0 前言
生物质发电起源于20世纪70年代，自90年代以后在国外得到大力发展。近几年，国内生物质发电迅速发展，单台30MW发电机组需要除盐水约10m3/h，其超高压高温锅炉要求补给水质量标准为电导率≤0．2μS/cm，二氧化硅≤20μg/L。对于传统的离子交换除盐系统，全膜法水处理以占地面积小、自动化程度高等优势，特别适用于小出力的除盐系统。全膜法水处理中的超滤、反渗透和EDI（连续电除盐装置）在国内大型火电机组中已有成熟的应用。
1 全膜法系统介绍
全膜法工艺流程见图1。
如图1所示，超滤可去除水中一定颗粒大小的杂质，降低浊度，满足反渗透进水条件；反渗透能选择性地去除98％以上的无机离子，但达不到超高压锅炉用水要求；脱气膜去除水中的二氧化碳，减轻后续EDI装置的负担，EDI装置将传统的电渗析技术和离子交换技术结合起来，进行深度除盐，出水达到锅炉用水标准。电厂使用的超滤、反渗透、脱气膜以及EDI装置参数见表1。
表１ 应用膜的种类及参数
超滤和反渗透是以压力为驱动力，促使膜截留物质，为物理分离过程，超滤为低压驱动，反渗透为高压驱动。脱气膜在电厂水处理领域运用较少，它是利用扩散的原理将水中的气体去除，脱气膜内装有大量的中空纤维，水分子不能通过中空纤维上的小孔，而气体分子能通过。工作时，水流在一定的压力下从中空纤维的里面通过，而中空纤维的外面在真空泵的作用下将气体不断地抽走，形成一定的负压，水中的气体不断向外溢出，去除水中气体。脱气膜能去除约85％的二氧化碳，当进水二氧化碳低于15mg/L时，出水二氧化碳可以小于2mg/L。EDI装置是利用两端电极高压使水中带电离子移动，并配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除，生产出合格除盐水。
2 全膜法系统设计思路
电厂锅炉补给水通常要求较高的水质，除盐系统可以选择传统的阴、阳离子交换器和混合离子交换器工艺，或者选用超滤、反渗透和EDI工艺。传统离子交换除盐系统应用相当广泛，但仍然有不足：占地面积大，厂房投资较高；树脂再生时消耗大量酸碱，并排放大量酸碱废水，污染环境。近年来，膜在水处理领域运用越来越多，成本也逐渐降低，因此在生物质电厂除盐系统中优先选用全膜法。
在本单元承接的这批生物质电厂设计了系统出水10m3/h的超滤、反渗透、脱气膜和EDI设备，同时选配了相应的水泵、水箱、化学加药和清洗装置。原水经过混凝、澄清和过滤去除大部分悬浮物、胶体等物质，再在蒸汽加热器里将温度升至25℃后进入化学除盐系统，化学除盐系统主要设备参数见表2。
表２ 化学除盐系统主要设备参数
因本批设计兴建的生物质电厂有20多个，设计中选择了两种设备布置方式（见图2），一种是按照工艺流程布置（见图2a），主体设备、超滤、反渗透等装置均布置在化水车间内，除盐水箱容积较大布置在室外，该布置方式紧凑，占地面积小，约450m2，前期电厂采用该布置方案，后续设计中进一步优化后占地面积可达400m2，该优化过程是合理调整设备的间距以及相应厂房的大小，达到降低投资造价的理念，后期建设的电厂主要采用优化后的布置。另一种布置方式是按设备功能布置（见图2b），主体设备在化水车间，水箱均布置在室外，水泵全部布置在泵房。该布置方式操作空间大，较美观，但占地面积大，约520m2。
为了节约用地和投资成本，选择按工艺流程布置，如果不考虑用地和成本因素，建议按照设备功能布置。本批次设计中大部分电厂按工艺流程布置，小部分电厂按设备功能布置。
3 全膜法系统流程对比
根据进水水质设计了3种工艺流程，当进水含盐量分别为低、中、高时，分别设置单级反渗透、单级反渗透＋脱气膜、两级反渗透，见表3。在工艺流程的选择上，按照水源水质和投资经济性两个主要因素来进行选择。
表3 3 种工艺系统流程
表3中3种工艺流程的区别在于超滤和EDI之间的设备设置不同，当只选用单级反渗透时，可以简化工艺流程，节省占地投资；当选用单级反渗透＋脱气膜时，省去设置二级反渗透时相应水泵和水箱，投资造价低于两级反渗透；相对前两种工艺，采用两级反渗透工艺流程最复杂，价格最高，大型电厂量大，对水质要求也高，采用两级反渗透可以提高反渗透出水水质，是国内大型电厂一直使用的成熟工艺流程。
3种工艺流程在各生物质电厂均有设计应用，在本批次已调试和运行的20多个电厂中，出水水质能达《火力发电汽动力设备水汽质量》（GB/T 12145—2008）中电导率≤0．2μS/cm和氧化硅≤0．2μg/L的要求。从目前运行情况来看，真空泵经常过载，脱气膜运行不是很稳定，脱气膜的效果不是很明显，是否设置脱气膜装置有待商榷。按照反渗透一年99％脱盐率和三年97％脱盐率设计，建议当进水电导率高于300μS/cm时，设置两级反渗透；当进水电导率低于300μS/cm时，设置单级反渗透。
4 全膜法处理水水质要求
部分电厂调试期间各膜设备主要进出水水质要求见表4。
表4 膜设备主要进出水水质要求
除盐预处理系统为一体化净水器，集混凝、澄清和过滤为一体，设备运行时投加混凝剂（聚丙烯酰胺）和助凝剂，使出水浊度＜5NTU，运行过程中要注意混凝剂投加量（一般为10～30mg/L），防止投加过多，造成对后续超滤的影响；超滤运行的过程中需定期反洗和投加盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠等化学药剂进行加强反洗，使超滤出水浊度＜0．2NTU，SDI＜3，满足反渗透进水条件；反渗透进水投加还原剂和阻垢剂均为1～5mg/L，其中还原剂消除氧化剂对反渗透膜的影响，阻垢剂减轻膜结垢的倾向；未设置脱气膜的单级反渗透装置，在进水处投加碱，以减少二氧化碳的生成，减轻后续EDI设备除盐的负担；现场调试时的单级反渗透出水电导率在5μS/cm左右，满足EDI进水要求，EDI的操作电流建议设置在4A左右，若电流低，电离的H＋、OH－少，再生效果会变差，若电流过高，则会影响EDI的寿命和经济性。
5 问题分析与解决措施
（1）调试期间不具备蒸汽使用条件，生水加热器无法投入运行，生水加热器可将高温蒸汽与生水混合以提高水温，达到膜系统的最佳水温25℃。冬天水温较低，对膜的通量造成影响，如果在设计出力10m3/h下运行，会加快膜通量的衰减。当水温从25℃下降到5℃时，在同样操作条件下，水量会衰减到正常水量的50％以下，严重影响制水量，如果在额定出力下运行，需要增加膜的压差，造成膜快速污染和影响膜的寿命。为了保证膜的长期稳定运行，在调试期间当水温低于15℃且生水加热器未投运时，建议系统略低于设计出力下运行，如选择8m3/h或更低，保证反渗透膜压差低于0．1MPa。
（2）部分电厂设备调试期间，控制系统不具备运行条件，采用手动操作，未做连锁和各种保护，易误操作对设备造成损坏。控制系统是影响工艺系统稳定运行的重要因素之一，如各设备进水水质要求设定值、压差设定值、各保护设定值，保证设备处于安全状态，在未投入程控的前提下，调试运行易产生误操作，对设备造成损害，而且无运行数据可查。
工艺设备安装完成后，而控制系统未安装完成或未投入运行时，为了及时调试制出合格水，工作人员可就地启动设备，调试制水。超滤、反渗透和EDI运行期间，当进水未能满足表4进水要求或膜压差超过其运行允许值时，工作人员未能及时发现并停止设备运行，会影响膜的寿命。超滤启动后，需要间隔30～45min对超滤反洗和定时化学加强洗，在未投入控制系统的前提下，需要人为计时操作，按运行流程手动开启相应阀门，化学加强洗的同时需要依次开启超滤加酸、加碱、加次氯酸钠计量泵，反渗透需要与还原剂和阻垢剂计量泵做控制连锁，同步启停。水箱和水池必须同相应水泵做控制连锁，低液位时不能启泵，高液位时不能进水。建议正式运行前，必须投入控制系统。
（3）部分电厂加药系统不完善，未投加或投加不准确，易对水质产生影响，缩短设备的寿命。一体化净水器根据系统进水调节加药量，加药量在10～30mg/L之间，若不加药，出水浊度达不到超滤进水条件，若加药量过高，易造成超滤膜压差上升快，出水SDI偏高，达不到反渗透进水条件。超滤要定时投加一定浓度的酸、碱、次氯酸钠进行化学加强洗，避免膜污染。要严格按照膜厂家推荐的加药方式和投加量来运行，以免影响膜的使用寿命。。
6 结语
针对水源水质的不同，设计了3种膜法除盐工艺流程，2种布置方式，同时应用于各生物质电厂。生物质电厂采用全膜法处理工艺，系统运行稳定，出水电导率≤0．2μS/cm，二氧化硅≤20μg/L，完全满足锅炉用水要求。建议全膜法不采用脱气膜设备，当进水电导率≤300μS/cm时，设置单级反渗透，当进水电导率＞300μS/cm时设置两级反渗透。全膜法处理工艺自动化程度高，维护方便，占地面积小，在生物质电厂10m3/h的除盐系统中有着广泛的应用前景。
