技术 | 膜蒸馏在火电厂脱硫废水零排工艺中的技术经济分析

摘 要：膜蒸馏作为一项新兴技术，具有耐腐蚀、耐氧化和运行成本低等特点，可用于燃煤电厂脱硫废水零排处理工艺。并且近期板式多效膜蒸馏工艺已经在废酸资源化、含铬含盐废水零排等领域成功实现工业化应用。通过对膜蒸馏工艺的介绍分析，提出 3 类膜蒸馏在脱硫废水零排方案中合理化应用的工艺路线。以 8 t/h 某燃煤电厂脱硫废水处理为例，对7种脱硫废水零排工艺组合进行了技术经济分析，结果表明膜蒸馏工艺完全可适用于燃煤电厂脱硫废水的零排工艺路线，膜蒸馏参与的零排工艺可以在设备投资和运行成本上为电厂节省可观的资金。

关键词：燃煤电厂；脱硫废水；液体零排；膜蒸馏；资源化；零排放

1 研究背景

火电厂作为用水、排水大户，用水占工业总量的 20%，实现火电厂废水“零排放”或“近零排放”意义重大，尤其在严重缺水的地区。废水零排放可以提高火电厂用水的复用率，节约发电用水，降低环境污染，是“保护生态环境就是保护生产力，改善生态环境就是发展生产力”的有力执行。2015 年国务院印发的《水污染防治行动计划》也明确对电厂废水提出零排放的要求，电厂传统废水可通过传统成熟的工艺轻易实施各种层次的梯级应用，但是脱硫废水由于盐浓度高、成分复杂、腐蚀性强，如何对其实施有效的资源化处理成为制约火电厂废水零排放的关键环节。随着电力企业实现脱硫废水零排放的需求越来越迫切，各种零排工艺技术也孕育而生。

目前市场上零排的主流工艺还是以长流程的“预处理模块+浓缩模块+结晶模块”为主，同时也有短流程的“预处理+烟道蒸发或旁路旋转喷雾蒸发”工艺。“预处理+烟道蒸发或旁路旋转喷雾蒸发”工艺虽然流程短，但会不同程度地影响发电机组的效率和增加后续烟气处理的负担。比如烟道蒸发受锅炉负荷影响明显，容易蒸发不彻底，造成烟道结垢、堵塞影响机组安全，存在烟道腐蚀和积灰等现象；旋转喷雾蒸发要求发电锅炉机组负荷在 60％以上，造成烟气的水分增加，影响电袋除尘器、飞灰成分，降低锅炉效率，使供电煤耗增加；短流程零排工艺需要对烟道进行改造。“预处理模块+浓缩模块+结晶模块”工艺虽然流程长，在浓缩模块和结晶模块需要预防结垢问题，但基本不会对发电机组造成影响及进行烟道改造，是独立于发电机组的处理工艺，不会影响发电效率和烟气处理等工艺。采用哪种零排工艺，不能一概而论，需要根据不同电厂自身的特点和脱硫废水的水质进行可行性验证来选择合适的脱硫废水零排工艺。但是不论采用哪种工艺，在蒸发固化之前都可以对脱硫废水进行浓缩减量，从而通过减少结晶和雾化量来降低蒸发设备的投资和运行成本。

目前市场上出现的浓缩减量工艺有反渗透、高压反渗透（碟盘式和卷式）、电渗析、多效蒸发、正渗透、机械蒸汽再压缩蒸发等，不同浓缩工艺都有各自的浓缩极限和优缺点，具体见表1。表1中TDS（Total Dissolved Solids）表示总溶解固体。

还有一种浓缩工艺就是膜蒸馏，在大多数文章中报道了膜蒸馏技术独特的优点，比如由于膜是超疏水材料，所以不易被污染；操作压力低、预处理简单；脱盐率高，产水品质高，可直接回用；浓缩极限浓度可至饱和态等。同时也指出膜蒸馏存在的问题，比如能量利用率低、膜通量小和膜污染与膜润湿等问题，对膜蒸馏工程化应用的报道也极少。本文将对已经工程化的膜蒸馏技术的优点和在脱硫废水零排工艺中的合理性应用做详细的技术经济分析。

2 膜蒸馏技术

膜蒸馏技术是 20 世纪 60 年代出现的分离技术，采用疏水微孔膜把液态和气态两相隔离开，以膜两侧由温度引起的饱和蒸汽压力差作为传质驱动力，只要膜两侧有温度差，此分离过程就可持续进行。膜蒸馏技术具有其独特的优势（见表 2），所以一直受到广泛关注。常见的膜蒸馏过程有直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、减压膜蒸馏、气扫式膜蒸馏等，膜组件类型有板式、中空纤维式、管式及卷式。但目前市场上已经通过大量中试并已成功工业化应用的膜蒸馏技术是板式真空多效膜蒸馏技术。

3 膜蒸馏技术的工程化

目前市场上出现的膜蒸馏工艺中使用的膜组件有中空纤维式、卷式和板式，加拿大 KMX 的中空纤维式膜蒸馏工艺和德国 Solarspring 的卷式膜蒸馏工艺在国外有少量应用报道，但都处于中试阶段；板式膜蒸馏工艺近期在国内实现了工业化应用，应用领域包括工业废酸、氯化铵废液、酸洗废水资源化、含盐废水零排等，取得了显著效果。板式膜蒸馏模块以多片聚丙烯框架为主体，内嵌聚四氟乙烯（PTFE）微孔疏水膜和聚丙烯（PP）冷凝片形成单个模块，单个模块通过并联提高处理量；通过串联实现多效模式来提高回收率和热循环效率，如图 1 所示，第 1 效浓盐水在被外部热源加热到 80 ℃左右之后在 PTFE 膜片表面蒸发，蒸发的蒸汽透过疏水膜进入产水通道，在 PP 冷凝片表面被来自第 1 效因蒸发而降温的浓盐水冷凝形成蒸馏水；吸收蒸汽潜热的浓盐水同时在第 2效膜表面继续蒸发，以此类推，最后 1 效蒸发的蒸汽被外部冷却水冷凝，蒸馏水通过内流道汇集流出。模块不论并联还是串联都是通过无管道连接实现，因而降低了热损失。板式真空膜蒸馏流程如图1所示。

板式真空膜蒸馏主要有以下几点优势：

（1）负压操作，安全性更高，无泄漏风险；

（2）多效，热循环，模块化，内流道设计，模块之间无管道连接提高热利用效率，造水比最高可达6~8；

（3）液体过流部件全部采用耐腐蚀的非金属材质（PP，PTFE），耐酸、耐碱、耐盐腐蚀、耐氧化；

（4）润湿液回流设计降低因膜润湿引起的膜清洗恢复频率；

（5）在线清洁和干燥（CIP & DIP）设计可以在线恢复污染或润湿的膜；

（6）此设备为撬装设计，基本不需要配套土建，可节省空间和大量土建费用。

板式真空膜蒸馏在含盐含铬废水零排领域的工业化应用如图2所示。

此应用是目前为止世界上处理量最大的膜蒸馏零排应用，膜蒸馏处理量为 288 t/d，可提升至 420t/d；进水一次过膜浓缩达 50% 回收率，产水电导率为 100~150 μS/cm，可直接回用 ，吨水电耗为 4. 8kW·h，浓缩液进入蒸发结晶工艺段。

每吨产水所需要的外部热量消耗折合成蒸汽用量为 0. 20~0. 23 t，相当于五效金属蒸发设备的吨水耗汽量，但电耗要比五效金属蒸发设备低一半以上。

4 膜蒸馏技术在脱硫废水零排处理工艺中的合理化应用分析

燃煤火电厂脱硫废水由于成分复杂、含氯根高、pH值较低，对管道和设备有腐蚀性等特点，其零排处理一直是行业的热点和难点问题，电厂已建的三联箱处理工艺已经无法满足要求，许多电厂都在进行升级改造。公开报道的脱硫废水零排工程主要有采用多效蒸发的广东河源电厂（以下简称河源电厂）、采用机械蒸汽再压缩蒸发的佛山三水恒益火力发电厂（以下简称恒益火电）、采用正渗透为技术核心的浙江浙能长兴发电有限公司，但在经济性和稳定性上面临不同程度的问题。

膜蒸馏作为一种新兴技术，具有用于脱硫废水浓缩减量的潜力：（1）燃煤电厂有大量余热可用，比如烟气回收的余热、低压乏汽等，都可以用来驱动膜蒸馏从而节省运行成本；（2）膜蒸馏设备的耐腐蚀和耐氧化性强，可以让设备稳定运行；（3）撬装设备基本不需要土建。某发电集团下属公司采用板式膜蒸馏设备用于脱硫废水浓缩减量的中试研究，结果表明脱硫废水 TDS 可从 40 000 mg/L 浓缩至200 000 mg/L 以上，浓缩液的量少于原液量的 1/5，大大降低了蒸发固化工艺段的蒸发量，从而减少了蒸发固化设备的投资和运行成本。膜蒸馏技术可以与现有浓缩和终端处理技术耦合集成使用，从经济性和稳定性上完善和提高脱硫废水零排工艺路线。

4. 1 含盐量 （质量分数） 低于3%的脱硫废水

含盐量低于 3% 的脱硫废水，在用膜蒸馏浓缩减量前可以用反渗透工艺进行预浓缩，把盐浓度提高至 5%~6%，这样可以整体降低投资成本和运行成本，零排处理方案如图 3 所示，图中 MVR 表示机械式蒸汽再压缩技术。

经过预处理的脱硫废水先用反渗透提浓至 5%左右，反渗透产水回用，反渗透浓水进入膜蒸馏提浓至 20% 以上，膜蒸馏产水回用，浓缩液进入结晶或雾化工艺段进行终端处理。

4. 2 含盐量介于 3%～6%的脱硫废水

含盐量介于 3%～6%的脱硫废水可采用高压反渗透工艺进行预浓缩，把盐浓度提高至 8% 左右，然后再接膜蒸馏和终端蒸发工艺。处理方案如图 4所示。

4. 3 含盐量高于 6%的脱硫废水

含盐量高于 6% 的脱硫废水可直接采用膜蒸馏进行浓缩，提浓至 20% 以上，浓缩液进入终端处理工艺段。处理方案如图 5所示。

5 技术经济分析

在经过膜蒸馏的浓缩减量之后，进入结晶或喷雾干燥终端处理的浓缩液的量大大降低，那么终端处理设备的投资和运行成本也会随之降低。以某发电集团下属一燃煤电厂的 8 t/h 脱硫废水为例，采用 综 合 初 步 经 济 分 析 与 设 计 法（integratedPreliminary Economic Analysis and Design，iPEAD）［7］进行初步技术经济分析。各工艺段计算所用参数见表 3，用于技术经济分析计算的设备投资价格和运行成本见表 4。由于缺乏针对脱硫废水的耐腐蚀金属蒸发设备准确的成套投资价格，所以本文根据耐腐蚀金属蒸发设备国内外市场均价［8-9］及参考已建电厂以蒸发结晶为主工艺的脱硫废水零排工程的设备投资（见表 5，表中：MED 为多效蒸发；MVC为机械式蒸汽压缩）来估算用于此经济分析中的耐腐蚀金属蒸发设备的投资价格，此价格仅供参考，实际价格可能会高于此估算价格。由于脱硫废水初始含盐量已达 6%，并且氯根含量高于 2%，所以采用不同的蒸发+结晶或喷雾干燥的零排工艺进行对比，计算结果见表 6。

从计算结果可以看出，如果终端处理采用旋转喷雾干燥，“预处理+膜蒸馏+喷雾干燥”的零排工艺比其他 3个工艺路线（“旋转喷雾干燥”“预处理+4效蒸发+喷雾干燥”“预处理+MVR蒸发+喷雾干燥”）从设备投资成本和运行成本上有不同程度的降低，最少可节省 240 多万元的投资成本和每年 90 多万元的运行成本；当终端处理采用结晶器，“预处理+膜蒸馏+MVR 结晶器”的零排工艺与其他 2 个工艺路线（“预处理+4效蒸发+MVR结晶器”“预处理+MVR

蒸发+MVR 结晶器”）相比，设备投资成本至少节省230 多万元，运行成本 1 年至少可节省 90 多万元。因此采用有膜蒸馏的工艺路线可以节省总成本，在经济上是可行的。

虽然电渗析技术也可作为浓缩减量的手段，但其脱盐率低，单级只有 45%~90%，产水 TDS高，需要叠加多级膜堆或与反渗透耦合才能提高脱盐率和降低产水 TDS，设备投资成本和运行成本会随脱盐率的提高而线性增加，并且造成管路和安装复杂，维护成本提高。据加拿大 Saltworks Technologies 公司报道，采用电渗析把 2% 含盐废水浓缩至 15%，并且产水 TDS 要低于 1 000 mg/L 的话，设备吨水造价达到 150万元以上，高于膜蒸馏的吨水造价，并且产水 TDS 是膜蒸馏产水的 10 倍。近期有报道某电厂采用电渗析进行浓缩减量中试，但目前无法得到详细的数据进行经济比较，所以电渗析暂且没有包括在此经济分析的浓缩技术工艺中。

6 结论

（1）从膜蒸馏的技术特点、膜蒸馏工艺在脱硫废水浓缩减量的中试研究结果以及板式膜蒸馏工艺成功的工业化应用看，膜蒸馏工艺完全适用于燃煤电厂脱硫废水的零排工艺路线。

（2）以某发电集团下属一燃煤电厂的脱硫废水为例，通过对多种零排工艺路线的技术经济分析可以看出，膜蒸馏技术参与脱硫废水零排工艺路线可以为电厂节省可观的投资与运行成本，也符合节能减排大方向。

（3）由于脱硫废水成分复杂，不同电厂的脱硫废水成分和浓度都不同，所以膜蒸馏工艺在不同电厂脱硫废水零排工艺中的合理化应用还需要根据具体水质具体分析，根据水质和现场条件做相应的优化设计，使膜蒸馏工艺在脱硫废水零排工艺中得到最优化应用。