水泥窑余热发电锅炉补给水处理工艺设计

□程明涛

一、引言

水泥是不可或缺的建筑材料，但生产过程要大量消耗一次能源(煤炭)、二次能源(电力)，属于高能耗产业。虽然近年来水泥技术有了长足的发展，大大提高了工艺系统的热效率，新型干法水泥生产线中2，500t/d、5，000t/d的熟料热耗已分别达到3，265kJ/kg(780 kcal/kg)、2，970kJ/kg(710kcal/kg)，但能耗高、CO2排放量高的局面并未得到实质性改善，尤其是大量的中低温废气余热没有得到充分利用，造成余热资源大量浪费，和节能降耗的总趋势是相悖的。

新型干法水泥生产工艺中，余热资源主要来自窑尾预热器和窑头篦冷机的废气。这部分废气在烘干原料和燃煤后，还蕴含有水泥熟料烧成系统总热耗量30%左右的热量。进一步利用这些中、低品位的余热是水泥生产企业资源综合利用、节约能源、减少温室气体排放的有效途径，有益于国家可持续发展目标的实现。为降本增效，节能减排，目前大多数水泥生产线均利用窑头、窑尾的中、低温烟气进行余热发电，响应国家政策。某水泥生产企业有两条规模为4500t/d+5000t/d水泥熟料生产线，热力计算后可配置余热锅炉4台，具体参数见表1。

表1 锅炉热力参数表

经热力计算，本工程装机容量为2×9MW，每一条水泥生产线配置一台9MW补气凝汽式汽轮机，联网并上网运行。AQC和SP锅炉的高压蒸汽汇合后进入汽轮机做功发电，AQC锅炉的低压蒸汽作为汽轮机补汽。

二、锅炉补给水水质要求

本项目的余热锅炉为汽包炉，过热蒸汽压力1.54MPa，AQC过热蒸汽温度360℃，SP锅炉过热蒸汽温度300℃，额定蒸汽产量88.9t/h。经查相关规范确定全厂锅炉厂内汽水循环损失和对外供汽损失总和为3%，锅炉的排污率按1%设计，即正常运行时补水量为3.55t/h。为防止锅炉结垢，延长锅炉使用寿命，为每条生产线窑头窑尾锅炉配置一套磷酸盐加药装置，炉内加磷酸盐控制锅炉结垢。考虑到项目启机或事故时的用水量(额定蒸发量的10%)及业主方面的要求，最终锅炉补给水处理能力定为20t/h。锅炉水、汽质量分别执行《工业锅炉水质》(GB/T1576—2008)、《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》(GB/T12145—2008)的要求。

表2 汽包锅炉给水、炉水的质量控制标准(GB1576－2008)

表3 汽包炉的过热蒸汽和饱和蒸汽质量控制标准(GB1576－2008)

三、锅炉补给水处理工艺系统的选择

该项目位于东北，水源为当地机井井水，总硬度略高为252.24 mg/L(CaCO3计)，阴离子中以HCO3－占绝大部分，其次是，Cl－仅占很小部分。

(一)处理工艺的选择。目前，锅炉补给水处理工艺大致分为离子交换工艺、一级反渗透+混床、反渗透+EDI等几种，各自的工艺流程如下。

离子交换工艺:原水－原水箱－原水泵－多介质过滤器－活性炭过滤器－5μm精密过滤器－阳离子交换床－阴离子交换床－阴阳离子混床－微孔过滤器－用水点。

一级反渗透+混床:原水－原水箱－原水泵－多介质过滤器－活性炭过滤器－软水器－5μm精密过滤器－一级反渗透－中间水箱－中间水泵－混合离子交换器－微孔过滤器－用水点。

反渗透+EDI:原水－原水箱－原水泵－多介质过滤器－活性炭过滤器－软水器－5μm精密过滤器－一级反渗透－pH调节－中间水箱－中间水泵－EDI装置－微孔过滤器－用水点。

以上各工艺过程是制取除盐水的主流工艺，各有其优缺点。就离子交换工艺而言，离子交换树脂的再生需要消耗大量酸碱，导致大量含酸碱废水的产生，废水的后续处理比较困难，环境污染问题也不容忽视;且树脂交换容量的利用率低，损耗率大，再生操作复杂，需要时间长。在自动化要求越来越高和环保要求日趋严格的大环境下，其应用的局限性越来越突出。在反渗透+混床工艺中，作为前处理的反渗透工艺除去了绝大部分盐分，经过离子交换后出水水质可以得到很好的保证，离子再生过程中所需酸碱耗量较纯离子交换工艺也有所减少，且投资成本适中，是近几年多数热电厂选择锅炉补给水工艺的首选。但是，随着环保要求的日益严格，混床再生时必须停机才能操作，不能实现连续运行，也不是最优选择。在反渗透+EDI工艺中，由于EDI装置对进水水质要求极为严格，一级RO产水经常达不到EDI装置的进水要求，需要两级RO才能满足EDI装置的进水要求，在同等出力下，投资成本将大幅增加，限制了此工艺的推广与使用。因此，本项目采用一级反渗透+混床的水处理工艺。

表4 原水水质

(二)一级反渗透+混床工艺设计。

1.工艺流程。锅炉补给水采用反渗透+混床处理工艺，其主要工艺流程如下:管网供水→原水箱→原水泵(一用一备)→多介质过滤器→活性炭过滤器→热交换器→5μm保安过滤器→高压泵(一用一备)→反渗透装置→除碳器→中间水箱→中间水泵(一用一备)→混合离子交换器→树脂捕捉器→除盐水箱→除盐水泵(一用一备)→热力系统。

系统辅助工艺流程有:过滤器反洗系统、RO清洗系统、混凝剂投加系统、杀菌剂投加系统、阻垢剂投加系统、还原剂加药系统、加氨系统和混床再生系统等。

2.预处理系统。反渗透膜对进水水质有着严格的要求(详见表5)，必须对原水进行预处理才能达到相关要求。本项目拟采用多介质过滤器+活性炭过滤器的组合工艺作为预处理系统，对原水进行预处理。

表5 反渗透进水水质要求

经多介质过滤器，主要用于去除原水的悬浮物质和胶体，降低原水的浊度。其主要作用机理为过滤截留。原水流经装有各级不同粒径石英砂的过滤器，在较低滤速下，原水中较大的颗粒悬浮物和胶体等能有效地被过滤截留而得到去除，使出水的浊度小于1mg/L，以保证后续处理的正常运行。本项目还在多介质过滤器投加杀菌剂与絮凝剂，对原水进行杀菌、絮凝，确保多介质过滤器能够对水中的浊度进行有效的去除，满足反渗透的进水要求。

经多介质过滤器过滤后的原水，浊度已经得到很大的改善，但依然有余氯、少量的有机物和悬浮物等杂质，需要进一步处理才能达到反渗透膜的进水要求。活性炭是一种多孔碳，孔隙结构发达，堆积密度较低，具有巨大的比表面积。独特的孔隙结构及表面活性官能团的存在，赋予活性炭超强的吸附能力，使其对气体、溶液中有机或无机物质、胶体颗粒均具有较强的吸附能力。当原水流经活性炭过滤器时，各种悬浮颗粒、有机物等被吸附在活性炭孔隙中;同时，吸附于活性炭表面的余氯在其表面发生氧化反应，被还原成Cl－，余氯得到了有效的去除，确保出水其含量小于0.1 mg/L，满足RO膜的运行条件。

3.除盐系统。经过预处理的水经高压泵加压后进入反渗透装置，在压力作用下，水分子透过膜成为纯水，而其他可溶性离子、有机物、细菌病毒及极细小颗粒则被截留在反渗透膜表面，最终随小部分浓水排入地沟。在进入反渗透之前设置还原剂与阻垢剂加药装置，分别投加亚硫酸氢钠溶液和反渗透专用阻垢剂，防止反渗透膜被氧化和结垢，并设置板式换热器，对原水进行加热，确保水温在25℃左右，延长设备使用寿命。

反渗透系统采用一级两段设计，系统回收率≥75%，一段和二段采用3:1配置，第一、二段压力容器分别为3个、1个，每个压力容器内装4根膜元件，反渗透膜采用聚酰胺复合膜，其最高操作温度45℃，最高操作压力4.1MPa，pH范围为2～11。

在反渗透装置之后设置混床，对反渗透出水进行精除盐。在进入混床之前，反渗透产水先进行脱气处理，除去其中的CO2，保证离子交换的正常工作。阳、阴树脂装填的比例为1:2，总装填高度1.5m，并设100%的反洗再生膨胀空间。本系统于2014年11月初投入使用，系统产水经当地锅检所检验后相关水质标准如下(水样来自混床出水)。

表6 锅检所水质检验报告

从表6中可得出，出水水质各项指标均符合本项目的要求。期间由于由于机井刚开挖完成不久，浊度一度达到6 FTU以上，但通过增大絮凝剂加药量及过滤器反洗频率，成功的保证了出水水质的稳定，出水电导率始终稳定在1.0 μS/cm以下，为整个余热发电项目的顺利进行提供了保障。

四、结语

通过对各种锅炉补给水处理系统的分析比较可知，一级反渗透+混床除盐工艺能够很好地满足锅炉补给水的水质要求。在水泥窑余热发电工程中，由于补给水水量普遍偏小(＜20t/h)，反渗透+混床的工艺在保证出水水质的同时，项目投资较其他工艺也具有比较优势，值得同类工程进行借鉴。但由于混床的存在，再生过程中需要用到酸碱，并产生含酸碱废水，这和日益严格的环保要求是相悖的，值得广大同仁的深思。

［1］GB/T1576—2008工业锅炉水质［S］.

［2］GB/T12145—2008火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量［S］.

［3］GB/T50109—2006工业用水软化除盐设计规范［S］.

［4］DL/T5068—2006火力发电厂化学设计技术规程［S］.

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