鹵水精制過程中的納濾分級優(yōu)化

袁敬明1，吳 奇，曲曉紅，張麗娜1，潘玉強(qiáng)

(1.山東海化集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262737；2.山東海化股份有限公司純堿廠，山東 濰坊 262737)

山東海化股份有限公司純堿廠通過納濾精制鹵水技術(shù)將新興的膜技術(shù)與傳統(tǒng)鹽化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地下鹵水中原鹽的高效利用，在一定程度上避免曬鹽過程中地下鹵水資源的滲漏損失，提高鹵水中氯化鈉回收率，降低了純堿生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

1 鹵水納濾生產(chǎn)流程[1-2]

鹵水納濾生產(chǎn)核心工藝采用“超濾+納濾”雙膜法工藝，通過超濾膜去除鹵水中的懸浮物、泥沙、細(xì)小微粒、膠體和大分子有機(jī)物等，然后進(jìn)入納濾膜，分別得到鈣、鎂、硫酸根濃縮的納濾濃水和氯化鈉純度較高的精制鹵水。精制鹵水代替海水直接用于純堿廠生產(chǎn)化鹽(生產(chǎn)流程圖詳見圖1)。

通過精制鹵水代替海水化鹽，可以實(shí)現(xiàn)：①減少了純堿生產(chǎn)中固體原鹽的使用量。②納濾精制鹵水較海水相比鈣、鎂等雜質(zhì)的減量，可節(jié)省鹽水除雜中的石灰石、焦炭、純堿耗用量，降低了鹽水的精制費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了純堿生產(chǎn)的降本增效。同時(shí)硫酸根離子大幅降低，可減少純堿系統(tǒng)結(jié)垢使蒸餾塔運(yùn)行周期大大延長，對純堿穩(wěn)定生產(chǎn)起到了有利作用。

2 納濾膜使用情況

經(jīng)前期測算，納濾膜鈣鎂截留率下降影響產(chǎn)水價(jià)值，其中僅Mg2+截留率下降1%，折合每方精制鹵水增加石耗0.14 kg、堿耗0.27 kg，每方精制鹵水價(jià)值降低約0.45元。可見納濾膜性能下降后造成的精制鹵水水質(zhì)變差，會(huì)增加純堿生產(chǎn)的費(fèi)用。

表1 某款納濾膜投用初期及末期截留率對比表

3 技術(shù)方案[2]

山東海化納濾一期(工業(yè)化示范項(xiàng)目)于2014年8月份投產(chǎn)，精制鹵水產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，經(jīng)過兩年時(shí)間的運(yùn)行，據(jù)分析判定為納濾膜被鹵水中的有機(jī)物、無機(jī)物等多種物質(zhì)復(fù)合污染，因而納濾膜化學(xué)清洗過于頻繁，造成納濾膜產(chǎn)水指標(biāo)不可避免的下降。

經(jīng)多年使用一級納濾產(chǎn)水水質(zhì)下降明顯，其中較差產(chǎn)水中鈣離子含量高達(dá)600～700 mg/L，鎂離子含量高達(dá)1 500～2 000 mg/L，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)數(shù)值。從經(jīng)濟(jì)效益來計(jì)算，精制費(fèi)用相比海水已不具有優(yōu)勢。

為提高精制鹵水水質(zhì)指標(biāo)最大程度滿足純堿廠降本增效要求，主要有以下解決方案：

1)更換納濾膜，該方案優(yōu)點(diǎn)：無需大規(guī)模施工，實(shí)施快，見效快。缺點(diǎn)是：一是投資大，由于納濾膜更換量較大，一次性更換費(fèi)用極大；二是納濾膜的使用效率低，更換下舊納濾膜無法處理；三是無法解決一級納濾納濾膜的污染問題，缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃。

2)開展納濾分級優(yōu)化研究，新增二級納濾裝置一套。具體方案為：目前一級納濾產(chǎn)水進(jìn)入二級納濾，二級納濾產(chǎn)水用于后續(xù)生產(chǎn)達(dá)到提高產(chǎn)水水質(zhì)目的；二級納濾濃水可進(jìn)入超濾產(chǎn)水，一定程度上補(bǔ)充一級納濾進(jìn)水。該方案的優(yōu)點(diǎn)：一是新增設(shè)備一套二級納濾裝置及少量納濾膜，既可以提高產(chǎn)水水質(zhì)，又可以延長一級納濾中的納濾膜使用壽命；二是補(bǔ)充超濾產(chǎn)水一定程度上提高納濾進(jìn)水量；三是提高納濾膜的使用效率，根據(jù)納濾膜性能實(shí)現(xiàn)一級納濾、二級納濾間納濾膜的調(diào)換使用。該方案的缺點(diǎn)是，新增裝置投資以及二級納濾能耗。

經(jīng)測算新增裝置投資以及二級納濾能耗與收益相比，效益明顯。為盡快實(shí)施納濾分級優(yōu)化，掌握關(guān)鍵數(shù)據(jù)，組織實(shí)施了4040納濾膜中試試驗(yàn)以及一期二級納濾工業(yè)化應(yīng)用。

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1)對現(xiàn)有各種膜在現(xiàn)有一級納濾產(chǎn)水條件下進(jìn)行各種試驗(yàn)，基本掌握各種納濾膜的性能，為二級納濾設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

2)納濾膜進(jìn)膜壓力恒定的條件下，確定二級納濾裝置的回收率。

3)不同進(jìn)膜壓力下，確定二級納濾裝置納濾膜的通量。

3.2 試驗(yàn)過程

把來自一級納濾產(chǎn)水罐鹵水作為原水引入機(jī)臺(tái)原水儲(chǔ)罐，并在試驗(yàn)機(jī)臺(tái)中，分三段裝入4040試驗(yàn)?zāi)ぃa(chǎn)水收集到一罐內(nèi)，濃水回原水罐或排掉，手動(dòng)調(diào)節(jié)濃水閥門穩(wěn)定某參數(shù)，測試不同廠家納濾膜在不同條件試驗(yàn)條件下的各種性能參數(shù)，并作詳細(xì)記錄作分析。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

表2 3.0 MPa下不同品牌納濾膜試驗(yàn)運(yùn)行記錄表

小結(jié)：通過表2可以發(fā)現(xiàn)，不同品牌的納濾膜在恒壓條件下，隨著濃縮倍數(shù)的變化，膜通量均超過30 L/(m2·h)，當(dāng)濃縮倍數(shù)低于75%時(shí)，鈣、鎂離子的截留率均達(dá)到預(yù)期。

表3 75%濃縮倍數(shù)下不同品牌納濾膜試驗(yàn)運(yùn)行記錄表

小結(jié)：通過表3可以發(fā)現(xiàn)，不同品牌的納濾膜在濃縮倍數(shù)不變的條件下，當(dāng)進(jìn)水壓力為3.0 MPa時(shí)，納濾膜通量全大于30 L/(m2·h)，鈣、鎂離子的截留率最高且滿足預(yù)期值。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

1)三種品牌納濾膜對鈣、鎂離子截留率都達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

2)在3.0 MPa操作壓力下，納濾膜通量全大于30 L/(m2·h)。

3)建議設(shè)計(jì)參數(shù): 操作壓力3.0 MPa；平均通量30 L/(m2·h)；回收率75%。

3.5 工業(yè)化應(yīng)用

3.5.1 設(shè)計(jì)制作二級納濾裝置一套

根據(jù)鹵水精制一期納濾機(jī)臺(tái)產(chǎn)水能力及純堿生產(chǎn)對精制鹵水水質(zhì)及供應(yīng)量的需求等綜合考慮，設(shè)計(jì)二級納濾裝置。二級納濾系統(tǒng)借用二期給水泵1臺(tái)、高壓泵2臺(tái)，保安過濾器1臺(tái)，一級納濾產(chǎn)水罐1個(gè)。

3.5.2 設(shè)計(jì)膜堆結(jié)構(gòu)

該裝置共300支納濾膜，60支膜殼，每只膜殼5支；分三段，該裝置鹵水處理水量為389 m3/h，回收率74.4%～83.7%，生產(chǎn)精制鹵水272～301 m3/h。

通過分段設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)臺(tái)均勻布水，提高膜表面流速，降低濃差極化現(xiàn)象，降低膜污染。

3.5.3 合理匹配現(xiàn)有裝置能力

1)一期納濾機(jī)臺(tái)產(chǎn)水量在400～440 m3/h之間，與二級納濾處理量不匹配，因此利用納濾二期900 m3的一級納濾產(chǎn)水箱，并設(shè)溢流口到精制鹵水罐，實(shí)現(xiàn)一級納濾、二級納濾的產(chǎn)量調(diào)節(jié)。

2)因納濾一期納濾膜硫酸根截留率基本無變化，所以二級納濾濃水中的硫酸根含量較低，重新返回系統(tǒng)既能節(jié)約鹵水又能有效避免結(jié)垢現(xiàn)象，因此對納濾濃水設(shè)置雙管路，根據(jù)納濾濃水水質(zhì)分析結(jié)果及生產(chǎn)需求決定納濾濃水外排還是返回超濾產(chǎn)水罐。

3)二級納濾機(jī)臺(tái)的化學(xué)清洗借用一級納濾化學(xué)清洗管線和設(shè)備，但與一級納濾化學(xué)清洗不同，二級納濾機(jī)臺(tái)采用分段沖洗，先沖洗一段，然后沖洗二段和三段。根據(jù)污染物的不同選用不同的清洗藥劑，有效避免藥品浪費(fèi)及交叉污染。

4)對三段產(chǎn)水設(shè)置雙回路。二級納濾機(jī)臺(tái)三級產(chǎn)水水質(zhì)應(yīng)明顯比一段、二段差，因此對三段產(chǎn)水設(shè)置雙回路，可選擇進(jìn)入一級納濾產(chǎn)水箱或精制鹵水罐；新膜運(yùn)行初期暫進(jìn)入精制鹵水罐；后期運(yùn)行過程中根據(jù)二級納濾機(jī)臺(tái)三級產(chǎn)水分析結(jié)果，若其水質(zhì)(鈣鎂含量)高于二級納濾進(jìn)水，則三段產(chǎn)水切換送至一級納濾產(chǎn)水箱。

4 實(shí)施效果

1)減少純堿生產(chǎn)原料消耗

鈣、鎂截留率分別由42%、73%提高到50%、79%，精制鹵水水質(zhì)得到大幅度提高，鈣、鎂含量由投用前的0.6 tt、3 tt，下降到0.47 tt、1.65 tt左右，對比投用前每年可減少石灰石2.04萬t、焦炭0.12萬t、自用堿1.08萬t，增效約830萬元。

2)納濾膜重復(fù)利用

少量技改投入即可延長納濾膜使用壽命，一級納濾納濾膜使用壽命預(yù)計(jì)可延長一年以上。同時(shí)可根據(jù)使用效果，納濾膜在一、二級之間可以靈活調(diào)用。根據(jù)一期二級納濾的運(yùn)行情況，為二期提供了數(shù)據(jù)支撐和寶貴的工業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，目前該裝置已成功用于鹵水精制納濾二期項(xiàng)目，預(yù)計(jì)年增效2 000萬元。