工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水的膜處理研究

周建興 李玉英 莫家國(guó) 何星基 蔡國(guó)華 黃雪琴 蘇小建 羅習(xí)

【摘 要】文章介紹了采用多功能膜分離設(shè)備對(duì)工業(yè)鍋爐給水（井水與自來水）進(jìn)行處理，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了各種膜的膜通量及一級(jí)膜處理中出水水質(zhì)的濁度、硬度、電導(dǎo)率等，并分析了影響處理效果的進(jìn)水水質(zhì)、膜材料、膜結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)等，同時(shí)進(jìn)行了二級(jí)膜處理的實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明：井水經(jīng)反滲透膜處理的出水、自來水經(jīng)過納濾膜（NF）+反滲透膜（RO）或兩級(jí)反滲透膜（RO）處理的出水水質(zhì)均能達(dá)到《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB 1576—2008）中規(guī)定的給水標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】鍋爐給水；反滲透膜；納濾膜；膜通量

【中圖分類號(hào)】TK223.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）12-0050-05

鍋爐給水水質(zhì)的好壞與鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行息息相關(guān)。未經(jīng)處理或處理不當(dāng)?shù)慕o水，易造成鍋爐結(jié)垢。鍋爐結(jié)垢不僅會(huì)降低鍋爐熱效率、浪費(fèi)燃料、降低鍋爐出力，甚至有可能導(dǎo)致管道堵塞及爆管，造成鍋爐事故，危及人員及生產(chǎn)安全[1]。因此，要對(duì)鍋爐給水進(jìn)行處理，且處理過的水質(zhì)應(yīng)符合《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB 1576—2008）中的規(guī)定，其中硬度、電導(dǎo)率、濁度和pH是重要的給水指標(biāo)。

反滲透膜技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的新興膜分離技術(shù)，它是在常溫下，以膜兩側(cè)的壓力差為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶質(zhì)和溶劑的分離、純化，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種水處理技術(shù)。納濾膜[2]是介于反滲透和超濾之間的一種膜分離技術(shù)，它可以除去直徑為1 nm左右的顆粒，截留相對(duì)分子量范圍為200～1 000。

在試驗(yàn)研究過程中，利用多功能膜分離設(shè)備對(duì)鍋爐給水進(jìn)行處理，按工業(yè)鍋爐水質(zhì)要求對(duì)原水、膜設(shè)備出水的硬度、電導(dǎo)率、濁度、pH水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定、分析，探索各種膜處理鍋爐用水的優(yōu)勢(shì)與不足，并提出了今后的開發(fā)設(shè)想。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水源與水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水采用某企業(yè)廠房?jī)?nèi)的自來水和地下井水。自來水與井水的水質(zhì)情況見表1。

從表1中可以看出，除pH值外，自來水和井水的硬度、電導(dǎo)率、濁度值均高于蒸餾水，且井水最高，因此需要對(duì)鍋爐給水進(jìn)行膜處理分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SJM-DGN型多功能膜分離設(shè)備（合肥世杰膜工程有限責(zé)任公司），PHS—3C精密pH計(jì)（上海雷磁分析儀器廠），DDSJ—308 A型電導(dǎo)率儀（上海雷磁分析儀器廠），DJS—1C型鉑黑電極（上海精密科學(xué)儀器有限公司），SZG—50 A濁度計(jì)（上海悅豐儀器儀表有限公司）。

1.3 工藝流程

膜分離技術(shù)處理系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法

1.4.1 硬度的測(cè)定[3] ——采用EDTA滴定法

硬度（YD）的含量按式（1）計(jì)算：

YD=CEDTA×VEDTA/Vs×103 mmol/L（1）

式中：CEDTA為標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；VEDTA為滴定時(shí)所耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；Vs為水樣體積，mL。

1.4.2 電導(dǎo)率的測(cè)定[3]

取50～100 mL水樣（溫度為25 ℃±5 ℃）放入塑料杯或硬質(zhì)玻璃杯中，將電極用被測(cè)水樣沖洗2～3次后，浸入水樣中進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)定，重復(fù)取樣測(cè)定2～3次，測(cè)定結(jié)果讀數(shù)相對(duì)誤差在±3%以內(nèi)，即為所測(cè)的電導(dǎo)率值。

1.4.3 pH值的測(cè)定

使用精確pH計(jì)測(cè)定水樣的pH值。

1.4.4 濁度的測(cè)定

使用濁度儀測(cè)定水樣的濁度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)中，主要檢測(cè)指標(biāo)為膜通量（L·m-2·h-1）、濁度（NTU）、總硬度（mmol/L）、電導(dǎo)率（μS/cm）、pH值，并對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 膜通量

膜通量[4]是指在一定溫度和跨膜壓差（濃縮液與透過液出口間的壓力差）下，膜對(duì)溶劑的透過能力，單位時(shí)間、單位膜面積溶劑的透過體積即為該膜的膜通量，單位為L(zhǎng)·m-2·h-1。

計(jì)算公式為JV=V/（At）。其中：JV為純水通量，V為在時(shí)間t內(nèi)透過液的體積（L），A為膜有效面積（m2），t為時(shí)間（h）。

2.1.1 鍋爐補(bǔ)給水通過不同膜的膜通量

當(dāng)進(jìn)膜壓力為11.4 MPa、水通過膜流速為34 LPM和頻率為39.0 Hz時(shí)，自來水、井水通過各種膜的膜通量見表2、表3及圖2所示。

由圖2可以看出，納濾膜的膜通量大于反滲透膜，而其中RO1的膜通量大于RO-BW30，NF-1000的膜通量大于NF-200～300，說明各種膜的膜通量與膜的材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過增大操作壓力來提高膜通量，但必然會(huì)增加能耗。運(yùn)行一段時(shí)間后需通過清洗恢復(fù)由此損失的膜通量。

硬度、電導(dǎo)率等比較大的井水，通過各種類型的膜顯示，井水的膜通量比自來水通過時(shí)小，這說明各種類型膜的膜通量還與進(jìn)水水質(zhì)有關(guān)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)來設(shè)計(jì)膜的配置。

2.2 一級(jí)膜處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以水的來源處理效果分析，影響處理效果的因素很多，有進(jìn)水水質(zhì)、膜材料、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)等。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為連續(xù)取各步驟水樣測(cè)試水質(zhì)，取各測(cè)試值的平均值，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析。其中，去除率（%）=（進(jìn)水中含量-透過水中含量）/進(jìn)水中含量×100%。

由表4可知，由于自來水本身的水質(zhì)比較好，經(jīng)過處理后的水質(zhì)基本符合標(biāo)準(zhǔn)。自來水在適宜的操作壓力和頻率下經(jīng)過反滲透裝置后，其水質(zhì)指標(biāo)中的去除率如下：濁度小于0.2 NTU，電導(dǎo)率小于10 μS/cm，電導(dǎo)率的去除率在95%以上，總硬度的處理效果非常好，去除率也在95%以上。

由表5可知，井水是淺層地下水，水質(zhì)也較好，但其礦物質(zhì)含量比較高、水的硬度也比較大。井水在適宜的操作壓力和頻率下經(jīng)過反滲透裝置后，其水質(zhì)指標(biāo)的去除率如下：濁度小于0.5 NTU，電導(dǎo)率<50 μS/cm，電導(dǎo)率的去除率在93%以上，總硬度的處理效果非常好，去除率也在93%以上。對(duì)自來水和井水水質(zhì)進(jìn)行反滲透膜軟化除硬度比納濾膜（NF）出水水質(zhì)優(yōu)，具有技術(shù)的先進(jìn)性。

2.3 不同膜對(duì)水的濁度的去除效果

濁度[5]是表示溶液渾濁的程度，與澄清度相對(duì)應(yīng)， 是一種光學(xué)效應(yīng)。不同膜對(duì)水濁度的處理結(jié)果如圖2（a）、圖2（b）所示。

由圖2（a）、圖2（b）可以看出，RO-BW30膜、RO1膜、NF-200～300膜及NF-1000膜對(duì)自來水處理后濁度去除率分別達(dá)到25%、29.16%、75%、79.17%。出水濁度可以穩(wěn)定在0.5 NTU以下，達(dá)到或優(yōu)于相應(yīng)的國(guó)家工業(yè)鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)。雖然井水的濁度比較大，但是經(jīng)過RO-BW30膜、RO1膜、NF-200～30膜及NF-1000膜對(duì)它進(jìn)行處理后，濁度去除率分別達(dá)到24.67%、32.67%、40.67%和44%，各種膜處理后出水濁度可以穩(wěn)定在1 NTU以下，達(dá)到了相應(yīng)的國(guó)家工業(yè)鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 各種膜對(duì)水硬度的處理效果

水硬度主要指水中Ca2+、Mg2+的含量。在工業(yè)鍋爐運(yùn)行中，防止水垢和水渣的首要任務(wù)是去除硬度。不同膜對(duì)水硬度的處理結(jié)果如圖3（a）、圖3（b）所示。

由圖3（a）、圖3（b）可以看出，不同類型的膜（反滲透膜、納濾膜）對(duì)水硬度的處理效果有很大的差異，但同種類型不同型號(hào)的膜（RO1和RO2、NF-200～300、NF-1000）的出水相對(duì)比較穩(wěn)定。2種反滲透膜的脫硬度率很高，超過90%，甚至接近100%，而且在一定的試驗(yàn)壓力和溫度下，脫硬度率的變化不是很大。而另外2種納濾膜的脫硬度率也都在50%左右。

在一定的操作壓力和溫度范圍內(nèi)，RO-BW30膜和反滲透膜都具有很好的處理效果：對(duì)自來水硬度的去除率分別達(dá)到97.27%及95.9%，產(chǎn)水總硬度小于0.05 mmol/L；對(duì)井水硬度的去除率分別達(dá)到接近98.56%及93.82%，產(chǎn)水總硬度小于0.3 mmol/L；NF-200～300膜和NF-1000膜對(duì)自來水的硬度去除率分別為54.61%和52.22%，對(duì)井水的硬度去除率分別為73.99%和57.84%

2.5 不同膜對(duì)水電導(dǎo)率的處理效果

電導(dǎo)率[6]是衡量水中含鹽量的主要指標(biāo)。不同膜對(duì)水電導(dǎo)率的處理結(jié)果如圖4（a）、圖4（b）所示。

由圖4（a）、圖4（b）可以看出，在一定的操作壓力和溫度范圍內(nèi)，反滲透膜和RO-BW30膜對(duì)電導(dǎo)率去除率很高，對(duì)自來水的電導(dǎo)率的去除率分別達(dá)到97.79%、96.50%；對(duì)井水的電導(dǎo)率的去除率分別達(dá)到98.36%、93.67%；NF-200～300膜和NF-1000膜對(duì)自來水的電導(dǎo)率去除率分別為55.94%和47.53%，對(duì)井水的電導(dǎo)率去除率分別為68.29%和49.48%，對(duì)電導(dǎo)率的去除率反而隨進(jìn)水質(zhì)量濃度的增加而略有上升。

2.6 水的pH值

做好水處理工作，既不能片面地強(qiáng)調(diào)水質(zhì)硬度，也不能忽視鍋爐給水的pH值?！豆I(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB 1576—2008）中要求額定出口蒸汽壓力小于等于2.5 MPa，以水為介質(zhì)的固定式蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐，以水為介質(zhì)的固定式承壓熱水鍋爐和常壓熱水鍋爐進(jìn)水的pH≥7。實(shí)驗(yàn)中，有些出水的pH值達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比如井水經(jīng)過納濾200～300膜、納濾1000膜處理后出水的pH值分別為6.65、6.54，pH<7。在實(shí)際生產(chǎn)中，要積極創(chuàng)造條件維持鍋爐運(yùn)行中鍋水的pH值≥7，以使進(jìn)水達(dá)到工業(yè)鍋爐用水水質(zhì)的要求。

2.7 二級(jí)膜處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB 1576—2008）中規(guī)定蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐的給水一般應(yīng)采用鍋外化學(xué)水處理，水質(zhì)應(yīng)符合硬度低于0.030 mmol/L（以1/2Ca2+，1/2Mg2+計(jì)）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，而在采用一級(jí)RO、一級(jí)NF裝置對(duì)自來水和井水的實(shí)驗(yàn)過程中卻沒能達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)。

為了能達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該事先對(duì)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理，在本次實(shí)驗(yàn)中，采用了NF+RO或兩級(jí)RO裝置對(duì)自來水的處理效果見表6。

由表6可以看出，自來水經(jīng)過NF+RO或兩級(jí)RO處理后出水都能達(dá)到《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB 1576—2008）中蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐的給水要求，水質(zhì)符合硬度≤0.030 mmol/L（以1/2Ca2+，1/2Mg2+計(jì)）的規(guī)定。采用納濾膜和反滲透膜組合連用可以使自來水中的硬度、電導(dǎo)率的去除率很高。在此期間，通過納濾膜或反滲透的部分變成一級(jí)膜處理純水，將一級(jí)膜處理純水進(jìn)入第二次反滲透作為二級(jí)反滲透的進(jìn)水，在足夠的壓力下，將一級(jí)反滲透純水再一次制純出水。結(jié)果顯示，原水經(jīng)過一級(jí)膜處理后，電導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)過二級(jí)反滲透后，使電導(dǎo)率進(jìn)一步下降至≤3 μS/cm。

在實(shí)際的生產(chǎn)中，因二級(jí)反滲透濃水含鹽量遠(yuǎn)低于自來水，若把它排放將是一種很大的浪費(fèi)，故將其全部回流與預(yù)處理的水一起作為一級(jí)膜處理的進(jìn)水，從而實(shí)現(xiàn)二級(jí)反滲透系統(tǒng)的零排放。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)膜技術(shù)處理的鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到鍋爐補(bǔ)給水的要求。采用組合膜制備鍋爐補(bǔ)給水的新工藝是可行且有效的。

（2）在工業(yè)鍋爐給水處理系統(tǒng)中，二級(jí)反滲透出水可達(dá)到《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB 1576—2008）中對(duì)工業(yè)鍋爐用水的水質(zhì)要求，同時(shí)排除了傳統(tǒng)的離子交換法酸堿再生對(duì)環(huán)境的污染。綜合各種因素考慮，建議在純化水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用二級(jí)反滲透水處理系統(tǒng)。

（3）鍋爐補(bǔ)給水的膜處理方法選擇，應(yīng)根據(jù)水源的水質(zhì)、鍋爐對(duì)水質(zhì)的要求，綜合考慮給水和鍋爐水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、蒸汽品質(zhì)要求、水處理設(shè)備等因素，通過經(jīng)濟(jì)比較來確定。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李以善，藍(lán)浩杰.鍋爐結(jié)垢故障樹的建立與分析[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2014，30（9）.

[2]張果，趙艷玲.納濾膜結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究[J].天中學(xué)刊，2008，23（2）.

[3]GB 1576—2008，工業(yè)鍋爐水質(zhì)[S].

[4]王玉紅.納濾特性及其在海水軟化中的應(yīng)用研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2006.

[5]孫廣軍，郭欣巖.濁度和濁度儀在鹽水懸浮物測(cè)量中的應(yīng)用[J].中國(guó)氯堿，2003（1）.

[6]陳果平.地下水電導(dǎo)率與總硬度相關(guān)關(guān)系的研究[J].山東環(huán)境，2000（S1）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]