（环境工程专业论文）火力发电厂节约用水技术.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘要 我国是世界上水资源短缺的国家。在我国的各种用水中，工业用水量占总用 水量的2 0 以上，其中火电厂用水量和耗水量均排在首位。在我国火电厂中， 采用循环冷却的机组容量约占全国机组总容量的6 0 ，但耗水量约占8 3 。耗 水量比美国同类电厂高2 倍以上。我国目前仅个别火电厂做到了废水零排放， 而美国的绝大多数火电厂己实现废水零排放。 火电厂节水的关键是做好采用循环冷却的火电厂的节水技术和应用工作。水 务管理粗放，用水工艺不合理，循环水浓缩倍数低排污水量大，污废水回收利 用率低是我国采用循环冷却的火电厂耗水量大的主要原因。本文结合我国某火 电厂的节水改造，针对造成火电厂耗水量大的主要因素，参照国内外的先进经 验，制定了切实可行的水务管理计划；在优化用水量的同时，提出改进用水工 艺流程，降低循环水的蒸发、风吹和排污损失水量等方案：对循环水的补充水 采用石灰软化及排渣利用的新技术进行软化处理，在提高循环水浓缩倍数、减 少循环水排污水量的同时，避免了废渣和废水对外排放，并解决了软化水所需 的高纯度石灰来源；在充分利用循环水排污水和其他工业和生活污废水的基础 上，利用膜法处理循环水排污水的余水，回收再用于锅炉补给水。本文利用试 验手段对微滤膜作为反渗透的预处理手段处理循环水排污水进行了研究，并与 其他方法进行了技术和经济分析。 通过本文研究和工程应用，电厂的节约用水和减少排放成效显著，达到了废 水零排放，机组耗水率降低到0 5 3 m 3 ( s g w ) ，达到了国际和国内同类电厂 先进水平，为我国火电厂的节水改造提供了一个新的范例。 关键词火力发电厂：水务管理；用水工艺；微滤；零排放 a b s t r a c t o u re o u n a 3 , i saf r e s hw a t e rs h o r t a g ee o u n t r yi nt h ew o r l do nt h ev a r i o u s w a t e rc o n s u m p t i o no fo u rc o u n t r y , t h ei n d u s t r i a lw a t e rc o n s u m p t i o ni s2 0 a n d a b e v eo fa l lw a t e rc o n s u m p t i o n t h e r e i a t ot h ew a t e rc o n s u m p t i o nf o rf o s s i lf u e l p o w e rp l a n ti st h ef i r s tp l a c e i no u rc o u n t r y , t h ec a p a c i t yo ff o s s i lf u e lp o w e rp l a n t t h a tc i r c u l a t i n gc o o l i n gs h a l lb ep r o v i d e di s6 0 o ft h et o t a lc o u n t r y w i d ec a p a c i l y , b u tt h ew a t e rc o n s u m p t i o ni s8 3 t h ew a t e rc o n s u m p t i o ni sm o r et h a n2t i m e sa n d a b o v eo f t h es f l i n ec a p a e i t yf o s s i lf u e lp o w e rp l a n ti na m e r i c a n a t p r e s e n t ，o n l yf e w f o s s i lf u e lp o w e rp l a n t sh a v ea c h i e v e dw a s t e w a t e rz e r od i s c h a r g e ，b u tm o s to ff o s s i l p o w e r p l a n t i n a r a e r i e a n h a v ea c h i e v e d w a s t e w a t e r z e r o d i s c h a r g e t h ek e yo fw a t e rs a v i n go ff o s s i lp o w e rp l a n ti st od ow o r kb e r e tf o rw a t e r s a v i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nw a t e ri nr e c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rf o s s i lf u e l p o w e rp l a n tt h em a i nr e s s o r if o rh i g hw a t e rc o n s a r f l p f i o nf o rt h er e c i r c u l a t i n g c o o l i n gf o s s i lf u e lp o w e rp l a n ta r et h a tw a t e rm a n a g e m e n tp l a n ti se x t e n s i v e t h e p r o c e s sf o ru s i n gw a t e ri su n r e a s o n a b l e ，l o wc y c l eo rc o n c e n t r a f i o nr e s u l t si nh i 。g l l b l o w d o w nw a t e ra n dt h er a t ef o rr e u s i n ga n du t i l i z i n gw a s t e w a t e ri sl o w e r t h i s p a p e rs t u d i e st h ef o l l o w i n l gw a t e rs a v i n gm e s s u r et h a tc o m b i n e sw i t l laf o s s i lf u e l p o w e rp l a n ts a v i n gw a t e rr e e o n s v u e t i a n ，a i m sa tt h em a i nf a c t o rt h a tr e s u l ti nh i l g h w a t e rc o n s u m p t i o nf o rf o s s i lf u e lp o w e rp l a n ta n dr e f e r st oi n t e r n a t i o n a la n d d o m e s t i ca d v a n c e de x p e r i e n c e t h e s em e a s u r e s t om a k ea l la v a i l a b l ea n d r e a s o n a b l ew a t e rm a n a g e m e n tp l a n ，i m p r o v e u s i n gw a t e rp r o c e s sa n do p t i m i z ew a t e r c o n s u m p t i o n , a d o p tn e wt e c h n o l o g y ( 1 i m es o f t e n i n ga n du t i l i z i n gb o t t o ma s h ) t o s o f t e nt h em a k e - u pw a t e ro fc i r c u l a t i n gw a t e r , i n c r e a s ec y c l eo fc o n c e n t r a t i o na n d r e d u c eb l o w d o w nw a t e ro fc i r c u l a t i n gw a t e r , u t i l i z ef u l l yb l o w d o w nw a t e ro f c i r c u l a t i n gw a t e ra n di n d u a t d u lw a s t e ra n ds e w a g ew a t e r , u s em e m b r a n et ot r e a t b l o w d o w aw a t e ro fc i m u l a t i n gw a t e ra n dr e u s ea sm a k e - u pw a t e rf o rb o i l e r t h r o u g h t h ea b o v ew a r es a v i n g rm e a s u r e s ，s a v i n gw a t e ra n dr e d u c i n gd i s c h a r g ef o rp o w e r t 0 1 a n t r e c e i v ee r i e c t t h i sp a p e ra l s os t u d i e st ou s e 球f i l mt ol t e a tb l o w d o w l l 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 w a t e ro fc i r c u l a t i n gw a t e rb yt e s tt h i sp a p e ra l s oc o m p a r e sm fw i t l lo t h e rw a y sb y a i l a l y z i n gt e c h n o l o g ya n de c o n o m y t h r o u g hs t u d y i n gi nt h i sp a p e r , t h em a k e - u pw a t e rf o raf o s s i lf u e lp o w e rp l a n t s h a l lb er e d u c e d ，a n da c h i e v ew a s t e w a t e rz e r od i s c h a r g e t h ew a t e rc o n s u m p t i o nr a t e s h a l l b er e d u c e t o0 5 3 m 3 ( s g w ) t h i sv a t i e h a v ea c h i e v e d a d v a n c e ds t a n d a r do f c o n g e n e r i cf o s s i lf u e lp o w e rp l a n ta ti n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i c t h i sr e c o n s t r u c t i o n f o rw a t e r s a v i n gp r o v i d eh e we x a r a p l ef o rf o s s i lp o w e rp l a n ti no t l rc o u n t l k e yw o r d sf o s s i lf u e lp o w e rp l a n t ，w a t e rm a n a g e m e n t ，u s i n gw a t e rp r o c e s s ，m f , z e r od i s c h a r g e 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国的水资源和用水概况 1 1 1 我国的水资源 资源、环境、人口和人类社会的可持续发展，将成为二十一世纪的重大 课题。水是生命之源。淡水更是人类生存生活和生产不可替代的宝贵资源。 随着社会经济的发展，水的社会循环量愈来愈大，有的地区天然水体的水量 己不敷所需，从而出现了“水危机”i l 】。我国是世界上人均淡水资源短缺的 国家。据我国水利部门统计，我国的淡水资源多年平均总量约2 81 2 4 亿m 3 ( 其中地表水2 71 1 5 亿m 3 ，地下水l0 0 9 亿m 3 ) ，居世界第6 位，但是人 均水资源占有量仅有21 0 0 m 3 ，为世界人均年占有量的四分之一 2 1 3 】。在世界 1 5 3 个国家的人均水资源排位中居1 2 1 位 4 1 。随着我国人i = 1 的增长，预测到 本世纪中叶，我国人口将达到1 6 亿峰值，届时我国人均水资源拥有量将达到 联合国可持续发展委员会研究确定的用水紧张线17 5 0 m s ，全国总取水量可 达70 0 0 80 0 0 亿n 1 3 ，己接近全国可用水资源量的极刚“。 我国水资源的主要特点是时空分布不均匀、人均占有量少、而开发利用 却相当可观。长江流域及以南地区的水资源量占全国水资源总量的8 1 。长 江以北各水系流域面积占我国国土总面积的6 3 5 ，其水资源量仅占我国水 资源总量的1 9 ，其中广大西北地区内陆河流域面积占国土面积的3 5 3 ， 而水资源量仅占全国水资源总量的4 6 【2 】。北方有1 4 个省、市、自治区的 人均水资源拥有量低于国际公认的l7 5 0 m 3 用水紧张线。其中北京、天津、 河北、山西、山东、河南、宁夏等地区人均拥有量低于5 0 0 m 3 ，为严熏缺水 地区。1 9 9 7 年西北内陆地区的水资源开发利用程度超过5 0 ，黄河中、下游 及淮河、海河流域的水资源利用程度已超过6 0 ，其中海河流域高达9 0 ， 远超过国际公认的4 0 合理利用程度1 2 。在全国的6 6 9 座城市中，有4 0 0 多座城市缺水，1 1 1 座城市严重缺水，2 0 0 0 年日缺水量达16 0 0 万m 3 ，年 缺水量达2 0 0 亿m 3 【7 1 。由于缺水每年影响工业产值达23 0 0 多亿元【2 】。随着 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 国民经济的发展，人民生活水平的提高，以及我国人口的增长，用水量不断 增加，水资源供需矛盾将日益突出。 在淡水资源紧缺的同时，大量的生活和生产污废水未经有效处理就被排 入天然水体。2 0 0 2 2 0 0 4 年全国的污废水排放总量( 不包括火力发电厂直流 冷却水和台、港、澳地区) 平均每年达6 6 2 亿吨，其中工业废水达4 2 5 亿吨 占总量的6 4 2 1 8 9 1 。许多河流、湖泊遭到严重污染，造成水质恶化和水生 态系统的破坏。据统计，我国8 0 的地表水域和4 5 的地下水已被污染，9 0 以上的城市水域严重污染，近5 0 重点城镇水源不符合饮用水水源标准 1 0 1 。2 0 0 4 年对我国大陆l3 0 0 多条河流1 3 万k m 河长的水质评价结果，低于 i 类水质，不宜做集中饮用水源的河长占4 l ，其中污染严重，甚至不宜用 于灌溉的劣v 类水质的河长占2 1 8 1 9 】。2 0 0 2 年在我国长江、珠江、黄河、 淮河、海河、辽河和松花江七大水系的干、支流所设的全部7 4 1 个水质重点 监测断面中，低于i i i 类水质的占7 0 9 。其中劣v 类水质的断面占4 0 9 。 除长江和珠江水系的水质基本为i i 类水质外，其余5 个水系均污染严重。黄、 淮、海、辽4 个水系的劣v 类水质断面均超过5 0 ，海河水系更高达7 1 2 ；国内著名的大型湖泊中洞庭湖和镜泊湖水质为类，洱海和洪泽湖为v 类，滇池和巢湖为v 类和劣v 类，南四湖为劣v 类。太湖近年虽经大力治理， 仍有6 0 的监测断面为v 类和劣v 类水质，环湖的主要河流与湖交界的水体 中劣v 类水质断面的比例高达9 3 7 【”】。 我国城市供水水源有3 0 取自地下水，北方城市有5 9 取自地下水。近 2 0 年来地下水水质普遍呈恶化趋势。1 9 9 8 年对我国1 1 8 座大型城市浅层地下 水普查表明，有1 1 5 座城市地下水受不同程度污染，北方城市地下水9 0 遭 到污染，其中2 8 的地下水源已不适合作饮用水 1 2 】。与此同时，一些地区对 地下水严重超采，造成地下水位下降，地面沉陷，海水入侵，水质恶化等一 系列问题。例如海河流域是全国地下水开发利用程度最高，污染较严重的地 区，在对海河流域20 1 5 个井点监测表明，水质污染达、v 类水质的井点 占6 3 1 。该地区地下水的开采量占全国地下水开采总量的5 8 蚶1 3 】，全区年 超采地下水量达6 0 亿m 3 。由于地下水的超采，导致部分地区的地下水已近 疏干，发生地面沉降塌陷。至1 9 9 8 年河北省内地面沉降大于3 0 0 m m 的面积 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 达1 8 2 万m 2 ，天津地区地面沉降量大于1 5 m 的面积已达1 3 3 k m 2 【6 1 。由于水 环境质量的恶化，使本就短缺的水资源更加匮乏，可利用率减少，淡水资源 的供需矛盾更为加剧。 1 1 2 我国的用水概况 2 0 0 2 2 0 0 4 年，平均每年全国总用水量54 5 5 亿i n 3 ，其中工业用水11 8 4 亿m 3 占2 1 7 ，农业用水36 3 8 亿m 3 占6 6 7 ，城乡生活用水6 3 3 亿m 3 占1 1 6 0 ( 以上数字不包括台、港、澳地区) 【8 9 1 。 我国对水的合理利用水平低，工农业用水浪费现象严重。我国的农业用 水约占用水总量的6 7 ，但灌溉技术落后，普遍采用漫灌方式，水的有效利 用率仅约3 0 ，比发达国家几乎低一倍i l 】。 我国工业用水的基本现状是： ( 1 ) 工业用水我国的工业用水增长迅速。1 9 8 0 年全国的工业取水量仅 4 5 7 亿m 3 ，至2 0 0 0 年便增至l1 3 8 亿m 3 ，居世界第3 位【2 】。 ( 2 ) 用水效率和重复利用率我国的工业用水效率低、重复利用率低、 消耗大。1 9 9 9 年，我国每万元工业增加值取水量为3 3 0 m 3 左右，是日本的 1 8 倍，美国的2 2 倍，工业用水重复利用率约5 3 ，远低于发达国家7 5 的 水平 4 】。目前我国几种大的工业耗水量与国外发达国家的对比见表1 1 【2 ，14 1 。 表1 - 1 国内，l j l 种工业产品耗水量比较 ( 3 ) 非传统水资源利用量目前我国工业用水中海水及苦咸水利用量为 2 5 6 亿n 1 3 ，仅相当于美国的1 2 8 ，日本的2 1 3 。而再生水在工业中的利 用量仅相当于取水量的o 4 。在我国的工业用水中。冷却水及其他低质用 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 水占7 0 以上。这部分水是可以利用海水、苦咸水和再生水等非传统水资源 替代的【“。 ( 4 ) 工业废水排放量1 9 9 9 年工业废水排放量占全国废水排放总量的4 9 ，水体中绝大多数有毒有害物质来源于工业废水。工业废水大量排放，是 造成水环境日趋恶化，水体使用功能下降的重要原因。我国江河流域普遍遭 到污染，且呈发展趋势，加剧了水资源的紧张状况1 4 】。 1 2 我国火电厂用水和耗水现状 火力发电厂是我国电力生产的重要组成部分。到2 0 0 0 年底，全国火电装 机容量为2 3 7 5 亿千瓦，占总容量的7 4 4 ，而且火电机组基本是燃煤机组。 全国年发电量为1 36 8 8 亿千瓦时，其中火电发电量为1 10 7 9 亿千瓦时，火电 发电量占总发电量的8 0 9 。在2 0 0 0 年全国火力发电总装机容量中，循环 冷却容量和直流冷却容量分别为1 3 6 3 亿千瓦和1 0 1 2 亿千瓦，分别占火电 总装机容量的5 7 4 和4 2 6 【”】。 火电厂在发电过程中的主要资源消耗是燃料和水。火电厂既是用水大户， 也是耗水和排水大户。据统计，2 0 0 0 年全国火电厂各种方式总取水量8 4 0 5 亿m 3 ，其中采用海水直流冷却的取水量为2 5 4 4 亿m 3 ，淡水取水量( 包括直 流冷却和循环冷却的电厂) 为5 8 6 亿m 3 ，占全国工业淡水用量的5 1 5 。在 国家统计的全国电力、钢铁、石油化工、造纸、纺织5 个高耗水行业的总耗 水量1 7 6 亿m 3 中，火电厂耗水量约4 6 亿m 3 ，占2 6 居首位【4 , 1 5 】。根据原国 家电力公司对火电厂2 0 0 0 年用水量调查结果，经统计分析得出2 0 0 0 年全国 火电厂耗水情况见表1 2 ( 其中直流冷却电厂的耗水量不包括直流冷却水量) 。 从表1 2 中的数字可见，采用循环冷却的火电厂装机容量占全国装机容 量的5 7 4 ，其耗水量却占全国火电厂总耗水量的8 2 7 ，装机耗水率平均 为1 3 2m 3 ( s g w ) ，单产耗水率平均为5 9 4 k g ( k w h ) 1 而采用直流冷 却的电厂装机耗水率平均为o 3 7m 3 ( s g w ) ，单产耗水率平均为1 6 9k g ( k w h ) 1 5 l 。 在欧、美工业发达国家采用冷却塔循环冷却的火电厂装机耗水率比我国 低得多。例如德国在2 0 世纪7 0 年代就已经达到0 7 0m 3 ( s g w ) 1 6 1 。表 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 - 3 列举了美国在1 9 8 0 1 9 9 6 年问建成的7 个采用冷却塔循环冷却的燃煤火 电厂的耗水指标，这7 个电厂均采用废水零排放系统，平均装机耗水率为 0 5 3 3 m 3 ( s g w ) 。 表1 22 0 0 0 年全国火电厂耗水状况 表1 - 3 美国7 个循环冷却的火电厂的耗水指标 序 电厂名称 装机容量 投产时间 ( m w ) 等机耗水率水源 ( m o ( s g w ) 1 西部干燥地区 电厂渊 2d e e r h a v e n u n i t2 t 1 9 , 2 0 1 3p a w n e eu n i t 1 t 2 1 1 4c o r o n a d o f 2 2 】 5s t a n t o ne n e r g y c e n t e r 2 3 】 3 0 01 9 8 0o 5 1 2地下水 2 3 5 1 9 8 1o 5 7 5地下水 5 0 0 1 9 8 10 4 2 9 地下水 2 3 5 0 4 4 0 1 9 8 7 1 9 8 7 0 5 1 6 0 5 7 9 6 m i s s i s s i p p i l 2 4 】4 4 0 1 9 9 10 5 5 8 地下水 市政污 水、地下 水、雨水 地下水 7i n d i a n t o w n l 2 习3 3 0 1 9 9 60 6 2 1 地表水 不仅采用冷却塔循环冷却的火电厂如此，采用直流冷却的火电厂同样存 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 在较大差距。1 9 8 6 年日本三菱公司为我国设计和供货的华能大连电厂一期工 程( 2 3 5 0 m w ) 采用海水直流冷却，设计装机耗水率( 淡水) 仅为0 0 5 9i n 3 ( s g w ) 。目前实际运行的装机耗水率平均仅为o 0 6i n 3 ( s g w ) 。该厂 基本代表了目前采用直流供水系统的火电厂装机耗水率的国际先进水平。2 0 世纪9 0 年代我国自行设计建设的辽宁营口、山东青岛、浙江台州、嘉兴、福 建后石、嵩屿、广西北海、广东珠江等1 0 个采用海水直流冷却的火电厂，设 计装机耗水率( 淡水) 为0 1 1 0 2 6n 1 3 ( s g w ) ，平均为0 1 8m 3 ( s g w ) ， 其中青岛、嵩屿、嘉兴3 个电厂的实际运行的装机耗水率( 淡水) 平均为0 2 i n 3 ( s g w ) ，是国际先进水平的3 倍多1 1 7 】。 一方面我国火电厂用水浪费现象严重。另一方面，除近年进行过节水改 造和新建的个别电厂实现了污废水零排放外。国内多数火电厂的生产和生活 污废水未经有效处理和回收利用，直接排入天然水体，对水环境造成污染。 2 0 0 0 年全国火电厂各种污废水的排放量达1 6 5 亿m 3 ，占耗水量的1 3 ”l 。 对于火电厂这样一个用水、耗水和排水的工业大户，厉行节约用水，减少和 杜绝污废水排放，切实提高水的利用率不仅是直接关系到现有火电厂安全、 经济运行，关系到电力工业可持续发展的重要课题。更是我国国民经济和社 会可持续发展的迫切要求。 1 3 国外火电厂节水措施综述 1 3 1 火电厂的水务管理 自2 0 世纪7 0 年代初开始，为解决由于水资源短缺和限制废水排放对火 电厂建设和发展的制约，美国、加拿大、澳大利亚、日本及欧洲的一些工业 发达国家和水资源缺乏的南非等国，在火电厂水务管理( w a t e rm a n a g e m e n t ) 方面的研究和实践逐步发展并日趋成熟。水务管理已贯穿于这些国家火电厂 的规划、设计、建设和运行的全过程。以美国为例，美国环保局( u s e p a ) 在1 9 8 0 年发布的常规燃煤电站水和废水管理评价报告中，要求火电厂必 须提交水和废水评价报告，并详细规定了火电厂实施水和废水管理的具体内 容和目标，以及应当遵循的法规和规程【2 6 1 。由文献2 3 ，2 6 ，2 7 2 9 可知， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 火电厂水务管理的主要内容包括以下各方面： ( 1 ) 合理选择火电厂内各项用水的水源，包括凝汽器冷却水、锅炉补充 水和工业用水及各项杂用水的水源。视火电厂周围可能作为火电厂供水水源 的条件，采用同一水源或不同水源； ( 2 ) 按各用水系统对水量、水质、水温的不同要求，合理选择水处理方 法、规划用水流程和分配用水，最大限度地采用循环用水和循序用水； ( 3 ) 妥善处置废水和废渣，力求对废水处理后再回用； ( 4 ) 对各系统用水和排水的水量、水质进行在线和取样监测及控制。 1 3 2 废水零排放系统 美国1 9 7 2 年修改的联邦防污染条例提出了恢复和保持国家水源的化学、 物理和生物方面的完整性要求，1 9 7 7 年修订的清洁水条例又重复了1 9 7 2 年 条例的要求，它要求1 9 8 4 年7 月1 日前对有毒性的污染物的排放界限和对无 毒性污染物排放的控制。各州及联邦环保局对控制废水和废物排放都有明确 的规定 2 9 , 3 0 1 1 。以上一些规定实质上是要求一些地区的火电厂要达到零排放的 要求。由于水资源和环保要求不断提高，美国火电厂的用水和排水从2 0 世纪 7 0 年代初的按需要取水，排水也不做任何处理的模式，发展到目前的受限制 的取水和水在电厂内被充分利用，污废水零排放的模式【3 “。废水零排放的要 求是：火电厂不向地表水体排放废水，全部水损失以湿蒸汽的形式排入大气， 或含在废渣中贮入堆放场，废渣中的水分蒋蒸发排入大气。废水零排放系统 是火电厂节约用水和减少对周围水环境污染的有效技术手段。由于各电厂环 境、水资源、燃料及发电机组类型的不同，废水零排放系统的具体流程也不 尽相同，一般可从以下几个方面考虑： 1 3 2 1 循环用水除了供凝汽器冷却水的主冷却水系统采用循环冷却系统 外，火电厂各种需用冷却水的设备按水质、水温、水量的不同要求，分别采 用若干独立的循环用水系统。如汽水取样冷却器、空压机冷却器、发电机密 封油冷却器及一些转动机械的轴承冷却器等采用以除盐水为冷却介质的密闭 式冷却系统；炉底渣冷却对水质要求不高，但水温高，冷却水直接接触炉渣， 水的悬浮物含量大，这部分水则采用单独的浊水冷却塔循环冷却。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 3 2 2 梯级循序用水按各用水系统对水质、水温的不同要求，一个系统的 排水基本不进行水质和水温的处理，直接供另一个系统使用。如水质好、水 温低的新鲜补充水先供辅助设备冷却水，排水用于锅炉排污降温池掺混冷却 和主冷却水系统的补充水：冷却塔循环冷却系统的排污水用于干灰加湿、炉 底渣冷却、湿法脱硫和车间冲洗、输煤系统除尘等等。 1 3 2 3 废水资源化 ( 1 ) 城市污水2 0 世纪6 0 年代初南非和一些欧洲国家就已经利用城市污 水做火电厂的补充水。2 0 世纪6 0 年代中期以来，美国的一些火电厂以及核 电厂也相继利用城市污水处理厂的二级出水做补充水 1 9 , 2 0 , 2 3 , 3 2 3 5 1 。其中多数 电厂是用于循环冷却系统的补充水，例如美国的亚利桑那州p a l ov e r d e r 核电 项目( 38 1 0 m w ) 3 2 1 ，新泽西州的b a r g e n 联合循环电厂( 6 5 0 m w ) 3 3 , 3 4 ， 佛罗晕达的s t a n t o ne n e r g yc e n t e r 电厂( 4 4 0 m w ) 2 3 , 2 7 等等；还有一些严重 缺水地区的电厂甚至利用城市污水经特殊处理如蒸发器、反渗透( r o ) 、电 渗析( e d ) 等手段处理后用于电厂的锅炉补充水，例如美国西北矿区的 w y o d a k 空冷电厂( 3 5 0 m w ) 【l9 1 、佛罗里达电力公司( 3 6 2 m w ) 以及加利佛 尼亚的a l m o n d 电厂( 4 9 m w ) i j 刈等等。 ( 2 ) 电厂自身的各种废水回收并利用电厂自身的各种废水和雨水在美国 的一些实施废水零排放的火电厂中已很普遍。较为洁净的屋面雨水主要用于 循环冷却电厂冷却水系统的补充水【2 1 , 2 3 】，回收的各种工业废水和地面雨水经 处理后多用于干灰加湿、炉底渣冷却和湿法脱硫等项用水【2 引。有的电厂则把 电厂冷却塔的排污水、以及电厂内的各种工业废水经混凝澄清、多级过滤、 蒸发冷凝、反渗透( r 0 ) 、电渗析( e d ) 、离子交换床等措施处理后，供锅炉 补充水 2 4 , 3 6 】。还有的电厂则把循环水排污水经旁流软化及电去离子系统 ( e d i ) 处理后再补入冷却塔，电去离子系统的高盐份浓水再经蒸发器处理， 蒸馏水回用至锅炉补给水【2 5 , 3 7 , 3 8 】。其中有些电厂针对不同的废水采用分质分 级的管理，以不同的手段进行回收处理及再利用【2 9 i ，塔排污水在几个冷却塔 间串级使用f ”】。 1 3 2 4 干式除灰目前国外采用冷却塔循环冷却的燃煤电厂，普遍采用干式 除灰系统。为便于运输，仅对从除尘器收集到的干灰进行加湿处理，耗水量 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 约为干灰量的2 5 3 0 ，与目前我国火电厂常用的低浓度水力除灰( 灰水 比约1 ：1 0 1 ：1 5 ) 相比。可节约用水9 7 以上。 1 3 2 5 循环水的浓缩倍数循环水浓缩倍数高，循环水的排污率就低。目前 美国采用废水零排放系统的火电厂，循环水的浓缩倍数一般大于5 。循环水 的排污率低于循环水量的0 3 ，少数火电厂如位于佛罗里达的d e e r h a v e n 电 厂，其循环水的浓缩倍数达2 0 8 ，排污率仅为循环水量的0 0 6 1 1 9 2 0 。利用 城市污水作为循环水系统补充水的p a l ov e r d e 核电站的循环水浓缩倍数也达 到1 5 3 3 1 。 表1 - 4 列举出美国9 个采用废水零排放系统火电厂的循环水浓缩倍数， 其中美国西部的一个干燥地区火电厂( 3 0 0 m w ) 循环水的排污量随运行中燃 用不同含硫量的煤所需的脱硫用水而调整，循环水的浓缩倍数在5 3 8 3 【l 9 】 之间。 表1 - 4 美国9 个废水零排放电厂的浓缩倍数 1 3 2 6 废水浓缩美国的多数火电厂建有废水蒸发池，用于贮存含盐量高、 无利用价值的多余废水，使之自然蒸发，水分排入大气，盐分残渣运至堆场 贮存。有些电厂则采用人工浓缩方法，如位于佛罗里达州中部的奥兰多地区 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 的斯坦顿能源中心( 装机容量4 4 0 m w ) ，该地区年平均降雨量比蒸发量高 1 0 1 6 m m ，不能采用蒸发池自然蒸发废水，故该电厂采用盐水浓缩结晶器处 理高盐度废水，通过加热蒸发，水蒸气经冷凝后用于补充冷却塔循环系统和 做锅炉补给水，蒸发残渣运至固体物堆场贮存【2 3 1 。采用蒸发器浓缩盐分高的 废水，产生的蒸馏水用于补充锅炉补给水在纽约的m a s s e n a 联合循环电厂等 电厂中也得到普遍应用 3 8 1 。 图1 - 1 所示为美国斯坦顿能源中心( s t a n t o ne n e r g yc e n t e r ) 的全厂水务 管理用水流程图【3 ，该电厂的用水流程图在美国被誉为保证火电厂经济和安 全的废水零排放基本模式【2 3 , 2 7 1 。 图1 - 1 美国斯坦顿能源中心水和废水零排放系统基本流程图 1 3 2 7 水质、水量的监测及控制为了实现对水系统有效的管理，美国的一 些采用废水零排放的火电厂普遍利用计算机系统实施对水系统的流量监测和 水质取样监测，其中包括在线监测和定时取样监测。以便及时分析、监督全 厂水系统盼_ 水质和用水量【2 8 , 3 8 】。实施水量和水质监测中还普遍采用了先进的 计算机管理，利用p l c ( 可编程序控制器) 及先进的“w a t e r m a n ”等系统软 件 2 0 , 2 2 , 2 9 , 4 3 , 4 4 】，达到了自动化管理。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 3 3 节水型火力发电技术 采用燃汽蒸汽联合循环机组和高温高压( 超临界压力、超高温) 的大容 量汽轮机组，在提高热效率的同时还可节水。b e r g e n 联合循环电厂的装机耗 水率为0 4 8 5 m 3 ( s g w ) i ”j ，美国东部一个2 5 0 m w 联合循环电厂的装机耗 水率仅为o 3 l m 3 ( s - g w ) 1 3 ”。对于严重缺水地区，利用空气冷凝器( a i r c o o l e dc o n d e n s e r ) 替代常规水冷凝器和敝开式循环冷却塔，火电厂的汽水循 环系统可节水9 0 左右。例如美国怀俄明州煤矿区的w y o d a k 电站，一台功 率为3 6 5 m w 的汽轮发电机组，采用空气冷凝系统，汽水循环系统所需的补 充水量仅6 8 1 3m 3 h ( 3 0 0 9 p m ) 。如果采用常规的水冷凝器和冷却塔，包括冷 却塔的损失在内的汽水循环系统需补充水量约9 0 8 4m 3 hf 40 0 0 9 p m ) ，减少 耗水9 2 5 【1 9 l 。 1 4 我国火电厂用水中存在的主要问题 1 4 1 设计思想和设计技术 我国火电厂的用水和节水工作自2 0 世纪9 0 年代后期才引起重视。在此 之前，从规划和设计阶段开始，直到投入运行，我国火电厂的设计者和管理 者对节水的重要性认识不足，缺乏节水意识。不仅设计没有全面的用水和节 水规划及措施，生产运行中的水务管理工作更为薄弱。在用水设计中，各项 用水很少根据工艺系统和设备对水质、水温、水量的不同需要采取节水措施， 做到循环用水、循序用水、一水多用以及污废水回收再用。对各用水系统和 设备的用水流程和用水量的设计不够合理。水量、水质监测和控制措施不够 完善。没有给火电厂的用水管理创造必要的条件和手段。 1 4 2 循环水浓缩倍数 我国采用循环冷却的火电厂中，除2 0 0 0 年后新建的部分大容量机组火电 厂和少数已进行节水技术改造的原有火电厂的循环水浓缩倍数超过4 ，绝大 多数火电厂的循环水浓缩倍数较低。据原国家电力公司统计，截止2 0 0 0 年底， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 我国采蔫镶环冷帮静炎惫厂德繇承浓镶倍数平稳仪强2 ，2 。嚣客魄力公霭掰 属的火电厂浓缩倍数低于2 2 的占公司所属火电装机容量的6 0 以上，多数 火电机组的循环水浓缩倍数在1 5 左右t 1 5 】。循环水及其补充水的处理工艺落 惹或不当，移致浓缭锫数低，接污隶麓大，露旦寄毳秘承靛撙污承鲤璃率低， 蠢接排放薰大是目前我醺采用循环冷郄的火电厂耗水量大的圭瑟原因之一。 1 4 3 冲获潼耗水量 鑫蓠我潮豹火毫厂大多数采两承力冲获帮滓浚，蔫管道麓遴爨获渣准场 贮存。我国火电厂冲灰懑采用的灰水比大部分在l ：2 0 以上，有的甚至高达 l ：3 0 1 5 】。除少数火电厂有对灰场澄清水回收再利用的系统外，多数火电厂 熬港茨渣拳凌获场澄溥嚣羲速撑教，不铰嚣拳量大，还会污染获场矮困鹣承 环境。 1 4 4 其他置业用水溯废水回收率 我国采粥童流冷却的火电厂，其镌工韭用米和杂耀瘩基本憝用螽随主冷 却水一起排放。采用循环冷却的火电厂其他工业用水和杂用水中，除部分设 备冷却水被羹复利用外，其余多数设麓的冷却水和杂用水用后作为工业废水 臻放，这部分农熬重复餐l 臻率穰抵。务必毫厂豹奎滔污褒零毽多数是经逶巍 处理后排放。 1 5 本文研究的主要内容、目的翻意义 1 s 1 本文研究的盘鬟内容 扶表1 - 2 可知，我鞠现有火电厂中，采用循环冷却豹枧组塞量占火电厂 装掇慈容爨鹣5 7 + 4 ，德耗东量却占火篷税蕴总耗水量的8 2 。7 。在露我黧 现有火电厂实施节水技术改造中，熏点抓好采用循环冷却的火电厂节水是我 国火电厂节水的关键。本文结合我国内蒙古地区个已建成2 6 0 0 m w 机 缀，又继续扩建毒6 0 0 m w 援缀，袋麓簇嚣冷却熬大型燃潆欠魄厂嚣节采技 术改造，进行以下几方谣的研究工作： 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 结合扩建工程的用水规划和对已建成的2 x 6 0 0 m w 机组实施节水技 术改造，研究制定节水的水务管理计划和改进用水工艺流程，统一规划全厂 的水平衡，降低全厂的耗水量。 ( 2 ) 针对影响火电厂耗水量的主要问题循环水浓缩倍数低，排污水 量大。研究对循环水和循环水的补充水的处理方法，提高浓缩倍数，降低排 污水量。 ( 3 ) 研究利用膜分离技术对循环水的排污水进行处理，回用于锅炉补给 水，实现全厂废水零排放。 ( 4 ) 结合以上三个方面对该电厂节水改造进行经济技术分析研究。 1 5 2 研究的目的和意义 随着我国经济发展的高速增长，城市化和工业化步伐的加快，用水量将 大幅增加。然而工农业用水的浪费，日益严重的水资源短缺和水环境污染不 但严重困扰着国计民生，而且已成为制约社会经济可持续发展的主要因素。 面对有限的水资源，在开发水资源的同时节约用水，减少污废水排放，防止 对水资源环境的破坏，使生产的发展模式从资源消耗型转变为资源节约型， 从损害环境型转变为清洁生产、环境协调型，是关系到国民经济可持续发展 的重要课题【”。 在我国的工业用水中，火电厂的耗水居首位，污废水的排放量也很大。 节约用水、减少污废水的排放也是关系到我国电力工业可持续发展的重要课 题。 1 9 9 9 年我国火力发电量为1 10 8 9k w h 耗水量为4 5 8 亿m 3 ，平均单产 耗水率为4 1 3k ( k w h ) 。我国工业节水“十五”规划要求，至2 0 0 5 年全国火力发电行业应在1 9 9 9 年耗水量基础上节水1 5 亿m 3 ，单产耗水率降 至2 9 9 k g ( k w h ) 1 4 1 。 2 0 0 5 年我国火电装机容量将达2 7 9 3 亿k w ，火电年发电量将达1 33 8 0 亿k w h 【4 3 1 。若按单产耗水率2 9 9k g ( k w h ) 计，全年的耗水量为4 0 亿r n 3 。与1 9 9 9 年相比，在发电量增加2 0 7 的情况下，耗水量减少5 8 亿 m 3 。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 至2 0 1 0 年我国火电装机容量将达3 5 5 3 亿k w h ，年发电量将达1 71 1 0 亿k w h 【4 3 】，如果从现在开始至2 0 1 0 年期间，采取节水措施使火力发电机 组的平均单产耗水率降至2 6 8k g ( k w h ) 以下，则至2 0 1 0 年全国火力发 电的耗水量仍可以维持在1 9 9 9 年的4 5 8 亿m 3 的水平。 2 0 0 2 年我国颁布了国家标准取水定额第l 部分：火力发电( g b t 1 8 9 1 6 1 2 0 0 2 ) ，该标准规定了自2 0 0 5 年1 月1 曰起，火力发电的取水定额 见表1 - 5 t 4 1 。此定额已接近当前国际先进水平，对我国火电厂的节水能起到较 好的指导和规范作用。 表1 5 火力发电厂取水定额 原国家电力公司要求到2 0 0 5 年，国家电力公司系统的火电厂( 装机容量 为1 1 5 4 亿千瓦，约占全国火电装机总容量的5 0 ) ，通过实旌节水技术改 造等手段，年耗水量从目前的2 3 5 4 亿m 3 ，降低到1 7 亿1 1 3 3 ，减少耗水约3 0 。还要求循环冷却的电厂的装机耗水率平均低于o 9 7m 3 ( s g w ) ，平均 单产耗水率从目前的5 9 4k g ( k w h ) 下降到4 3 6k g ( k w h ) 。采用直流 冷却的电厂装机耗水率平均低于0 2 5 m 3 ( s g w ) ，单产耗水率从目前的1 6 9 k g ( k w h ) 下降到1 1 5k g ( k w h ) ，并要求装机容量百万于瓦以上的大 型火电厂实现污废水“零排放”l l ”。 实现零排放的关键一是节水，二是做好污废水的回收利用。在采用循环 冷却的火电厂中，循环冷却水量占电厂总用水量的9 5 9 7 ，循环冷却水 的蒸发、风吹、排污三项水损失之和约占电厂总耗水量的6 5 7 5 。本文 针对导致我国采用循环冷却的火电厂耗水量大的众多因素中的主要因素，围 绕减少循环冷却水的三项损失和循环水排污水的回收利用，所进行的三个方 面研究的目