反滲透膜在工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水中的應(yīng)用試驗(yàn)研究

李玉英 周建興 莫家國 何星基 蔡國華 李盛好 蘇小建 胡衛(wèi)朋 羅習(xí)

【摘 要】文章介紹了目前工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水處理的方法及離子交換法與反滲透法處理鍋爐補(bǔ)給水的現(xiàn)狀，本項(xiàng)目采用反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水的工藝及關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，以及根據(jù)工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水特點(diǎn)設(shè)計(jì)制作的一套反滲透膜處理設(shè)備并進(jìn)行1個(gè)月的連續(xù)應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)的結(jié)果可為反滲透膜在工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水中膜處理設(shè)備的小型、集成和工業(yè)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】反滲透膜；鍋爐補(bǔ)給水；應(yīng)用試驗(yàn)

【中圖分類號】TK227.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）10-0039-04

鍋爐水處理的主要任務(wù)就是通過水質(zhì)處理，防止因水汽品質(zhì)不良而造成鍋爐汽水系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢、積鹽和污堵等現(xiàn)象的發(fā)生，提高鍋爐的傳熱效率，確保鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。當(dāng)水垢約1 mm時(shí)，就要多消耗5%的燃料；當(dāng)水垢約4 mm時(shí)，就要多消耗12%的燃料；當(dāng)水垢約7 mm時(shí)，燃料消耗增加到30%[2]。因此，鍋爐補(bǔ)給水處理的好壞直接影響著鍋爐的工作效率，只有做好鍋爐的水質(zhì)處理，進(jìn)行水處理技術(shù)的不斷革新，才能不斷提高鍋爐的工作效率，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹了反滲透技術(shù)處理工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水的連續(xù)性試驗(yàn)研究結(jié)果，可以為反滲透膜在工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水中膜處理設(shè)備的工業(yè)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水處理現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水處理方法

工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水處理方法目前比較成熟的主要有反滲透法、陰陽離子交換除鹽法、鈉離子交換軟化法、鍋內(nèi)加藥法等。水處理方式選擇不當(dāng)會增加對環(huán)境污水的排放量。解決這一問題的對策就是采用更先進(jìn)、合理的水處理方法。在較大的蒸汽鍋爐中采用反滲透或部分反滲透加離子交換法的方法，減少或降低離子交換法處理的比例，從而達(dá)到減少再生液排放量的目的[3]。

1.2 工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水處理存在的問題

目前應(yīng)用最為廣泛的爐外水處理方法是離子交換器法，離子交換器可分為固定床離子交換器、浮動床離子交換器及移動床離子交換器等[4]。固定床離子交換的缺點(diǎn)是交換劑層再生前，上層交換劑早已呈失效狀態(tài)，因此增大了交換劑的使用量，而且交換器不是連續(xù)運(yùn)行的，不能始終保證水質(zhì)良好。移動床離子交換的缺點(diǎn)是移動床對水質(zhì)和水量變化的適應(yīng)性差，只能在水量大且水質(zhì)穩(wěn)定的情況下才能使用，樹脂在使用過程中反復(fù)磨損，容易損壞。流動床離子交換的缺點(diǎn)是設(shè)備高度較高，必須保證足夠的空間，只適合在水質(zhì)穩(wěn)定的情況下使用，適用范圍受到局限[5]。

反滲透是當(dāng)今最先進(jìn)和最節(jié)能有效的膜分離技術(shù)。微濾膜、超濾膜、納濾膜所截留的只是水中的某幾種物質(zhì)，而反滲透膜截留的對象是所有的離子，讓水透過膜，出水為無離子水，可以直接應(yīng)用于對水質(zhì)要求高的生產(chǎn)線[1]。反滲透系統(tǒng)與傳統(tǒng)離子交換系統(tǒng)比較，其優(yōu)點(diǎn)是無需用酸堿再生，無再生廢水；工人勞動強(qiáng)度降低；無需酸堿儲備和酸堿稀釋、運(yùn)送設(shè)施、設(shè)備，降低了運(yùn)行和維修成本；安裝簡單、安裝費(fèi)用較低；缺點(diǎn)是一次性投資較大[6]。

本項(xiàng)目對反滲透膜在工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水中的應(yīng)用試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

2 反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水工藝試驗(yàn)

2.1 工藝流程

反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水工藝如圖1所示。

鍋爐補(bǔ)給水從調(diào)節(jié)閥V1進(jìn)入水箱Ⅰ，當(dāng)水位高于高水位時(shí)，調(diào)節(jié)閥V1自動關(guān)閉，當(dāng)水位低于低水位時(shí)，調(diào)節(jié)閥V1重新啟動；鍋爐補(bǔ)給水中大顆粒物及不溶性物質(zhì)在水箱Ⅰ中可以自由沉淀，通過調(diào)節(jié)閥V2進(jìn)入排污管道排出。水箱Ⅰ中的鍋爐補(bǔ)給水通過不銹鋼多級泵的作用力進(jìn)入到反滲透膜系統(tǒng)中，鍋爐補(bǔ)給水在膜系統(tǒng)中進(jìn)行選擇性透過，滲透液通過滲透管道及流量計(jì)進(jìn)入水箱Ⅱ中，水箱Ⅱ配有液位自動控制器，當(dāng)滲透液過多、過量注入水箱Ⅱ時(shí)，水位高于高水位時(shí)，多功能泵將停止工作，當(dāng)滲透液過少注入水箱Ⅱ時(shí)，水位低于低水位時(shí)，多功能泵將重新啟動，達(dá)到鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)的滲透水，通過調(diào)節(jié)控制閥V3進(jìn)入鍋爐供水管道。反滲透膜中不能透過的物質(zhì)被截留將通過回流管道進(jìn)入水箱Ⅰ中。

2.2 處理設(shè)備

反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水設(shè)備主要配件見表1，實(shí)樣圖如圖2所示。

2.3 連續(xù)性試驗(yàn)

采用設(shè)計(jì)制作的反滲透膜處理設(shè)備對鍋爐補(bǔ)給水進(jìn)行1個(gè)月的連續(xù)性試驗(yàn)，測定水樣通過反滲透膜處理設(shè)備的水質(zhì)指標(biāo)前后變化。

2.3.1 反滲透膜處理水樣效果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

硬度、總堿度、濁度、電導(dǎo)率及pH都是表征水樣水質(zhì)的重要指標(biāo)。硬度是指水樣中鈣鎂離子的含量，鈣鎂離子含量大將引起水垢和水渣?？倝A度及pH表征水樣的酸堿特性指標(biāo)。濁度表示溶液渾濁的程度和相對澄清度，是一種光學(xué)效應(yīng)，它的大小由水樣中固體懸浮物的濃度決定。電導(dǎo)率是衡量水中含鹽量的主要指標(biāo)，決定水溶液電導(dǎo)率的是溶液中離子的性質(zhì)和濃度、溶液的溫度和黏度等因素。由表2結(jié)果可知，鍋爐補(bǔ)給水通過反滲透膜后，硬度、總堿度、濁度及電導(dǎo)率都有了一定的去除，去除率分別為98.96%、88.24%、56.18%、99.77%，溶液pH呈中性，處理后水樣能達(dá)到工業(yè)鍋爐水質(zhì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。因此可知，反滲透膜具有較好地處理和凈化水質(zhì)的特性，對溶液中的硬度、總堿度、濁度及電導(dǎo)率的去除起到良好的效果。

2.3.2 不同壓力下對水樣的處理效果

研究不同壓力下反滲透膜處理鍋爐補(bǔ)給水，處理后滲透水水質(zhì)變化及反滲透膜對原水硬度、總堿度、濁度、電導(dǎo)率的去除率變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3和圖3。

由表3和圖3可知，硬度、濁度和電導(dǎo)率隨著反滲透膜壓力的增大而降低。在壓力為1.0 MPa的條件下，硬度、濁度和電導(dǎo)率的去除率分別達(dá)到99.37%、97.83%和99.89%。由此可知，利用反滲透膜基本可以去除水中的鹽分及其他離子，去除效果顯著。同時(shí)，反滲透膜對水質(zhì)總堿度的去除率也很明顯，去除率達(dá)94%，隨著反滲透膜壓力的增大，去除率沒有很顯著的變化。

2.3.3 反滲透膜處理設(shè)備最佳條件下對水樣的處理效果

實(shí)驗(yàn)采用了反滲透膜對鍋爐補(bǔ)給水進(jìn)行處理，研究了反滲透膜處理鍋爐補(bǔ)給水的最佳操作條件的選擇，具體條件如下：壓力為1.5～1.6 MPa，溫度為35 ℃±1 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可得，在溫度為35 ℃±1 ℃下，壓力P=1.6 MPa和P=1.5 MPa的水質(zhì)處理效果基本一致，鍋爐補(bǔ)給水的硬度、總堿度、濁度及電導(dǎo)率的去除率分別可達(dá)99.64%、94.12%、97.83%和99.90%，基本可以截留水樣中的鈣鎂離子、鹽分及微小顆粒。考慮到反滲透膜處理設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，在溫度為35 ℃±1 ℃下，選擇1.5 MPa的壓力作為反滲透膜處理設(shè)備最佳運(yùn)行壓力。

2.3.4 反滲透膜處理設(shè)備連續(xù)運(yùn)行中產(chǎn)水率、產(chǎn)水量對膜污染的情況

在膜處理設(shè)備連續(xù)運(yùn)行中，隨著產(chǎn)水量的增加，若循環(huán)水箱的水不向外排出，其循環(huán)水硬度將不斷增加，膜會很快受到污染，產(chǎn)水速率下降，膜處理后的產(chǎn)水硬度也升高，產(chǎn)水水質(zhì)降低，最后產(chǎn)水水質(zhì)不能達(dá)標(biāo)。因此，連續(xù)運(yùn)行中產(chǎn)水率、產(chǎn)水量對膜污染影響很大。表5反映了反滲透膜處理設(shè)備連續(xù)運(yùn)行中產(chǎn)水率、產(chǎn)水量對膜污染的情況。

從表5可看出，產(chǎn)水率在85.55%～98.00%時(shí)，達(dá)標(biāo)的產(chǎn)水量在131.5～54.59 m3，反滲透膜處理設(shè)備連續(xù)運(yùn)行天數(shù)不到10 d。產(chǎn)水率在79.12%～81.20%時(shí)，達(dá)標(biāo)的產(chǎn)水量在478.7～415.0 m3，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行天數(shù)可到30 d。因此，控制產(chǎn)水率在80%，循環(huán)水排水率控制在20%，反滲透膜處理設(shè)備連續(xù)運(yùn)行15 d后，對反滲透膜處理設(shè)備進(jìn)行一次清洗，即反滲透膜處理設(shè)備每月清洗2次，可保證設(shè)備產(chǎn)水量在1 m3/h的狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。

2.3.5 反滲透膜處理設(shè)備的清洗及其效果

由于反滲透膜處理設(shè)備連續(xù)運(yùn)行是在碳酸鈣地區(qū)進(jìn)行，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行后反滲透膜上的污染物主要是碳酸鈣垢，通?？蛇x擇酸洗方式除去膜上的污染物。試驗(yàn)中分別選擇了2.0%鹽酸和檸檬酸溶液清洗膜，但采用2.0%鹽酸溶液清洗膜的效果不佳，而采用2%左右檸檬酸溶液清洗膜的效果很好。因此，試驗(yàn)中當(dāng)產(chǎn)水硬度接近0.03 mmol/L時(shí)，用3.5～4.0 kg的檸檬酸溶解于200 L水中，用泵循環(huán)清洗膜1 h，再用自來水將循環(huán)水洗達(dá)pH為7左右，此時(shí)反滲透膜處理設(shè)備產(chǎn)水量的恢復(fù)率可至99%以上。

3 投資及運(yùn)行費(fèi)用比較

根據(jù)電廠鍋爐給水處理系統(tǒng)中膜處理系統(tǒng)與離子交換處理系統(tǒng)投資和運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)分析，膜處理系統(tǒng)的1 t/h投資為4.13萬元，離子交換處理系統(tǒng)的1 t/h投資為3.2萬元，膜系統(tǒng)投資較離子交換系統(tǒng)高1.3倍。按照水處理系統(tǒng)每年運(yùn)行7 000 h計(jì)算，膜處理系統(tǒng)處理1 t水的運(yùn)行費(fèi)用為0.59元；離子交換處理系統(tǒng)處理1 t水的運(yùn)行費(fèi)用為2.7元，膜系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用僅是離子交換系統(tǒng)的0.22倍。

膜處理系統(tǒng)雖然一次性投資比離子交換處理系統(tǒng)的高，但是年運(yùn)行費(fèi)用要比離子交換處理系統(tǒng)的低很多，膜處理系統(tǒng)約8個(gè)月節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用即可收回初期多投部分的投資。因此，工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水中膜處理系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水工藝的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 選擇最佳反滲透膜組件材料

實(shí)際工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水處理中選取膜材料時(shí)，可以綜合考慮以下幾方面因素：補(bǔ)給水的組成成分、所處理水的溫度與pH值、膜材料構(gòu)成的反滲透膜的機(jī)械強(qiáng)度與化學(xué)特性等。本項(xiàng)目選擇確定具有低壓、高通量和高抗污染特征的膜材料，作為反滲透膜為核心的工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的主要部件，確保設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)良好穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和節(jié)能的功能。

4.1.2 解決膜壓自動控制及水質(zhì)自動檢測的控制方式

采用壓敏在線檢測和調(diào)頻控制方式實(shí)現(xiàn)自動控制膜壓及電導(dǎo)在線檢測和出水旁路閥門控制方式實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動控制，確保設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)良好穩(wěn)定。

4.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

選用低壓、高通量和高抗污染特征的反滲透膜為核心的工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，采用壓敏在線檢測和調(diào)頻控制方式實(shí)現(xiàn)自動控制膜壓及電導(dǎo)在線檢測和出水旁路閥門控制方式實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動控制，確保設(shè)備水質(zhì)良好穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和節(jié)能的功能。

5 結(jié)語

采用反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水工藝應(yīng)用試驗(yàn)研究列入桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水中的節(jié)能型膜處理設(shè)備研制”（項(xiàng)目合同編號：20120203）。應(yīng)用該工藝及設(shè)備對工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水進(jìn)行了1個(gè)月的連續(xù)試驗(yàn)，在最佳操作條件下，鍋爐補(bǔ)給水的硬度、總堿度、濁度及電導(dǎo)率的去除率分別為99.64%、94.12%、97.83%和99.90%，水質(zhì)處理效果顯著，處理后的水質(zhì)滿足工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水要求。反滲透膜上的碳酸鈣污垢，經(jīng)檸檬酸溶液和水清洗后，產(chǎn)水量可恢復(fù)至99%以上。控制產(chǎn)水率在80%，循環(huán)水排水率控制在20%，反滲透膜處理設(shè)備連續(xù)運(yùn)行15 d后，對反滲透膜處理設(shè)備進(jìn)行一次清洗，即反滲透膜處理設(shè)備每月清洗2次，可保證設(shè)備產(chǎn)水量在1 m3/h的狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。

采用反滲透技術(shù)處理工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水，可獲得優(yōu)質(zhì)除鹽水，完全滿足鍋爐水質(zhì)的要求并且減少了再生用酸堿數(shù)量，有利于環(huán)保。本試驗(yàn)的結(jié)果可為反滲透膜在工業(yè)鍋爐補(bǔ)給水中膜處理設(shè)備的小型、集成和工業(yè)化設(shè)計(jì)提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]