基于“預(yù)處理+二級(jí)反滲透”在燃?xì)忮仩t水處理中的應(yīng)用

許雷 陳俊 邵鐘鳴

摘 要：為積極響應(yīng)并貫徹落實(shí)煙草行業(yè)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的要求，切實(shí)承擔(dān)煙草企業(yè)應(yīng)盡責(zé)任，曲靖卷煙廠啟動(dòng)實(shí)施天然氣鍋爐改造項(xiàng)目，使用清潔能源，用以置換現(xiàn)有燃煤鍋爐，促進(jìn)節(jié)能減排工作。為更好匹配燃?xì)忮仩t對(duì)水質(zhì)要求，提高動(dòng)力設(shè)備保障能力，配套對(duì)動(dòng)力中心原燃煤鍋爐的水處理系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用“預(yù)處理+二級(jí)反滲透”工藝方案，在實(shí)現(xiàn)燃?xì)忮仩t給水，降低維護(hù)管理費(fèi)用并保障水質(zhì)要求的同時(shí)，助推環(huán)保、節(jié)能和清潔的綠色工廠建設(shè)。

關(guān)鍵詞：反滲透;水處理;預(yù)處理

0引言

為積極響應(yīng)并貫徹落實(shí)煙草行業(yè)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的要求，承擔(dān)煙草企業(yè)應(yīng)盡責(zé)任，曲靖卷煙廠啟動(dòng)實(shí)施天然氣鍋爐改造項(xiàng)目，購(gòu)置燃?xì)忮仩t用以置換現(xiàn)有燃煤鍋爐，使用天然氣清潔能源，降低生產(chǎn)能耗，減少污染物排放，助力企業(yè)生態(tài)文明建設(shè)。為更好匹配燃?xì)忮仩t對(duì)水質(zhì)要求，提高動(dòng)力設(shè)備保障能力，需對(duì)動(dòng)力中心原燃煤鍋爐配套的原水處理系統(tǒng)進(jìn)行改造，以降低管理維護(hù)費(fèi)用，建設(shè)環(huán)保、節(jié)能和清潔的綠色工廠。

1現(xiàn)有燃煤鍋爐采用水處理系統(tǒng)

現(xiàn)有動(dòng)力中心鍋爐房水處理系統(tǒng)采用型號(hào)為L(zhǎng)WLN3-100的三塔式流動(dòng)床，處理能力100t/h，它集流體技術(shù)、射流技術(shù)與離子交換技術(shù)于一體，是基于離子交換的水處理設(shè)備。

1.1工作原理

（1）采用離子交換的原理去水中硬度，在交換塔內(nèi)當(dāng)離子交換樹脂與原水相遇時(shí)，水中的鈣Ca2+、鎂Mg2+等離子與樹脂（NaR）發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到去除水中鈣鎂鹽類的目的。

（2）新生樹脂：經(jīng)交換后的再生樹脂從交換塔逐層下落，在水中吸附鈣鎂離子后形成飽和樹脂，然后被送到再生塔與原水進(jìn)行逆流置換形成新生樹脂，恢復(fù)交換能力。

（3）樹脂循環(huán)過程：接通水泵電源，加入交換樹脂和再生用鹽后的原水從交換塔下部進(jìn)入，在交換塔上部落下樹脂。在交換塔內(nèi)，原水與樹脂進(jìn)行交換，吸收離子后達(dá)到軟化效果，供后續(xù)生產(chǎn)使用。當(dāng)硬度小于5mg/L時(shí)，采用一級(jí)鈉離子交換（即三塔式流動(dòng)床），可達(dá)99.6%交換率，具體工藝流程如圖1所示。

1.2 三塔式流動(dòng)床性能特點(diǎn)

（1）逆流置換：循環(huán)系統(tǒng)采用逆流原理，離子交換樹脂的效能得以最好發(fā)揮。采用均速均流設(shè)計(jì)的布水系統(tǒng)，減少偏流現(xiàn)象，達(dá)到交換充分和出水水質(zhì)穩(wěn)定的效果。

（2）循環(huán)不間斷運(yùn)行：設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成交換、再生、清洗等工藝流程，向末端提供連續(xù)軟水供應(yīng)，與固定床相比，不存在正反洗和停床現(xiàn)象。

1.3存在問題

（1）若原水堿度過高（如>2mmol/L），在進(jìn)行Na+軟化時(shí)，通過2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O、Na2CO3+H2O=2NaOH+CO2↑+H2O反應(yīng)后，引起OH-增加，總堿度上升。蒸汽中CO2濃度增加，導(dǎo)致酸、堿腐蝕[1]。脫堿采用鈉離子交換加酸來去除，通過加酸量控制達(dá)到預(yù)期堿度（>0.5mmol/L）。在整個(gè)處理過程中大量使用酸后，排放的廢液呈酸性，又需要使用堿液中和，處理困難，酸堿消耗量大，且不利于綠色環(huán)保企業(yè)建設(shè)。

（2）該系統(tǒng)使用至今，工藝處理能力逐步下降，多介質(zhì)過濾器嚴(yán)重老化，多介質(zhì)過濾效果較差，出水水質(zhì)不穩(wěn)定。管理維護(hù)費(fèi)用較高。

（3）流動(dòng)床使用過程中，大量復(fù)雜的工作在射流過程中完成，樹脂容易破碎，破碎的樹脂進(jìn)入后續(xù)工序，引起過濾閥、濾網(wǎng)等設(shè)備堵塞，引起水路系統(tǒng)故障，清潔維護(hù)困難，維護(hù)不及時(shí)還可能造成設(shè)備停機(jī)，降低設(shè)備運(yùn)行效率，不利于設(shè)備保障。

（4）處理后的水質(zhì)指標(biāo)，只可以滿足原有燃煤鍋爐使用需求，無法達(dá)到燃?xì)忮仩t對(duì)供給水的使用要求。

2水處理工藝介紹

目前常用的除鹽有四種：化學(xué)除鹽（離子交換法）、電力除鹽（電滲析法）、壓力除鹽（反滲透法）、熱力除鹽（蒸餾法）[4]。但隨著技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不局限于此，出現(xiàn)了各種技術(shù)結(jié)合互補(bǔ)的處理方法，比如反滲透—離子交換法聯(lián)合處理方式可以降低水源水質(zhì)多變所帶來的影響，并可減少再生頻率，延長(zhǎng)樹脂壽命，同時(shí)大大減少離子交換法再生劑用量，排放的廢液量減少了，有利于環(huán)境保護(hù);而離子交換樹脂電滲析法是在原有電滲析器的隔板中加入交換樹脂，通過電遷移來降低電滲析器的電阻，提高除鹽效率和使用壽命等多種處理工藝。

以上提到的四種水處理除鹽工藝都是技術(shù)成熟工藝，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工用水以及工業(yè)鍋爐和汽輪機(jī)用水、生物制藥、食品等各個(gè)行業(yè)，根據(jù)生產(chǎn)工況的實(shí)際情況采用相適應(yīng)的處理工藝即可。

通過前期交流、論證，目前常用的四種除鹽方式：（1）化學(xué)除鹽（離子交換法）占地較大，工藝復(fù)雜。（2）電力除鹽（電滲析法）能源消耗大，主要應(yīng)用在高壓鍋爐和電力汽輪機(jī)上。（3）熱力除鹽（蒸餾法）一般適用于小容量水處理。（4）壓力除鹽（反滲透法）主要應(yīng)用于生物制藥、食品、醫(yī)療用純水制取上。

3水處理改造方案

反滲透法目前已經(jīng)越來越廣泛用于鍋爐水處理工藝[2-3]。經(jīng)前期調(diào)研及反復(fù)論證，本次水處理系統(tǒng)改造擬采用預(yù)處理+二級(jí)反滲透水處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)具有環(huán)保性、先進(jìn)性，出水水質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)于原水硬度、濁度、細(xì)菌總量適應(yīng)范圍廣。其脫鹽率能達(dá)到98%以上，滿足工廠燃?xì)忮仩t對(duì)供給水的要求，分析如下：

3.1反滲透（RO）與離子交換工藝比較

（1）技術(shù)方面差異：反滲透（RO）對(duì)含鹽量高的原水處理優(yōu)勢(shì)明顯;而離子交換對(duì)原水含鹽量具有特定要求。

（2）經(jīng)濟(jì)方面異同：反滲透（RO）處理工藝主要消耗電能，能耗低;離子交換法酸堿消耗。因此，酸堿排放量很低，減少了環(huán)境污染。這也是世界范圍內(nèi)有85%的除鹽裝置采用反滲透工藝的主要原因之一。

（3）運(yùn)行角度差異：反滲透（RO）技術(shù)簡(jiǎn)單，離子交換工藝操作復(fù)雜、程序繁多、故障率高;反滲透工藝具有技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備簡(jiǎn)單、體積小、日常操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

（4）原水回收率方面：反滲透（RO）技術(shù)耗水量高原水回收率只有75%;而離子交換雙室雙層浮動(dòng)床工藝自用水率僅為10%。

綜合以上四個(gè)方面比較，反滲透工藝主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以脫除原水中98%的溶解鹽。去除率是離子所帶電荷的函數(shù)，二價(jià)和三價(jià)離子幾乎被完全去除;

（2）連續(xù)運(yùn)行，水質(zhì)穩(wěn)定無須用酸堿再生，不會(huì)因再生而停機(jī);

（3）以高產(chǎn)率產(chǎn)生超純水（產(chǎn)率可以高達(dá)95%）無再生污水;

（4）無須酸堿儲(chǔ)備和酸堿稀釋運(yùn)送設(shè)施，使用安全可靠，避免工人接觸酸堿;

（5）系統(tǒng)占地面積較小;

（6）安裝簡(jiǎn)單、安裝費(fèi)用低，運(yùn)行及維護(hù)成本低。

3.2反滲透水處理工藝技術(shù)成熟

反滲透技術(shù)是最近幾年來發(fā)展比較成熟的水處理技術(shù)。從1999年開始到現(xiàn)在，膜的需求量成倍增長(zhǎng)。反滲透是一種高新膜分離技術(shù)，它主要是利用半滲透膜的滲透原理，通過一定的方式給它施加一種壓力，反于自然滲透方向的力，使?jié)馊芤褐械乃蛳∪芤褐袧B透，這種方式稱為反滲透。反滲透水處理工藝中，在原水進(jìn)入端施加高于溶液自身滲透壓的壓力（反向加壓），使水透過膜，能截留大于0.0001微米的物質(zhì)，能有效截留所有溶解鹽份及分子量大于100的有機(jī)物等使原水溶解雜質(zhì)不能透過膜而從濃水端排掉，從而達(dá)到了除鹽的目的[6]。一級(jí)或二級(jí)反滲透（RO）+連續(xù)電除鹽裝置（EDI）可以達(dá)到次、高壓鍋爐用水要求。

目前組合式膜處理工藝已經(jīng)應(yīng)用于純凈水制取、中水處理、廢水處理、化工用水以及工業(yè)鍋爐和汽輪機(jī)用水等各個(gè)行業(yè)，形成一整套成熟處理方式。

3.3水質(zhì)滿足使用需求

燃?xì)忮仩t設(shè)備型號(hào)為UL-SX28000的BOSCH進(jìn)口全自動(dòng)燃?xì)膺^熱蒸汽鍋爐，對(duì)供給水的電導(dǎo)率、pH值（輔助量KS8.2）或硅酸含量有較高要求，這三個(gè)數(shù)值與鍋爐的排污率密切相關(guān)，一旦超過表1所示對(duì)供給水的要求，鍋爐的排污率也會(huì)增加，超過5%。如果供給水中的值更高，則排污率提高，意味著熱損失提高，鍋爐熱效率降低。鍋爐水在達(dá)到電導(dǎo)率、PH值（輔助值KS8.2）和硅酸含量限制值的時(shí)候?qū)⒙?lián)鎖停爐，即如果要保證鍋爐連續(xù)正常運(yùn)行，必須保證鍋爐水中電導(dǎo)率的最大值不超過限制值。

反滲透的脫鹽率主要取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和分子量，二級(jí)反滲透水處理水質(zhì)可以達(dá)到電導(dǎo)率（25℃）：≤5μS/cm;PH范圍滿足PH（25℃）：8.0-9.5，完全滿足鍋爐水質(zhì)需求。

4反滲透水處理系統(tǒng)

通過設(shè)置備用濃水箱（利舊），將一級(jí)RO濃水和超濾濃水利用至綠化和衛(wèi)生清理，可以將排污率降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般標(biāo)準(zhǔn)“兩級(jí)反滲透RO”75%回收率，進(jìn)一步提高水資源利用。具體工藝流程如圖2所示。

4.1預(yù)處理

預(yù)處理系統(tǒng)包括：原水泵、疊片過濾器、活性炭過濾器、超濾裝置等設(shè)備，各工藝模塊功能如下：

原水泵：保證系統(tǒng)有穩(wěn)定的壓力、流量，防止系統(tǒng)的波動(dòng);

超濾反洗泵：為超濾裝置反洗提供動(dòng)力;

疊片過濾器：為超濾裝置前端預(yù)處理單元，濾速高、設(shè)備簡(jiǎn)化、占地面積小;

活性碳過濾器：為超濾裝置前端預(yù)處理單元，進(jìn)一步去除水中有機(jī)物、氧化物等，去色、脫氮、去除有機(jī)物、去除有機(jī)氮等。

超濾裝置：根據(jù)原液流向的不同又區(qū)分為內(nèi)壓式和外壓式，如圖3所示。

超濾膜分離技術(shù)具有占地面積小、出水水質(zhì)好（出水SDI小于3）、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。超濾膜其技術(shù)特點(diǎn)主要有：能耗低、投資費(fèi)用低、易操作管理、超濾液純凈、過濾精度高、抗污染和氧化能力強(qiáng)、適用PH值范圍寬廣、耐壓與防漏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

預(yù)處理系統(tǒng)主要防止反滲透膜面結(jié)垢（包括CaCO3、CaSO4、SrSO4、CaF2、SiO2、鐵、鋁氧化物等在膜面沉積）;防止膠體物質(zhì)及懸浮固體微粒污堵;防止有機(jī)物的污堵;防止微生物污堵;防止氧化性物質(zhì)對(duì)膜的氧化破壞;保持反滲透裝置產(chǎn)水量穩(wěn)定，從而保證反滲透裝置穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命[5]。

4.2反滲透系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要包括增壓泵、保安過濾器、高壓泵、反滲透膜組件、反滲透清洗裝置、反滲透加藥裝置及單元內(nèi)所有管道、閥門、儀表、電源柜、控制設(shè)備及必需的其它附件;作為后續(xù)除鹽系統(tǒng)設(shè)備的預(yù)純裝置，反滲透裝置是該系統(tǒng)的心臟部分，設(shè)計(jì)成熟合理與否不僅直接決定RO系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能;經(jīng)RO裝置處理的水，能去除絕大部分無機(jī)鹽類和幾乎全部的有機(jī)物、微生物。

反滲透法能適應(yīng)各類含鹽量的原水，尤其是在高含鹽量的水處理工程中，反滲透法因其純率高，回收率高，運(yùn)行穩(wěn)定，占地面積小，操作簡(jiǎn)便，能獲得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，反滲透成為純水的制取工程中不可缺少的。

4.3控制及監(jiān)測(cè)防護(hù)

水處理設(shè)備控制系統(tǒng)采用西門子PLC，程式的任務(wù)主要是針對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透裝置、加藥裝置的程式控制及其它水泵與液位的聯(lián)鎖?？刂葡到y(tǒng)中的PLC根據(jù)工藝運(yùn)行要求，以完成各工藝設(shè)備驅(qū)動(dòng)、啟停、連鎖等控制功能：

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，控制系統(tǒng)將根據(jù)工藝流程即時(shí)檢測(cè)各個(gè)工藝點(diǎn)電導(dǎo)、流量，液位元等數(shù)值，并根據(jù)所得資訊控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行;當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)不符合工藝要求的數(shù)值時(shí)，將及時(shí)調(diào)整該點(diǎn)相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作;但判斷為故障點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)將及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并關(guān)停相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。反滲透（RO）系統(tǒng)停止工作，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。

當(dāng)PLC系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可轉(zhuǎn)換為手動(dòng)狀態(tài)：操作人員可通過就地儀表盤作業(yè)系統(tǒng)，完成各工藝流程操作。

4.4設(shè)備布置方案

現(xiàn)有鍋爐房2#、3#鍋爐下0m層有超過400m2空地，水處理系統(tǒng)擬布置在該區(qū)域，實(shí)施改造安裝時(shí)不與現(xiàn)有水處理設(shè)備交叉、影響可以降低到最小。具體設(shè)備布置如圖4所示。

根據(jù)圖4所示方案進(jìn)行設(shè)備布置，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）充分利用現(xiàn)有鍋爐房電、氣管線系統(tǒng)等，電源取自鍋爐房+10m層低壓配電室原燃煤鍋爐配電柜，離設(shè)備布置現(xiàn)場(chǎng)距離沿已有橋架布線約90m，可以滿足系統(tǒng)供電。動(dòng)力柜布置于+10m層低壓配電室，控制柜和現(xiàn)場(chǎng)顯示、操作柜現(xiàn)場(chǎng)吊裝;壓縮空氣可以直接從0m層空壓氣管搭接，距離約20m;節(jié)約土建投資。

（2）鍋爐給水與原有軟水系統(tǒng)相接，除氧水系統(tǒng)與原有系統(tǒng)相接，新建水處理設(shè)備不與原有水處理設(shè)備發(fā)生關(guān)系，控制、管道、線路完全獨(dú)立。還可以利用原有軟水箱等設(shè)備，節(jié)約設(shè)備投資。

（3）2*30t/h二級(jí)反滲透平面安裝尺寸需要約為300m2，最大安裝高度4m，鍋爐房0m層空間拆除2#、3#燃煤鍋爐后有超過400m2空間和5.5m的安裝高度，滿足布置空間需求，該安裝位置距離軟水箱較近，布管方便。

5結(jié)語(yǔ)

文章通過將“預(yù)處理+二級(jí)反滲透”的水處理工藝引入到燃?xì)忮仩t水處理系統(tǒng)，在前期反復(fù)論證，并與離子交換法對(duì)比，該處理系統(tǒng)工藝在環(huán)保性、先進(jìn)性等方面優(yōu)勢(shì)明顯，出水水質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)于原水硬度、濁度、細(xì)菌總量等參數(shù)適應(yīng)范圍廣，其脫鹽率能達(dá)到98%以上，滿足改造后燃?xì)忮仩t對(duì)供給水的要求，有效提升鍋爐運(yùn)行的能耗指標(biāo)。

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