粉末過濾器出水懸浮物濃度變化試驗分析

羅純?nèi)?，?莉，田文華，馮長寧，吳 迪

（1.神華內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021025；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

粉末過濾器采用繞線式濾元作為支撐體，濾元上覆蓋離子交換粉末樹脂與纖維粉的混合物，可有效去除水中懸浮物并具有離子交換的作用[1]。但由于覆蓋的粉末樹脂只有幾十千克，除鹽能力低，主要還是起過濾作用[2]。纖維粉起到支撐與橋架作用，使膜層具有一定的彈性，在運行壓力改變時，膜層可以膨脹或壓縮，不易出現(xiàn)裂紋，因此，鋪膜效果直接影響粉末過濾器的運行情況[3]。本文通過試驗考察粉末過濾器一個完整運行周期內(nèi)出水懸浮物濃度變化情況，分析不同運行階段出水中顆粒物分布及濃度變化情況以判斷過濾器是否泄漏，得出最佳鋪膜時長，并通過調(diào)整粉末過濾器最優(yōu)解列指標，達到優(yōu)化粉末過濾器運行的目的。

1 試驗方法

1.1 試驗對象

試驗選擇某2×600MW超臨界空冷燃煤機組，每臺機組設(shè)置3×50%凝結(jié)水量的中壓粉末過濾器+3×50%凝結(jié)水量的中壓高速混床。粉末過濾器配套使用5μm繞線式濾元，當過濾器進出口壓差超過0.175MPa時，投入備用過濾器，退出失效過濾器，并進入曝膜、清洗、鋪膜程序。

1.2 試驗設(shè)備

Robert L.試驗對比了濁度計、污染指數(shù)（Silt?ing Density Index，SDI）、顆粒計數(shù)儀和在線顆粒計數(shù)儀的功能和特點，發(fā)現(xiàn)在線顆粒計數(shù)儀對高純水中懸浮物的測定更精確、更靈敏[4]。Joseph R.Zim?merman探討了采用在線顆粒計數(shù)儀實時監(jiān)測腐蝕產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移方法[5]。在線顆粒計數(shù)儀可以快速準確地測定水汽系統(tǒng)中的腐蝕產(chǎn)物，本次試驗對象為粉末過濾器，介質(zhì)為高純水，因此選用在線顆粒計數(shù)儀對粉末過濾器進出水中顆粒物的分布及濃度進行測定。采用光阻法確定顆粒物的尺寸和濃度，測定范圍2～750μm。

2 試驗分析

2.1 粉末過濾器進水粒徑分布

粉末過濾器在某一時刻的運行壓差主要取決于濾元阻力、設(shè)備出力、濾元數(shù)量和進水水質(zhì)。對于一個選定的粉末過濾器，設(shè)備出力和濾元數(shù)量是一定的，短時間內(nèi)濾元阻力也是不變的。只有當進水顆粒物突然增多時，過濾器在單位時間內(nèi)的截污量增大，運行壓差會快速上升。該廠粉末過濾器進水顆粒物粒徑分布及顆粒占比見圖1和圖2。

圖1 粉末過濾器進水中顆粒粒徑分布Fig.1 Particle size distribution in influent of powder filter

從圖1可以看出，粉末過濾器進水中顆粒物粒徑主要分布在2～25μm，總數(shù)在184～306個/mL。從圖2可以看出，2～5μm顆粒占比76.56%，5～10μm顆粒占比23.29%，10μm以上顆粒占比僅為0.15%。根據(jù)DL/T 1138—2009《火力發(fā)電廠水處理用粉末離子交換樹脂》[6]，粉末樹脂范圍粒度（30～150μm）應(yīng)大于等于90%，即大部分粉末樹脂顆粒都大于30μm。上述監(jiān)測結(jié)果說明，粉末過濾器進水中10μm以上顆粒較少，若出水中持續(xù)大量出現(xiàn)10μm以上顆粒，可以判定粉末過濾器泄漏；若出水中持續(xù)大量出現(xiàn)30μm以上顆粒，可以判定泄漏物為粉末樹脂。

圖2 粉末過濾器進水中顆粒占比Fig.2 Ratio of particles in influent of powder filter

2.2 粉末過濾器出水粒徑分布

對粉末過濾器運行全周期內(nèi)（鋪膜階段、投運初期、運行中期和運行末期）出水顆粒物分布及濃度進行監(jiān)測。

2.2.1 鋪膜階段

該電廠鋪膜方式為漿料準備階段一次性投加粉末樹脂及纖維粉，攪拌均勻后，建立循環(huán)開始注射鋪膜，同時開啟注射泵、鋪膜泵及保持泵。注射完成后，關(guān)閉注射泵，循環(huán)5min后關(guān)閉鋪膜泵，護膜備用。鋪膜階段從漿料準備開始計時并取樣測試，鋪膜完成后持續(xù)護膜，總時長180min。鋪膜階段粉末過濾器出水顆粒物分布見圖3。

從圖3可以看出，剛開始過濾器出水總顆粒數(shù)很高，隨后急速降低，出水總顆粒數(shù)降至1個/μL時開始穩(wěn)定。分析認為，取樣測試開始后試管內(nèi)殘留的上一個周期曝膜后取樣管內(nèi)的粉末樹脂迅速排出，出水顆粒數(shù)降至最低值，此時的總顆粒數(shù)為粉末過濾器內(nèi)顆粒物的本底值。監(jiān)測18min后，漿料攪拌均勻，同時開啟注射泵、鋪膜泵及保持泵，建立循環(huán)。此時系統(tǒng)內(nèi)擾動較大，出水總顆粒數(shù)先升高后下降，約持續(xù)6min，測試數(shù)據(jù)波動較大。從漿料注入到測試出數(shù)據(jù)，需要一定的時間。從24min開始出水總顆粒數(shù)急劇升高，最高值約為9個/μL。說明在漿料注入時，有大量粉末樹脂漏過，但隨著鋪膜循環(huán)時間的延長，出水總顆粒數(shù)開始下降，45min時降至約1個/μL，達到漿料注入前本底水平。

圖3 鋪膜期間粉末過濾器出水顆粒分布Fig.3 Distribution of particles in effluent of powder filter during membrane spreading

隨著鋪膜時間的延長，膜層不斷被壓實，濾元過濾效率不斷提升。持續(xù)護膜至12min時，出水總顆粒數(shù)下降至21883個/100mL，180min時下降至18181個/100mL。180min時粉末過濾器出水總顆粒數(shù)已經(jīng)接近進水總顆粒數(shù)，說明過濾器內(nèi)懸浮粉末樹脂量較低，不需要再延長護膜時間。因此，鋪膜終點可以定為從漿料投加開始至護膜180min。

從圖3還可以看出，鋪膜期間2～5μm顆粒占比變化與鋪膜漿料投加量變化趨勢一致，護膜階段2～5μm顆粒占比穩(wěn)定在82%左右，高于粉末過濾器進水中2～5μm顆粒的占比（76.56%），說明粉末樹脂及纖維粉中5μm以下顆粒占比較多。

2.2.2 投運初期

該電廠粉末過濾器投運方式為過濾器排氣、升壓、投運并護膜和過濾器運行，過濾器投運無異常后，關(guān)閉保持泵，過濾器正常運行。投運初期從過濾器排氣開始，共監(jiān)測900min，監(jiān)測結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，粉末過濾器投運后，出水總顆粒數(shù)只在前期有較大波動，后期保持穩(wěn)定，因此，應(yīng)重點關(guān)注前期波動較大的40 min，監(jiān)測結(jié)果見圖5。

圖4 投運初期粉末過濾器出水顆粒分布Fig.4 Distribution of particles in effluent of powder filter at initial stage of operation

從圖5可以看出，從過濾器排氣開始，出水總顆粒數(shù)開始上升，10～13min出現(xiàn)了第1個顆粒高峰，13～17min出現(xiàn)了第2個顆粒高峰，出水中總顆粒數(shù)達到8個/μL，兩次高峰期間10μm以上顆粒數(shù)始終保持較低水平。根據(jù)現(xiàn)場操作情況分析，第一個顆粒高峰是過濾器進、出水閥打開，流量沖擊造成的；第二個顆粒高峰是過濾器投運后保持泵關(guān)閉引起擾動。說明投運初期，受流量突變擾動，出水有小顆粒粉末樹脂漏過。隨著過濾器持續(xù)運行，出水總顆粒數(shù)降低，投運40min時降至8139個/100mL，投運100min時降至5701個/100mL。在后續(xù)監(jiān)測的101～900 min，過濾器出水總顆粒數(shù)始終維持在5000～6000個/100 mL。過濾器投運初期流量突變及保持泵關(guān)閉對系統(tǒng)造成的沖擊是不可避免的，只能通過提高前期鋪膜質(zhì)量來減輕影響程度，并縮短影響時間。

圖5 投運0～40min粉末過濾器出水顆粒分布Fig.5 Distribution of particles in effluent of powder filter during 0～40min of operation

2.2.3 運行中期

該電廠粉末過濾器運行周期約20天，在運行10天時對濾器出水顆粒進行監(jiān)測，作為粉末過濾器運行中期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，時長300min，監(jiān)測結(jié)果見圖6和圖7。從圖6可以看出，運行中期粉末過濾器出水總顆粒數(shù)維持在53個/mL。從圖7中可以看出，運行中期粉末過濾器出水中2～5μm顆粒占比達93.63%，然而進水中2～5μm顆粒占比為76.56%。說明隨著粉末過濾器的運行，濾元過濾效率穩(wěn)定提升，進水中大尺寸顆粒絕大部分被去除，因此出水中小粒徑顆粒占比提升。

圖6 運行中期粉末過濾器出水顆粒分布Fig.6 Particle size distribution of effluent of powder filter in middle stage of operation

圖7 運行中期粉末過濾器出水顆粒占比Fig.7 Ratio of particles in effluent of powder filter in middle stage of operation

對粉末過濾器進水和出水顆粒同時監(jiān)測，可計算出粉末過濾器對不同粒徑顆粒的去除率，可以直觀地指示出粉末過濾器的運行狀況。粉末過濾器對顆粒物去除率計算方法：

式中：η為顆粒物的去除率，%；N1為粉末過濾器進水中粒徑大于某個指定尺寸的顆粒數(shù)，個/mL；N2為粉末過濾器出水中粒徑大于另一個指定尺寸的顆粒數(shù)，個/mL。

根據(jù)式（1）計算出該廠粉末過濾器運行中期對顆粒物的總?cè)コ蕿?3.4%，國內(nèi)暫無粉末過濾器對顆粒物去除率的相關(guān)標準，參照DL/T 333.2—2014《火電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)技術(shù)要求第2部分：空冷機組》前置過濾器除鐵效果的評估標準，前置過濾器對懸浮態(tài)鐵的去除率在70%～80%時，過濾器運行合格[7]。因此，該廠粉末過濾器運行中期對顆粒物的去除率符合要求。因該廠使用的濾元精度為5μm，因此，過濾器對5μm以上顆粒的去除率較高，為93.6%。

2.2.4 運行末期

運行末期對粉末過濾器出水顆粒進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 運行末期粉末過濾器出水顆粒分布Fig.8 Distribution of particles in effluent of powder filter at the end of operation

圖9 運行末期粉末過濾器出水顆粒占比Fig.9 Ratio of particles in effluent of powder filter at the end of operation

從圖8可以看出，粉末過濾器運行末期出水總顆粒數(shù)在70個/mL左右，運行末期較運行中期出水中總顆粒數(shù)明顯上升，說明運行末期過濾器過濾效率下降。對比分析圖7和圖9可知，運行末期較運行中期粉末過濾器出水中5μm以上顆粒占比由6.37%升高至37.71%，說明運行末期粉末過濾器對大尺寸顆粒去除率下降。

相比運行中期，該廠粉末過濾器運行末期對懸浮顆粒物的去除率由73.4%下降至65.6%。參照DL/T 333.2前置過濾器對懸浮態(tài)鐵的去除率≤70%時，過濾器運行不合格，說明在運行末期粉末過濾器出水水質(zhì)不合格，過濾器應(yīng)提前解列。5μm以上顆粒物的去除率由93.6%下降至32.6%，說明此時過濾器對5μm以上顆粒的去除率明顯下降。

隨著過濾器運行周期的延長，濾元過濾效率會逐步提升[8]，但隨著濾元納污量的飽和，過濾效率又開始下降。該廠粉末過濾器在末期對懸浮顆粒物總?cè)コ拭黠@下降，尤其是對5μm以上顆粒的去除率已處于較低水平，說明濾元納污量已飽和。該廠的粉末過濾器運行周期20天，但是簡單地控制過濾器的運行周期并不能保障過濾器的出水水質(zhì)。結(jié)合DL/T 333.2中前置過濾器除鐵效果的評估標準，過濾器運行解列指標應(yīng)結(jié)合出水水質(zhì)進行設(shè)置。建議該廠粉末過濾器運行全程對顆粒物總?cè)コ士刂圃诖笥?0%，保障過濾器出水水質(zhì)，防止粉末樹脂泄漏。

3 結(jié)論

本文對粉末過濾器進水及運行全過程出水顆粒物分布及濃度進行對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）粉末過濾器出水長時間大量出現(xiàn)大于10μm以上顆粒時，可判定過濾器泄漏。

（2）鋪膜時間應(yīng)為從漿料投加開始至護膜結(jié)束至少180min。

（3）投運初期，過濾器流量突變和保持泵關(guān)閉對系統(tǒng)造成沖擊不可避免，可通過提高前期鋪膜質(zhì)量來減輕影響程度，并縮短影響時間。

（4）運行中期，粉末過濾器對懸浮顆粒物的去除效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)合格。

（5）運行末期，粉末過濾器出水水質(zhì)不合格。建議粉末過濾器運行全程對顆粒物總?cè)コ士刂圃诖笥?0%，保障出水水質(zhì)，防止粉末樹脂泄漏。