鍋爐給水處理全膜法工藝的研究

王令兆，王讀福，管廷江，李成龍，林蒙蒙，牟少燕

(山東濰焦控股集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262404)

2016年，我國火力發(fā)電在全部類型發(fā)電中占比達(dá)74.4%[1]。顯然，以燃煤鍋爐為主的的火力發(fā)電仍是我國最主要的發(fā)電方式。傳統(tǒng)燃煤鍋爐，是指經(jīng)過燃煤在爐膛中燃燒釋放熱量，把熱媒水或其它有機(jī)熱載體(如導(dǎo)熱油等)加熱到一定溫度(或壓力)的熱能動力設(shè)備。水在其中擔(dān)負(fù)著傳遞能量的重要作用，同時(shí)還向附近企業(yè)和住宅區(qū)提供生產(chǎn)或取暖用蒸汽或熱水，也擔(dān)負(fù)著冷卻介質(zhì)的作用。為保證鍋爐的正常運(yùn)行，原水需經(jīng)過一系列的凈化處理后，達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求(GB 12145-2016)，才能滿足鍋爐給水要求。

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，大容量的高壓、超高壓和亞臨界蒸汽鍋爐不斷出現(xiàn)，對鍋爐的水汽質(zhì)量提出了更高的要求，來與之相適應(yīng)。近年來鍋爐補(bǔ)給水的水處理技術(shù)也有了很大的發(fā)展。從離子交換樹脂類化學(xué)法到膜法處理，大大降低了水處理工藝中化學(xué)藥品的使用量，減少了廢水排放量。而全膜法工藝更是以設(shè)備占地面積小、現(xiàn)場安裝工作量小、化學(xué)藥品用量少、無污染物排放、運(yùn)行操作簡單、易于維護(hù)、自動化程度高、設(shè)備運(yùn)行成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得膜法成為當(dāng)今世界各國電廠鍋爐補(bǔ)給水的主流工藝。

1 全膜法工藝

全膜法水處理工藝，它將不同的膜工藝有機(jī)地組合在一起，以常規(guī)水源或經(jīng)生化、過濾等常規(guī)處理后達(dá)標(biāo)排放的市政污水、工業(yè)廢水為進(jìn)水，采用“超濾+反滲透+EDI”的組合工藝，達(dá)到高效去除污染物以及深度脫鹽的目的，滿足各種用途的水質(zhì)要求。

1.1 預(yù)處理

工業(yè)上，通常將鍋爐給水水源稱為原水，原水中的雜質(zhì)，主要可分為三大類：懸浮物、膠體和溶解物。在北方地區(qū)多以黃河水為主的地表水為原水，懸浮物比較多，而且水中富含細(xì)菌、微生物、藻類等雜質(zhì)，經(jīng)膜處理前，必須經(jīng)想相應(yīng)的預(yù)處理工序，過濾除掉。

1.1.1 機(jī)械過濾

多介質(zhì)過濾器是在一定的壓力下把濁度較高的水通過一定厚度的石英砂和無煙煤，從而有效的除去懸浮雜質(zhì)使水澄清的過程，多介質(zhì)過濾器選擇合適級配的填料及較低的運(yùn)行濾速，濾除原水帶來的細(xì)小顆粒、懸浮物、膠體等雜質(zhì)。

1.1.2 超濾

目前，許多水處理系統(tǒng)運(yùn)行不好的主要原因是預(yù)處理不達(dá)標(biāo)，從而影響了反滲透的性能，進(jìn)而影響了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定[2]。常規(guī)預(yù)處理主要采用混凝、沉淀、機(jī)械過濾等方法，但存在占地面積大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展，用超濾膜法工藝對鍋爐補(bǔ)給水預(yù)處理己得到越來越多廣泛的應(yīng)用。

1.1.2.1 基本原理：

超濾采用的是一種加壓膜分離技術(shù)，以機(jī)械物理篩分原理為基礎(chǔ)，以膜兩側(cè)壓差為驅(qū)動力，即在一定的壓力下，使小分子溶質(zhì)和溶劑穿過一定孔徑的特制的薄膜，而使大分子溶質(zhì)不能透過，留在膜的一邊。因此機(jī)械過濾處理不完全的微粒、膠體、有機(jī)物，以及部分細(xì)菌、病毒和原生動植物等都會被超濾去除，從而使水得到進(jìn)一步凈化。

1.1.2.2 超濾技術(shù)特點(diǎn)

超濾是一種節(jié)能、環(huán)保的過濾分離技術(shù)，其作用機(jī)理主要分為兩個(gè)方面：一是膜表面膜孔大小與形狀的限制，大分子溶質(zhì)和微粒被截留在超濾膜一側(cè)，溶劑和小分子溶質(zhì)則可以通過膜孔到達(dá)超濾膜另一側(cè)。二是在超濾進(jìn)行穩(wěn)定時(shí)，膜表面形成厚度穩(wěn)定的濾餅層，濾餅層能有效阻止大分子透過。相對于?？椎慕亓糇饔?，濾餅層的截留作用更顯著。來水經(jīng)泵加壓進(jìn)入超濾系統(tǒng)時(shí)，與超濾膜形成錯(cuò)流，在膜兩側(cè)壓力差的驅(qū)動下，水在膜表面發(fā)生分離，大分子溶質(zhì)和微粒被截留，其他小分子溶質(zhì)和溶劑則穿過超濾膜，從而達(dá)到分離、提純和濃縮的目的。

超濾裝置最核心的部件是超濾膜。超濾膜的類型主要有平板超濾膜、管式超濾膜、毛細(xì)式超濾膜、中空纖維超濾膜和多孔超濾膜。其中，中空纖維超濾膜是是一種很薄的聚合材料，由聚砜(PS)，聚醚砜(PES)，PVDF或聚丙烯腈(PAN)制成并帶有非對稱的微孔結(jié)構(gòu)。不對稱超濾膜擁有一層極光滑極薄(0.1μm)的孔徑在0.002～0.1μm間的內(nèi)表面，此內(nèi)表面由孔徑大到15μm的非對稱結(jié)構(gòu)海面體支撐結(jié)構(gòu)支撐。這種小孔徑光滑膜表面合較大孔徑支撐材料的結(jié)合使得過濾微小顆粒的流動阻力很小并不易堵塞，是超濾膜中最受歡迎一種膜類型。

超濾膜多為不對稱的結(jié)構(gòu)，由一層極薄(通常小于1μm)、具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚(通常小于125μm)、具有海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成。前者起分離作用，后者超起支撐作用。

超濾裝置的過濾范圍，主要在于超濾膜的孔徑大小，一般在0.001～0.1μm范圍內(nèi)，商品化的超濾膜多用截留分子量相適應(yīng)的孔徑的大小來表示膜的性能，這種表示方法雖不能完全代表膜的實(shí)際性能，但可作為用戶選擇膜的一個(gè)重要指標(biāo)。超濾技術(shù)的操作壓力低，設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低，無相變，能耗低，可有效分離水中的懸浮物、膠體、有機(jī)物等雜質(zhì)。通過超濾，產(chǎn)水水質(zhì)要明顯好于傳統(tǒng)的多介質(zhì)過濾，即使來水是水質(zhì)很差的廢水，超濾產(chǎn)水的 SDI 甚至可以穩(wěn)定在 2以下，這樣就大大延長了下游反滲透膜的壽命，保證了整個(gè)水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 預(yù)脫鹽-反滲透RO

反滲透(RO) 又叫逆滲透，是以自然滲透相反的過程而命名，如圖1。反滲透是利用半透膜的選擇透過性，以壓力差作為推動力，在膜的一側(cè)施加施以比自然滲透壓力更大的壓力，使?jié)B透向相反方向進(jìn)行，促使原液里的溶劑穿過半透膜到膜另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離、提純和濃縮。該技術(shù)具有效率較高、維護(hù)成本低、操作簡便等優(yōu)勢[3]。

圖1 自然滲透與反滲透

1.2.1 基本原理

水處理預(yù)除鹽反滲透系統(tǒng)，是利用反滲透膜的選擇通過性，在壓力的作用下，原水從膜的一側(cè)流向另一側(cè)，其中，水分子選擇性透過反滲透膜，從原水側(cè)到達(dá)另一側(cè)，而其它的離子則留在原來一側(cè)。隨著原水的流程逐漸增長，水分子不斷從原水中流走，匯集為產(chǎn)水。留在原來一側(cè)的含鹽量不斷增大，并且逐步得到濃縮，最終成為濃水。

1.2.2 反滲透技術(shù)特點(diǎn)

反滲透體系主要起到脫鹽的功能。利用反滲透膜的基本特性來除去水中大部分可溶性鹽分、膠體、有機(jī)物及微生物。典型的系統(tǒng)是由保安過濾器、高壓泵、反滲透組件、反滲透清洗系統(tǒng)，以及分配進(jìn)水和收集產(chǎn)水的管路和閥門組成。原水經(jīng)過預(yù)處理后達(dá)到反滲透膜的進(jìn)水要求，在高壓泵的強(qiáng)大壓力下進(jìn)入裝有反滲透膜的壓力容器，通過高壓泵的壓力大于滲透壓的原理，水分子和一小部分小分子有機(jī)物通過半透膜進(jìn)入產(chǎn)水側(cè)，通過產(chǎn)水收集管收集后進(jìn)入反滲透產(chǎn)水箱中間水箱。剩余的含有大量鹽分的濃水收集后進(jìn)入濃水處理系統(tǒng)。

目前常用的反滲透膜分為纖維素類和非纖維素類，纖維素類最常用的是醋酸纖維素分離膜，非纖維素類有芳香族聚酰胺膜和薄膜復(fù)合膜等。芳香族聚酰胺膜是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的膜[4]。雖然這種膜幾乎可以適用于任何進(jìn)水水質(zhì)，但在實(shí)際操作過程中，反滲透膜具有復(fù)雜性和精密性的特點(diǎn)，極易受到污染和堵塞，一旦受到輕微的機(jī)械損傷也會對其實(shí)際效能帶來較大的影響，因此在利用反滲透技術(shù)進(jìn)行水處理過程中，需要對進(jìn)水水質(zhì)嚴(yán)格要求，并要預(yù)先對原水進(jìn)行有效處理，確保SDI在5以下，pH值在4～10。溫度在0～40℃以內(nèi)[5]，以此來提高水處理過程中反滲透裝置的高效性。

當(dāng)進(jìn)水惡化或?qū)Ξa(chǎn)水要求比較高時(shí)，尤其是在北方地區(qū)，黃河水補(bǔ)充地表水，水質(zhì)波動明顯，對于單級反滲透產(chǎn)水不能滿足水質(zhì)要求的情況下，可以設(shè)置兩級反滲透，可以獲得更高的脫鹽率。

1.3 精脫鹽-電除鹽EDI

連續(xù)電除鹽裝置又稱為EDI，是一種把電滲析和離子交換的特點(diǎn)巧妙結(jié)合起來的工藝，是利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析極化而脫鹽不徹底，又利用電滲析極化而發(fā)生水電離產(chǎn)生H+和OH-離子實(shí)現(xiàn)樹脂自再生來克服樹脂失效后通過化學(xué)藥劑再生的缺陷[6]。在越來越多的水處理工藝中，已開始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰陽離子交換床進(jìn)行深度除鹽，是近十年發(fā)展起來的新工藝[7]。

1.3.1 基本原理

電除鹽EDI是一種將電滲析技術(shù)和離子交換技術(shù)融為一體的深度除鹽技術(shù)，如圖2。EDI系統(tǒng)包括陰、陽離子極板，離子交換膜，陰、陽離子交換樹脂，直流電源等。

圖2 EDI結(jié)構(gòu)及基本原理

EDI的基本原理主要有以下幾個(gè)過程[8]:

(1)電滲析過程：陽離子交換膜和陰離子交換膜交替排列于正負(fù)兩個(gè)電極之間，并用隔板將其隔開，組成淡化室和濃縮室。當(dāng)原水流入隔室后，在外電場作用下，陽離子向負(fù)極遷移，陰離子向正極遷移，但由于離子交換膜的選擇透過性(陽離子只能透過陽離子交換膜，陰離子只能透過陰離子交換膜)，從而使淡室中的鹽水淡化，濃室中鹽水被濃縮，實(shí)現(xiàn)脫鹽目的。

(2)離子交換過程：靠離子交換樹脂對水中電解質(zhì)離子的交換作用，去除水中的離子。

(3)電化學(xué)再生過程：利用滲析的極化過程產(chǎn)生的H+和OH-和及樹脂本身的水解作用對樹脂進(jìn)行電化學(xué)再生。其中前兩個(gè)過程都對提高出水水質(zhì)起正面作用，而再生過程由于離子交換會使水質(zhì)變壞，所以必須選擇適宜的工作環(huán)境，才能既達(dá)到出水水質(zhì)的要求，又能實(shí)現(xiàn)再生的目的。

1.3.2 EDI技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的深度除鹽系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的復(fù)床+混床工藝，此工藝是利用離子交換樹脂能夠從水溶液中吸著某種(類)離子，而把本身所具有的另外一種相同電荷符號的離子等摩爾量地交換到水溶液中去[9]。由于離子交換劑交換容量有限，當(dāng)交換完畢后，需用帶有本身離子的再生劑再生，以恢復(fù)其交換功能。因此，這一系統(tǒng)需要消耗大量的酸、堿溶液去再生離子交換樹脂，從而產(chǎn)生一定量的酸、堿性廢水，污染環(huán)境，運(yùn)行成本較高。

EDI技術(shù)的最大特點(diǎn)是用電場和離子膜取代離子交換樹脂的化學(xué)再生，EDI在運(yùn)行過程中，樹脂分為交換區(qū)和新生區(qū)，在運(yùn)行過程中，雖然樹脂不斷進(jìn)行離子交換，但電流連續(xù)不斷的使樹脂再生，從而形成了一種動態(tài)平衡；EDI模塊內(nèi)將能始終保持一定空間的新生區(qū)；這樣EDI內(nèi)的樹脂也就不再需要化學(xué)藥品的再生，且其產(chǎn)水品質(zhì)也得到了較高的保證。

EDI與混床相比其主要特點(diǎn)如下：

(1)混床運(yùn)行時(shí)間歇式，在運(yùn)行一段時(shí)間后，樹脂會被穿透，此時(shí)產(chǎn)水率下降，需要對混床進(jìn)行停機(jī)再生。而EDI運(yùn)行是連續(xù)性的，EDI在運(yùn)行過程中即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的離子消耗和再生，從而持續(xù)不斷的進(jìn)行產(chǎn)水；

(2)EDI系統(tǒng)不需使用酸堿溶液對樹脂進(jìn)行再生，克服了樹脂化學(xué)再生造成的廢水污染；

(3)EDI排放的濃水可直接回到二級反滲透RO前再利用，這樣EDI單元可以做到?jīng)]有廢水排放；

(4)EDI無需酸堿再生，使純水系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化，占地面積小，操作簡化，運(yùn)行費(fèi)用更低。

2 山東濰焦控股集團(tuán)鍋爐補(bǔ)給水全膜法工藝

山東濰焦控股集團(tuán)現(xiàn)有鍋爐配套建設(shè)120 t/h的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，采用全膜法工藝。通過充分論證其一次性投資、運(yùn)行費(fèi)用、設(shè)備的工藝穩(wěn)定性，結(jié)合帶來的環(huán)保問題，與其他方案進(jìn)行了多方位的比較。最后確定選用全膜法工藝。

2.1 主工藝流程

原水→原水箱→原水泵→原水加熱器→絮凝劑加藥、殺菌劑加藥→多介質(zhì)過濾器→超濾裝置→超濾產(chǎn)水箱→一級反滲透給水泵→(還原劑、阻垢劑)→一級保安過濾器→一級加壓泵→一級反滲透裝置→中間水箱→中間水泵→二級保安過濾器→二級加壓泵→二級反滲透裝置→淡水箱→淡水泵→EDI保安過濾器→EDI電除鹽裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→除鹽水主管。

一級反滲透濃水匯集，可作為反洗多介質(zhì)過濾器用。

二級反滲透裝置濃水回收至超濾產(chǎn)水箱。

EDI裝置濃水回收至中間水箱。

2.2 流程示意圖

圖3 鍋爐補(bǔ)給水全膜法工藝流程

其中，超濾系統(tǒng)采用 44 個(gè)膜元件組成的超濾裝置，超濾膜選用北京賽諾SMT600-P80中空纖維素膜，出力為 2×100 m3/h。一套裝置分兩組并聯(lián)，單組裝置分兩列布置，膜元件安裝在一個(gè)框架上，架上配備全部管道及接頭，還包括所有的支架、緊固件、夾具及其它附件。

反滲透系統(tǒng)采用一、二雙級兩套反滲透串聯(lián)裝置，均反滲透膜選用美國DOW BW30-400膜，一級反滲透裝置正常出力2×74 m3/h，二級反滲透裝置正常出力2×67 m3/h。反滲透裝置包括2臺一級高壓泵和2套一級反滲透膜組件，2臺二級高壓泵和2套二級反滲透膜組件。每套反滲透膜組件為兩段排列，第一套共計(jì)168支反滲透膜；第二套66支反滲透膜，兩套共計(jì)132支反滲透膜。

電除鹽EDI系統(tǒng)采用 24 個(gè)膜塊組成的EDI裝置，EDI膜選用美國GE E-CEll-3X膜，出力為 2×60 m3/h。一套裝置分兩組并聯(lián)，單組裝置上下兩層布置。

3 展望

全膜法鍋爐給水處理工藝，其出水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)良，完全能滿足電廠鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)的要求。與傳統(tǒng)的離子交換處理技術(shù)相比，全膜法因其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)在電廠中應(yīng)用將會越來越廣泛。

隨著科技的發(fā)展，全膜法工藝也將不斷地得到改進(jìn)，筆者認(rèn)為主要在以下三個(gè)方面：

一是濃水回用，全膜法工藝中，二級反滲透和EDI濃水都能夠?qū)崿F(xiàn)回用，但一級反滲透的濃水，只作為反洗機(jī)械過濾器的反洗水，可增加濃水深度處理裝置進(jìn)行再提取，倪國強(qiáng)等[10]提出根據(jù)反滲透濃水的特點(diǎn)，可加入阻垢劑，如濃水中某貴重離子含量較高，可對該離子進(jìn)一步濃縮提純，再回用反滲透系統(tǒng)，調(diào)節(jié)濃水和進(jìn)水比例，達(dá)到循環(huán)利用；詹金坤[11]還驗(yàn)證了反滲透濃水作為超濾反洗水的可行性，也是一種反滲透濃水利用的新方法。

二是開發(fā)新的膜材料，研究開發(fā)低壓超薄、抗污染、長壽面、易清洗、高截留和高水通量的新型膜材料，從根本上解決全膜法水處理應(yīng)用中存在的問題；

三是實(shí)現(xiàn)“超濾+反滲透+EDI”聯(lián)用，滿足一套設(shè)備從進(jìn)水到出水的一機(jī)多功能操作。實(shí)現(xiàn)無人值守自動化連續(xù)運(yùn)行。簡化操作，提高水利用率。

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