反滲透膜在工業(yè)鍋爐補給水中的應(yīng)用試驗研究

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

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

【關(guān)鍵詞】反滲透膜；鍋爐補給水；應(yīng)用試驗

【中圖分類號】TK227.8 【文獻標識碼】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)濟運行[1]。當水垢約1 mm時，就要多消耗5%的燃料；當水垢約4 mm時，就要多消耗12%的燃料；當水垢約7 mm時，燃料消耗增加到30%[2]。因此，鍋爐補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)濟效益。本文介紹了反滲透技術(shù)處理工業(yè)鍋爐補給水的連續(xù)性試驗研究結(jié)果，可以為反滲透膜在工業(yè)鍋爐補給水中膜處理設(shè)備的工業(yè)化設(shè)計提供一定的參考。

1 工業(yè)鍋爐補給水處理現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)鍋爐補給水處理方法

工業(yè)鍋爐補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、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，從而達到減少再生液排放量的目的[3]。

1.2 工業(yè)鍋爐補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)運行的，不能始終保證水質(zhì)良好。移動床離子交換的缺點是移動床對水質(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]。

反滲透是當今最先進和最節(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)點是無需用酸堿再生，無再生廢水；工人勞動強度降低；無需酸堿儲備和酸堿稀釋、運送設(shè)施、設(shè)備，降低了運行和維修成本；安裝簡單、安裝費用較低；缺點是一次性投資較大[6]。

本項目對反滲透膜在工業(yè)鍋爐補給水中的應(yīng)用試驗進行了研究。

2 反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補給水工藝試驗

2.1 工藝流程

反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補給水工藝如圖1所示。

鍋爐補給水從調(diào)節(jié)閥V1進入水箱Ⅰ，當水位高于高水位時，調(diào)節(jié)閥V1自動關(guān)閉，當水位低于低水位時，調(diào)節(jié)閥V1重新啟動；鍋爐補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進入排污管道排出。水箱Ⅰ中的鍋爐補給水通過不銹鋼多級泵的作用力進入到反滲透膜系統(tǒng)中，鍋爐補給水在膜系統(tǒng)中進行選擇性透過，滲透液通過滲透管道及流量計進入水箱Ⅱ中，水箱Ⅱ配有液位自動控制器，當滲透液過多、過量注入水箱Ⅱ時，水位高于高水位時，多功能泵將停止工作，當滲透液過少注入水箱Ⅱ時，水位低于低水位時，多功能泵將重新啟動，達到鍋爐用水標準的滲透水，通過調(diào)節(jié)控制閥V3進入鍋爐供水管道。反滲透膜中不能透過的物質(zhì)被截留將通過回流管道進入水箱Ⅰ中。

2.2 處理設(shè)備

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

2.3 連續(xù)性試驗

采用設(shè)計制作的反滲透膜處理設(shè)備對鍋爐補給水進行1個月的連續(xù)性試驗，測定水樣通過反滲透膜處理設(shè)備的水質(zhì)指標前后變化。

2.3.1 反滲透膜處理水樣效果

試驗數(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。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。總堿度及pH表征水樣的酸堿特性指標。濁度表示溶液渾濁的程度和相對澄清度，是一種光學效應(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，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，處理后水樣能達到工業(yè)鍋爐水質(zhì)相應(yīng)的標準。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。實驗結(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，反滲透膜對水質(zhì)總堿度的去除率也很明顯，去除率達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

實驗采用了反滲透膜對鍋爐補給水進行處理，研究了反滲透膜處理鍋爐補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 ℃。實驗結(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，鍋爐補給水的硬度、總堿度、濁度及電導(dǎo)率的去除率分別可達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)備運行的經(jīng)濟性，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)備最佳運行壓力。

2.3.4 反滲透膜處理設(shè)備連續(xù)運行中產(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)不能達標。因此，連續(xù)運行中產(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，達標的產(chǎn)水量在131.5～54.59 m3，反滲透膜處理設(shè)備連續(xù)運行天數(shù)不到10 d。產(chǎn)水率在79.12%～81.20%時，達標的產(chǎn)水量在478.7～415.0 m3，設(shè)備連續(xù)運行天數(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)運行15 d后，對反滲透膜處理設(shè)備進行一次清洗，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)運行是在碳酸鈣地區(qū)進行，設(shè)備連續(xù)運行后反滲透膜上的污染物主要是碳酸鈣垢，通常可選擇酸洗方式除去膜上的污染物。試驗中分別選擇了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，試驗中當產(chǎn)水硬度接近0.03 mmol/L時，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pH為7左右，此時反滲透膜處理設(shè)備產(chǎn)水量的恢復(fù)率可至99%以上。

3 投資及運行費用比較

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)投資和運行的統(tǒng)計分析，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)每年運行7 000 h計算，膜處理系統(tǒng)處理1 t水的運行費用為0.59元；離子交換處理系統(tǒng)處理1 t水的運行費用為2.7元，膜系統(tǒng)運行費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，但是年運行費用要比離子交換處理系統(tǒng)的低很多，膜處理系統(tǒng)約8個月節(jié)約的運行費用即可收回初期多投部分的投資。因此，工業(yè)鍋爐補給水中膜處理系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟效益。

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

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 選擇最佳反滲透膜組件材料

實際工業(yè)鍋爐補給水處理中選取膜材料時，可以綜合考慮以下幾方面因素：補給水的組成成分、所處理水的溫度與pH值、膜材料構(gòu)成的反滲透膜的機械強度與化學特性等。本項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)濟實用和節(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

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)鍋爐補給水處理系統(tǒng)，采用壓敏在線檢測和調(diào)頻控制方式實現(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)濟實用和節(jié)能的功能。

5 結(jié)語

采用反滲透膜處理工業(yè)鍋爐補給水工藝應(yīng)用試驗研究列入桂林市科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目“工業(yè)鍋爐補給水中的節(jié)能型膜處理設(shè)備研制”（項目合同編號：20120203）。應(yīng)用該工藝及設(shè)備對工業(yè)鍋爐補給水進行了1個月的連續(xù)試驗，在最佳操作條件下，鍋爐補給水的硬度、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)運行15 d后，對反滲透膜處理設(shè)備進行一次清洗，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)運行。

采用反滲透技術(shù)處理工業(yè)鍋爐補給水，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。本試驗的結(jié)果可為反滲透膜在工業(yè)鍋爐補給水中膜處理設(shè)備的小型、集成和工業(yè)化設(shè)計提供參考。

參 考 文 獻

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[5]馬欣.鍋爐水處理方法的分析和比較[J].信息與電腦（理論版），2014（7）.

[6]蔡巧燕.反滲透技術(shù)在工業(yè)鍋爐水處理中的應(yīng)用[J].新疆有色金屬，2015（A2）.

[責任編輯：陳澤琦]