火電廠海水淡化工藝的技術(shù)經(jīng)濟分析及選擇

1、環(huán)境工程火電廠海水淡化工藝的技術(shù)經(jīng)濟分析及選擇劉炳偉1劉偉杰2胡文培3(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院北京100094;2.北京朗新明環(huán)?？萍加邢薰颈本?00088;3.華北電力大學(xué)經(jīng)濟管理系河北保定071003摘要簡述了膜法與低溫多效蒸餾法海水淡化原理,對低溫多效和多套反滲透海水淡化裝置進行了技術(shù)經(jīng)濟比較分析,比較分析了其制水綜合成本和運行成本。比較結(jié)果表明,低溫多效法高于反滲透法,反滲透法海水淡化加一級反滲透與低溫多效法相當。并且,對八角電廠2種待選海水淡化方案做了經(jīng)濟技術(shù)比較,最終確定了八角電廠的海水淡化方案。關(guān)鍵詞火電廠海水淡化工藝經(jīng)濟分析T echno -economic Analys

2、is and Selection for the Desalination in Pow er P lantLIU Bingwei 1LIU W eijie 2HU W enpei 3(1.State Nuclear Electric Power Planning Design &Research Institute Beijing 100904Abstract This paper describes the principles of membrane method and low -tem perature multi -effect distillation desalinat

3、ion ,conducts technical and econom ic com paris on analysis on the equipment of low -tem perature multi -effect distillation desalination and multi -sets re 2verse osm osis desalination and contrasts the integrated water costs and operation costs.The results show that :low -tem perature multi -effec

4、t desalination is better than the reverse osm osis desalination and the reverse osm osis desalination with one -level reverse osm osis is considerable with low -tem perature multi -effect desalination.In addition ,tw o kinds of desalination programs in Ba Jiao plant are analyzed and finally the desa

5、lination program is determ ined.K ey Words power plant desalination technology econom ic analysis海水淡化技術(shù)起源于20世紀中葉,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,現(xiàn)已遍及全世界100多個國家和地區(qū),并在美、法、日、以色列等發(fā)達國家實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?其有效性和可靠性已經(jīng)得到越來越廣泛的認同。其中,多級閃蒸(MSF 、低溫多效(ME D 和反滲透(RO 已成為海水淡化領(lǐng)域的3大主流技術(shù)。RO 具有投資省、能耗低(無相變、建設(shè)期短、占地面積少的特點,是近20年來發(fā)展最快的海水淡化技術(shù)。而ME D 以其易實現(xiàn)大型化、

6、運行維護成本低、使用壽命長、對海水水質(zhì)要求寬松、出力可調(diào)性強等特點已成為21世紀海水淡化技術(shù)的主要研發(fā)方向。隨著近年來海濱電廠的興建,借助電廠提供的蒸汽和電力進行水電聯(lián)產(chǎn),已成為當今國外大型海水淡化工程建設(shè)的主要模式1。在海水淡化應(yīng)用中,需要考慮工程的規(guī)模、能源費用、原水水質(zhì)、氣候條件、技術(shù)及安全性要求等多種因素。1海水淡化主要工藝系統(tǒng)簡介1.1膜法海水淡化系統(tǒng)簡介(1反滲透膜是一種用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜。它在外加壓力作用下使水溶液中的水通過半透性能的薄膜而不允許水溶液中的鹽分透過,從而達到淡化、凈化或濃縮分離的目的。反滲透過程的能量消耗主要用于克服濃水的滲透壓,滲透壓

7、隨濃度增高而增大,反滲透的能量消耗隨之加大。另外反滲透過程的實際壓力除用于克服滲透壓外,為了維持較高的產(chǎn)水量,還需要一部分推動力用于克服過程的阻力。實際操作壓力要大于滲透壓。為了提高設(shè)備的競爭性,降低制水成本,各個從事反滲透膜組件生產(chǎn)的公司無不把工作重點放在提高水通量和降低操作壓力上。超低壓復(fù)合膜的研制成功,使得反滲透用于海水淡化時,單只膜的脫鹽率可以達到99.2%以上。(2反滲透預(yù)處理。預(yù)處理的作用是防止膜被污染和污堵,其水質(zhì)應(yīng)滿足反滲透裝置的進水水質(zhì)要求:污染指數(shù)(S DI <3;海水反滲透預(yù)處理系統(tǒng)由于受取水方式以及各地海水水質(zhì)的變化而出入較大,一般情況下要經(jīng)過加氯消毒、凝聚過濾、

8、加酸調(diào)節(jié)pH 值、加阻垢劑、消除余氯等措施才能使海水水質(zhì)滿足進入反滲透系統(tǒng)的要求。所以,水質(zhì)是選擇系統(tǒng)的重要依據(jù)。隨著超濾技術(shù)的不斷成熟,超濾設(shè)備費用的降低,超濾作為海水淡化反滲透的預(yù)處理設(shè)備,具有出水穩(wěn)定、占地面積小、保證反滲透穩(wěn)定運行等突出優(yōu)點,已開始應(yīng)用于海水淡化系統(tǒng)的反滲透預(yù)處理中。(3反滲透裝置的回收水率。原水經(jīng)過反滲透處理后,透過膜的淡水作為產(chǎn)品水,而未透過膜的作為濃鹽水排放。反滲透回收率是指反滲透產(chǎn)水與進水的比值?；厥章手饕c進水含鹽量有關(guān),一般情況下含鹽量較高的水或苦咸水回收率可以達到75%-80%,有些系統(tǒng)的水回收率甚至達到90%以上,對于海水,大中型裝置可以采用40%-50

9、%。(4反滲透的高壓泵與能量回收。反滲透本體部分主要由反滲透組件和高壓泵2大部分組成。反滲透組件是整個系統(tǒng)的心臟部分,而高壓泵是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,為反滲透淡化處理提供動力。反滲透淡化海水時,由于高壓濃鹽水的排42工業(yè)安全與環(huán)保Industrial Safety and Environmental Protection2010年第36卷第2期February 2010放量可占進水流量的55%-65%,壓力一般從5.5MPa降至常壓,因此能量損失約60%2。為了降低淡化水的運行費用,通常在濃鹽水排放管線上安裝能量回收裝置。目前常用的能量回收設(shè)備有:渦輪機(包括沖擊式水輪機、各種旋轉(zhuǎn)泵(離心泵和葉片泵

10、、正位移泵和流動功裝置。目前,高性能的能量回收裝置可以回收濃鹽水能量的95%以上,因此安裝此裝置后可使海水淡化的運行費用大為降低,海水淡化的能量消耗一般為3.7-4.5kWh/m3。1.2低溫多效系統(tǒng)蒸餾法簡介蒸餾法又稱為熱法,是最早采用的海水淡化技術(shù)。與膜法相比,產(chǎn)水水質(zhì)較高,產(chǎn)品水的含鹽量可以降到5-10mg/L。另一方面,蒸餾法所能處理的原料水比其他方法廣泛,原水含鹽量從幾百mg/L到幾萬mg/L都可適應(yīng)。蒸餾法海水淡化的裝置類型較多,主要有:多級閃蒸海水淡化和低溫多效海水淡化。多級閃蒸的主要優(yōu)點是運行安全,設(shè)備整體性強,易于大型化。但由于其最高操作溫度在110左右,對傳熱管和設(shè)備本體的

11、腐蝕性較大,必須采用價格昂貴的銅鎳合金、特制不銹鋼及鈦材,因此設(shè)備造價高。另外,為了減輕結(jié)垢和腐蝕,需對進入裝置的海水加酸和脫氣(脫除C O2和O2,因而也增加了造水成本。設(shè)備占地面積較大,能耗高,運行費用相對較高,運行管理復(fù)雜。隨著技術(shù)不斷進步,低溫多效蒸發(fā)技術(shù)表現(xiàn)了較大的發(fā)展優(yōu)勢。其防垢、防腐和設(shè)備的整體性得到較好的解決,與多級閃蒸法比較占地較小、能耗較低,因此近年來發(fā)展較快。2低溫多效海水淡化裝置技術(shù)經(jīng)濟分析黃島電廠3000t/d低溫多效海水淡化裝置是目前我國唯一的低溫多效海水淡化裝置,采用低溫多效加離子交換的工藝提供鍋爐補給水。該項目已于2004年6月4日出水,目前已投產(chǎn)。該裝置運行成

12、本(綜合建設(shè)單位和設(shè)計單位的介紹分析列于表1。據(jù)業(yè)主介紹,低溫多效再加上后續(xù)離子交換,總成本在7元/m3左右,與多級閃蒸相比有較強的市場競爭力3。3反滲透海水淡化裝置技術(shù)經(jīng)濟分析反滲透海水淡化產(chǎn)水含鹽量為100-200mg/L,可作為優(yōu)質(zhì)生活飲用水,同時作為初級淡水經(jīng)進一步除鹽后作為鍋爐補給水。我國反滲透海水淡化已得到迅速的發(fā)展。反滲透海水淡化總產(chǎn)水量已突破4萬m3/d,萬t級以下規(guī)模的反滲透海水淡化工程應(yīng)用技術(shù)已基本成熟,投資成本與運行成本也不斷下降。榮成市5000m3/d反滲透海水淡化裝置按與蒸餾法相同的計算條件估算,其成本僅為3.9元/m3。在海水淡化后應(yīng)用于鍋爐補給水方面,華能電廠建成

13、了2000m3/d的反滲透海水淡化+一級常規(guī)反滲透裝置,產(chǎn)出的淡水再經(jīng)離子交換精制后用于鍋爐補給水,運行已3年。大連石化公司也已建成采用反滲透海水淡化+二級常規(guī)反滲透工藝直接提供鍋爐補給水的生產(chǎn)裝置。自2003年11月投產(chǎn)后,基本連續(xù)運行,開工率高達97%。按與蒸餾法相同計算口徑測算的以上4種海水淡化裝置的成本分析列于表24。表1低溫多效海水淡化經(jīng)濟分析3明細數(shù)據(jù)備注開工率/%90.00電力成本/(元m-30.78電價按0.4元/(kWh蒸汽成本/(元m-3 1.60蒸汽成本按16元/t計化學(xué)品成本/(元m-30.20維修成本/(元m-30.27人力成本/(元m-30.2010人,2萬元/(人

14、a管理成本/(元m-30.10按人力成本的50%計算投資成本/(元m-3 1.84投資回收期20a,利率6.5%運行成本/(元m-3 3.15綜合成本/(元m-3 4.994八角電廠海水淡化工藝系統(tǒng)的選擇表24種反滲透海水淡化裝置成本分析4明細1000m3/d反滲透海水淡化裝置5000m3/d反滲透海水淡化裝置反滲透海水淡化+一級常規(guī)反滲透裝置反滲透海水淡化+二級常規(guī)反滲透裝置總投資/萬元設(shè)備投資/萬元產(chǎn)水量/(m3d-1出水水質(zhì)/(mgL-1電耗/(kWhm-3電力成本(按0.4元/kWh計換膜費用(5a壽命/(元m-3藥劑費用/(元m-3人力成本/(元m-3管理費用/(元m-3年維修成本/

15、(元m-3運行成本/(元m-3投資成本/(元m-3綜合成本/(元m-35503501000100-20041.60.260.200.200.100.183.101.521.42200015005000100-20041.60.380.360.180.090.182.791.113.90187015703000<5520.420.250.200.100.243.211.724.93450035005000<55.052.020.620.620.180.090.413.942.496.43八角電廠位于山東煙臺市經(jīng)濟開發(fā)區(qū),一期2臺300 MW級國產(chǎn)亞臨界燃煤熱聯(lián)產(chǎn)機組,在一期工程廠區(qū)西

16、側(cè)擴建端建設(shè)2臺600MW級超臨界機組,預(yù)計2011年投產(chǎn),項目總投資50億元。根據(jù)全廠水量平衡,本工程需淡化水量約為169t/h。其鍋爐補給水量為94t/h,工業(yè)、生活、消防水總水量為75t/h。本工程分別擬采用膜法與熱法2種淡化方案,通過技術(shù)、經(jīng)濟比較,確定推薦方案。4.1工藝系統(tǒng)的比較根據(jù)水源水質(zhì)以及工業(yè)、生活、消防水對水質(zhì)的要求,擬定膜法海水淡化系統(tǒng)如圖1。海水淡化系統(tǒng)中超濾膜組件所產(chǎn)生的反沖洗水、清洗水等進入機組直流冷卻系統(tǒng);海水反滲透膜裝置的濃水排至濃水回收池,其中一部分作為電解海水制氯的原料水,其余進52 入海水脫硫系統(tǒng)曝氣池。海水反滲透裝置的產(chǎn)水分為2部分:一部分作為鍋爐補給水

17、處理系統(tǒng)的淡水水源,進入補水反滲透裝置進行深度處理;另一部分作為工業(yè)、消防和生活水。本工程海水淡化選擇2×125t/h 。海水反滲透裝置回收率按40%計,則選擇3×210t/h 超濾裝置 。圖1膜法海水淡化系統(tǒng)根據(jù)水源水質(zhì)以及工業(yè)、生活、消防水對水質(zhì)的要求,擬定低溫多效熱法淡化系統(tǒng):海水泵預(yù)處理低溫多效裝置淡水箱。濃水排至濃水回收池,其中一部分作為電解海水制氯的原料水,其余進入海水脫硫系統(tǒng)曝氣池。產(chǎn)水分為2部分,一部分去鍋爐補給水系統(tǒng)作為鍋爐補給水處理系統(tǒng)作淡水水源,另一部分作為工業(yè)水、消防水、生活水。4.2蒸餾法和反滲透法技術(shù)比較表3和表4分別為蒸餾法和反滲透法的技術(shù)及經(jīng)

18、濟比較。表3蒸餾法和反滲透法技術(shù)比較項目蒸餾法反滲透法能耗低溫多效的當量電耗率暫按8kW h/t 左右,其電耗成本約1.6元/t 反滲透法優(yōu)于單目的的蒸餾法,但不明顯優(yōu)于雙目的(熱電造水的蒸餾法海水預(yù)處理預(yù)處理較簡單,懸浮物要小于300mg/L ,建議小于50mg/L 為宜預(yù)處理系統(tǒng)復(fù)雜,一般要針對水質(zhì)進行絮凝澄清、過濾和加氯等預(yù)處理;或從岸邊井取水;或設(shè)置浮臺,從深海取水,系統(tǒng)占地面積大技術(shù)成熟度國外已相當成熟,國內(nèi)示范國內(nèi)外均成熟表4蒸餾法和反滲透法經(jīng)濟比較項目分類膜法熱法備注基建費用設(shè)備費3025萬元5025萬元土建費635萬元370萬元估算投資安裝費600萬元500萬元按設(shè)備費10%-

19、20%運行費用藥品費RO 系統(tǒng)加藥加酸費:0.5元/t蒸發(fā)器海水加酸加藥費:0.20元/t動力費、耗電量按5kW h/t 耗能折合人民幣1.0元/t 按4.5kW h/t 水當量電耗折合人民幣0.9元/t 電價按0.2元/kW h燃料費折合人民幣:3.57元/t每t 蒸汽折價35.7元,海水淡化的造水比按照110考慮。年維修、折舊費維修費0.24元/t 0.4元/t 為設(shè)備費的2%折舊費2.9元/t1.83元/t蒸發(fā)器按運行壽命20a ,膜法含RO 、超濾換膜費(按5a 更換1次制水成本 4.64元/t 6.9元/t根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗,海水淡化日產(chǎn)水5000-10000t/h 的規(guī)模適用于低溫多效蒸餾法,日產(chǎn)水量>10000t/h 的采用多級閃蒸法有更高的經(jīng)濟效益,而日產(chǎn)水量<5000t/h 的規(guī)模適用于膜法海水淡化。本工程海水淡化量為4000t/h ,適宜用膜法海水淡化。5結(jié)論(1在蒸汽價格僅按35.7元/t 計算時,低溫多效法成本比反滲透法海水淡化+一級常規(guī)反