 3%～6%的脫硫廢水

含鹽量介于 3%～6%的脫硫廢水可采用高壓反滲透工藝進行預(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用膜蒸餾進行濃縮，提濃至 20% 以上，濃縮液進入終端處理工藝段。處理方案如圖 5所示。

5 技術(shù)經(jīng)濟分析

在經(jīng)過膜蒸餾的濃縮減量之后，進入結(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)備的投資和運行成本也會隨之降低。以某發(fā)電集團下屬一燃煤電廠的 8 t/h 脫硫廢水為例，采用 綜 合 初 步 經(jīng) 濟 分 析 與 設(shè) 計 法（integratedPreliminary Economic Analysis and Design，iPEAD）［7］進行初步技術(shù)經(jīng)濟分析。各工藝段計算所用參數(shù)見表 3，用于技術(shù)經(jīng)濟分析計算的設(shè)備投資價格和運行成本見表 4。由于缺乏針對脫硫廢水的耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備準(zhǔn)確的成套投資價格，所以本文根據(jù)耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備國內(nèi)外市場均價［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為機械式蒸汽壓縮）來估算用于此經(jīng)濟分析中的耐腐蝕金屬蒸發(fā)設(shè)備的投資價格，此價格僅供參考，實際價格可能會高于此估算價格。由于脫硫廢水初始含鹽量已達 6%，并且氯根含量高于 2%，所以采用不同的蒸發(fā)+結(jié)晶或噴霧干燥的零排工藝進行對比，計算結(jié)果見表 6。

從計算結(jié)果可以看出，如果終端處理采用旋轉(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)備投資成本和運行成本上有不同程度的降低，最少可節(jié)省 240 多萬元的投資成本和每年 90 多萬元的運行成本；當(dāng)終端處理采用結(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)省230 多萬元，運行成本 1 年至少可節(jié)省 90 多萬元。因此采用有膜蒸餾的工藝路線可以節(jié)省總成本，在經(jīng)濟上是可行的。

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，單級只有 45%~90%，產(chǎn)水 TDS高，需要疊加多級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)備投資成本和運行成本會隨脫鹽率的提高而線性增加，并且造成管路和安裝復(fù)雜，維護成本提高。據(jù)加拿大 Saltworks Technologies 公司報道，采用電滲析把 2% 含鹽廢水濃縮至 15%，并且產(chǎn)水 TDS 要低于 1 000 mg/L 的話，設(shè)備噸水造價達到 150萬元以上，高于膜蒸餾的噸水造價，并且產(chǎn)水 TDS 是膜蒸餾產(chǎn)水的 10 倍。近期有報道某電廠采用電滲析進行濃縮減量中試，但目前無法得到詳細的數(shù)據(jù)進行經(jīng)濟比較，所以電滲析暫且沒有包括在此經(jīng)濟分析的濃縮技術(shù)工藝中。

6 結(jié)論

（1）從膜蒸餾的技術(shù)特點、膜蒸餾工藝在脫硫廢水濃縮減量的中試研究結(jié)果以及板式膜蒸餾工藝成功的工業(yè)化應(yīng)用看，膜蒸餾工藝完全適用于燃煤電廠脫硫廢水的零排工藝路線。

（2）以某發(fā)電集團下屬一燃煤電廠的脫硫廢水為例，通過對多種零排工藝路線的技術(shù)經(jīng)濟分析可以看出，膜蒸餾技術(shù)參與脫硫廢水零排工藝路線可以為電廠節(jié)省可觀的投資與運行成本，也符合節(jié)能減排大方向。

（3）由于脫硫廢水成分復(fù)雜，不同電廠的脫硫廢水成分和濃度都不同，所以膜蒸餾工藝在不同電廠脫硫廢水零排工藝中的合理化應(yīng)用還需要根據(jù)具體水質(zhì)具體分析，根據(jù)水質(zhì)和現(xiàn)場條件做相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，使膜蒸餾工藝在脫硫廢水零排工藝中得到最優(yōu)化應(yīng)用。

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