基于膜蒸馏技术的脱硫废水零排放分盐工艺研究_吴文景.pdf

基于膜蒸馏技术的脱硫废水零排放分盐工艺研究吴文景1,李宏岩2,杨连福2,梁柏龙2,贾建超2,张 楠1(1.国家电投集团电站运营技术(北京)有限公司,北京 1 0 2 2 0 9;2.吉林电力股份有限公司长春热电分公司,长春 1 3 0 6 0 7)摘 要:为实现废水深度处理,在已有膜蒸馏技术中试研究成果基础上,提出了“管式微滤纳滤膜蒸馏机械蒸汽再压缩“分盐处理工艺,N a C l结晶盐纯度可达9 7%以上,产水电导率不高于1 0 0S/c m。经测算,初投资成本为45 5 5万元,每吨废水处理净成本为3 4.1 7元,年运行净成本为5 1 2.5 5万元,在分盐工艺中具有明显优势。最后指出可围绕预处理、热源选取、废水浓缩倍率确定和适用水质范围等方面,开展进一步试验验证和工艺优化研究。关键词:膜蒸馏;纳滤;脱硫废水零排放;分盐工艺中图分类号:X 7 0 3 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 9-5 3 0 6(2 0 2 3)0 1-0 0 3 9-0 4S t u d yo nZ e r oD i s c h a r g eS a l t S e p a r a t i o nT r e a t m e n tT e c h n o l o g yo fD e s u l f u r i z a t i o nW a s t e w a t e rB a s e do nM e m b r a n eD i s t i l l a t i o nT e c h n o l o g yWU W e n j i n g1,L IH o n g y a n2,YAN GL i a n f u2,L I ANGB a i l o n g2,J I AJ i a n c h a o2,Z HAN GN a n1(1.S P I CP o w e rP l a n tO p e r a t i o nT e c h n o l o g yB e i j i n gc o m p a n y l i m i t e d,B e i j i n g1 0 2 2 0 9,C h i n a;2.J i l i nE l e c t r i cP o w e rC o m p a n yL i m i t e dC h a n g c h u nS o u t h e a s tT h e r m a lP o w e rB r a n c h,C h a n g c h u n1 3 0 6 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t or e a l i z et h ea d u a n c e dt r e a t m e n to fw a s t e w a t e r,at u b u l a rm i c r o f i l t r a t i o n-n a n o f i l t r a t i o n-m e m b r a n ed i s t i l l a t i o n-m e c h a n i c a l s t e a mr e c o m p r e s s i o ns a l t s e p e r a t i o nt r e a t m e n t t e c h n o l o g yi sr a i s e db a s e do nt h er e s u l t so fm e m b r a n ed i s t i l l a t i o np i l o ts t u d i e s,w h i c hc a nr e a c hap u r i t yo fN a C lc r y s t a l l o i ds a l tt oa b o v e9 7%,a n dac o n d u c t i v i t yo fw a t e rp r o d u c t i o nt ob e l o w1 0 0S/c m.I t i se s t i m a t e d t h a t t h e i n i t i a l i n v e s t m e n t c o s t i s 4 5.5 5m i l l i o ny u a n,t h en e t c o s t p e r t o no fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t i s 3 4.1 7y u a n,a n dt h en e ta n n u a l o p e r a t i n gc o s t i s5.1 2 5 5m i l l i o ny u a n,w h i c hh a so b v i o u sa d v a n t a g e s i nt h es a l ts e p a r a t i o n.F u r t h e rt e s t v a l i d a t i o na n d t e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o na r e e x p e c t e d,w h i c hc a nc e n t e ro np r e t r e a t m e n t,h e a t s o u r c e s e l e c t i o n,w a s t e w a t e r c o n-c e n t r a t i o nr a t i od e t e r m i n a t i o na n dp r a c t i c a b l ew a t e rq u a l i t yr a n g e.K e yw o r d s:m e m b r a n ed i s t i l l a t i o n;n a n o f i l t r a t i o n;z e r od i s c h a r g eo fd e s u l f u r i z a t i o nw a s t e w a t e r;s a l t s e p e r a t i o n收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 6作者简介:吴文景(1 9 9 1),男,工程师,从事火电节能环保技术研究与开发工作。0 引言我国燃煤电厂经过大规模的烟气超低排放改造,基本全部实施了以石灰石-石膏湿法脱硫为主的烟气脱硫工艺。湿法脱硫工艺用水对水质要求较低,且脱硫过程中工艺水会大量吸收烟气中的污染物,因此脱硫废水是厂区内水质最为恶劣一类废水,具有组成复杂、悬浮物含量高、含盐量高等特点1。目前国内燃煤电厂脱硫废水处理普遍采用环保部推荐的化学沉淀法,该方法通过投加药剂将废水中的污染物以沉淀形式去除,使废水满足排放标准,但无法实现废水的深度处理,产水水质和回用价值有限。近十年来,一些电厂以实现脱硫废水零排放为目标,尝试引入海水淡化、食品化工制药等行业常用的分离结晶技术,将脱硫废水处理成清水和浓盐水或结晶盐,进一步实现废水的减量化和资源化,特别是一些分盐工艺的提出2,对脱硫废水中N a C l等具有回用价值的一价盐分离提取,进一步提高了废水的资源化利用。分盐工艺相比常规工艺具有处理要求高、技术难度大、工艺环节多等特点,初投资和运行成本较高,制约了分盐工艺的应用推广。近年来,膜蒸馏作为脱硫废水处理领域的新技术,具有浓缩倍率高、能耗低等优势,并在一些电厂通过了中试验证3-4,为降低分盐工艺成本带来了可能。本文简要梳理了脱硫废水零排放分盐工艺,介绍了膜蒸馏技术在脱硫废水处理中的应用,结合相对成熟的管式微滤和纳滤技术,提出了基于膜蒸馏技术的脱硫废水零排放分盐工艺,探讨了需要进一93第5 1卷 第1期(总第2 8 4期)2 0 2 3年2月 J i l i nE l e c t r i cP o w e r吉 林 电 力 V o l.5 1 N o.1(S e r.N o.2 8 4)F e b.2 0 2 3DOI:10.16109/ki.jldl.2023.01.001步解决的技术问题,以期为高效低成本脱硫废水零排放分盐工艺的研发提供参考。1 脱硫废水零排放分盐工艺简述脱硫废水的主要成分包括悬浮物、C a2+、M g2+、N a+、K+、S O42-、C l-、NO-3以 及 重 金 属 离 子 等。脱硫废水零排放常规工艺,是先去除悬浮物,并投加化学软化药剂去除一部分C a2+、M g2+等易结垢离子,以避免后续工艺产生严重结垢,再将所有溶解性离子作为一个整体,利用膜技术和蒸发技术对废水进行浓缩和结晶,对得到的结晶盐固体混合物进行处置,其中具有回用价值的C a S O4、N a C l等未得到利用。分盐工艺是在常规工艺基础上,对废水中的无机盐进行价态分类和分离提纯,目的是提高废水的资源化利用程度。其基本思路是:首先,进行分盐处理,即利用纳滤、电渗析等膜技术将废水分成两部分,一部分是富含一价盐的废水,另一部分是含有其他盐的废水;其次,采用反渗透、电渗析等膜法或机械蒸 汽 再 压 缩(m e c h a n i c a lv a p o rr e c o m p r e s s i o n,MV R)等热法,对两部分废水分别进行浓缩、结晶和脱水,得到一价盐固体和其他盐固体。目前国内脱硫废水分盐处理主要采用的工艺为“软化膜法分盐膜法浓缩热法结晶”5-8,因目前国内燃煤电厂普遍未获取工业盐销售许可,脱硫废水分盐得到的一价盐浓缩液大多送入煤灰渣系统处置,尚未真正实现资源化。“纳滤加反渗透”技术组合工艺是一项成熟的工业分盐工艺,实践表明,该工艺处理得到的N a C l结晶盐纯度一般在9 5%以上,能够达到G B/T5 4 6 22 0 1 5 工业盐 要求。但相比常规工艺,分盐工艺在推广应用上还面临成本高的问题,以3 0t/h处理规模为例,初投资一般在50 0 0万元以上;处理废水的运行成本普遍在5 01 0 0元/t2。2 膜蒸馏技术在脱硫废水处理中的应用膜蒸馏技术是一种利用蒸气压差作为推动力,将具有一定挥发特性的目标组分从混合液中分离的膜分离技术9,膜材料通常为具有选择透过性的高分子有机纳米薄膜。根据产水侧工艺布置形式的不同,膜蒸馏可以分为直接接触式、气隙式、吹扫式、真空式9,膜蒸馏用于脱硫废水处理时,常采用真空式。采用真空式膜蒸馏处理脱硫废水的一般工作过程为:将废水加热到一定温度,通入薄膜一侧,在薄膜另一侧抽取真空,降低该侧水蒸气分压,废水中的水分子在膜两侧蒸气压差的推动下,以蒸汽形式穿过薄膜,被冷凝为液态后收集利用。膜蒸馏与其他同类型浓缩技术相比,具有对进水水质和压力要求低、废水浓缩极限高、运行成本低的优势。由于膜蒸馏通过真空手段提供压差推动力,废水加热到6 07 0即可满足要求,因此该技术对热源的品质要求不高,可以选择厂内低温烟气余热、高温凝结水等作为热源。目前膜蒸馏技术已经在国内燃煤电厂高盐废水、脱硫废水处理领域有所研究与应用,如大庆宏伟电厂应用膜蒸馏技术成功从高盐废水中制水1 0,成本不高于反渗透工艺;国华三河电厂、吉电股份长春热电进行了膜蒸馏技术处理脱硫废水的中试研究,验证了该技术处理脱硫废水的可行性3-4。吉电股份长春热电中试项目设计处理能力为1t/h,中试期间,膜蒸馏 器处理性能稳 定,累计减 量脱硫废水3 6.9t,浓 缩 倍 率 约6.8,产 水 平 均 电 导 率 约8 0S/c m,最低可至4 3.2S/c m,绝大多数指标的去除率或下降率超过9 9.5%4,项目运行净成本仅为2 4.1 8元/t,具有良好的经济性。膜蒸馏技术在脱硫废水零排放常规工艺中的成功应用,为基于膜蒸馏技术的分盐工艺的提出奠定了基础。3 膜蒸馏分盐工艺流程3.1 工艺概述本分盐工艺按照废水流向划分为四个环节:预处理环节、分盐环节、浓缩环节和结晶环节,最终得到清水、结晶盐和石膏。预处理环节采用化学软化-管式微滤工艺,分盐环节采用两级纳滤技术,浓缩环节采用真空膜蒸馏技术,结晶