鹵水體系下超濾運(yùn)行步序的優(yōu)化研究

曲曉紅，張德華，王曉波，劉東鴻，譚金靜

(1.山東海化股份有限公司純堿廠，山東 濰坊 262737；2.濰坊濱海新城公有資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司，山東 濰坊 262737)

近年來，山東海化股份有限公司純堿廠將新興膜技術(shù)與傳統(tǒng)的鹽化工相結(jié)合，創(chuàng)新性采用超濾+納濾技術(shù)處理地下鹵水，得到氯化鈉含量較高的精制鹵水，用精制鹵水代替海水用于純堿生產(chǎn)化鹽，實(shí)現(xiàn)了地下鹵水直接用于純堿廠生產(chǎn)化鹽，不僅大幅度降低固體原鹽使用量，還可節(jié)省精制過程中的石灰石、焦炭、純堿耗用量，實(shí)現(xiàn)了純堿生產(chǎn)的降本增效[1]。

1 超濾技術(shù)工程應(yīng)用及情況介紹

1.1 項(xiàng)目研究背景

鹵水精制過程中超濾作為納濾的預(yù)處理，超濾產(chǎn)量的穩(wěn)定直接影響后續(xù)納濾系統(tǒng)的產(chǎn)量，超濾產(chǎn)水量不足，納濾負(fù)荷便無法提高。特別是在高鹽復(fù)雜鹵水體系下，鹵水水質(zhì)比較復(fù)雜，除了含鹽量高，懸浮物、膠體和微生物含量也較高，其二價(jià)離子處于理論上的過飽和狀態(tài)，極易造成超濾膜的污染。

近年來隨著我廠純堿產(chǎn)能的不斷提升和原鹽價(jià)格的不斷上升，后續(xù)生產(chǎn)對(duì)精制鹵水需求量不斷增加，在來水量無法增加的情況下提高納濾產(chǎn)能，就需要在超濾上找突破，提高超濾回收率就迫在眉睫(工藝流程圖詳見圖1)。

圖1 鹵水納濾生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 超濾機(jī)臺(tái)現(xiàn)狀介紹

山東海化納濾一期項(xiàng)目超濾系統(tǒng)共設(shè)置了7臺(tái)主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)上設(shè)置超濾膜組件72支。超濾膜堆機(jī)架的材質(zhì)為碳鋼加強(qiáng)防腐，管道材質(zhì)大部分采用UPVC。在每組超濾機(jī)臺(tái)的出水管線上都設(shè)有流量變送器，用于監(jiān)視超濾裝置產(chǎn)水量的變化情況。超濾主機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)所有與介質(zhì)接觸的管道均采用UPVC管道，所有管道及閥門組裝在組合框架上。膜系統(tǒng)配備完整性檢測(cè)裝置，能夠及時(shí)檢測(cè)超濾膜組件發(fā)生的斷絲情況，并能對(duì)斷絲進(jìn)行精確定位和修補(bǔ)。

圖2 CMF系統(tǒng)運(yùn)行

如圖2所示，超濾系統(tǒng)的基本運(yùn)行工藝包括制水、反洗、CEB以及化學(xué)清洗基本工藝：

1)過濾

用CMF循環(huán)進(jìn)水泵將經(jīng)過原水加壓送入CMF設(shè)備，由于過濾膜本身的特性，大部分的細(xì)菌、藻類、膠體物質(zhì)和微小的顆粒物質(zhì)可以在此去除，并且連續(xù)膜過濾的出水的SDI值小于3，可保證納濾設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2)氣水反洗

在反洗過程中，反洗液(一般為膜過濾的透過液)由膜元件的透過液出口進(jìn)入到外壓中空纖維膜的內(nèi)側(cè)，由內(nèi)向外反向清洗；同時(shí)，在膜元件的原液入口加入壓縮空氣，對(duì)中空纖維的外壁進(jìn)行空氣振蕩和氣泡擦洗。壓縮空氣在中空纖維外壁與膜元件外殼之間的空間內(nèi)上升，與反洗水共同作用，將膜表面的污染物清洗干凈，清洗后的污水從膜元件的排污口排出。

3)CEB(增強(qiáng)反洗)清洗

為了降低膜污染速率，增強(qiáng)反洗效果，超濾每運(yùn)行12～24 h后進(jìn)行一次增強(qiáng)反洗，在CEB清洗是在反洗水中加入一定量的鹽酸，增強(qiáng)反洗效果。酸的作用是清洗無機(jī)鹽的結(jié)垢而產(chǎn)生的污染物。結(jié)合本次項(xiàng)目的實(shí)際情況，結(jié)垢是超濾膜系統(tǒng)的主要污染物，因此選擇的CEB藥劑為鹽酸。

4)化學(xué)清洗

超濾系統(tǒng)的化學(xué)清洗系統(tǒng)為手動(dòng)操作，當(dāng)人工將清洗藥劑配制完成后，CMF設(shè)備手動(dòng)切換至化學(xué)清洗狀態(tài)，然后開啟化學(xué)清洗，將配置好的化學(xué)清洗液送入CMF設(shè)備，進(jìn)行錯(cuò)流循環(huán)，讓藥液與污染物充分反應(yīng)，循環(huán)一段時(shí)間后停止運(yùn)行，進(jìn)行一段時(shí)間的浸泡，直至化學(xué)清洗歷時(shí)結(jié)束。經(jīng)對(duì)CMF設(shè)備沖洗和反洗后，清洗好的CMF設(shè)備將投入正常運(yùn)行。

2 影響超濾產(chǎn)能因素分析

超濾膜的主要作用是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，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，超濾機(jī)臺(tái)性能逐漸下降，我們通過對(duì)現(xiàn)有超濾裝置回收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有機(jī)臺(tái)回收率較低，只有85%左右；遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到超濾機(jī)臺(tái)的設(shè)計(jì)值92%，嚴(yán)重影響了超濾產(chǎn)能的發(fā)揮。

經(jīng)過運(yùn)行研究發(fā)現(xiàn)，影響超濾系統(tǒng)產(chǎn)能的主要因素為來水溫度、來水濁度、進(jìn)水壓力、清洗情況、步序運(yùn)行等，各因素對(duì)超濾產(chǎn)水量的影響如下：

1)進(jìn)水壓力:在不超過超濾安全運(yùn)行壓力的情況下，超濾膜的產(chǎn)水量與進(jìn)水壓力在一定程度上成正比關(guān)系，即產(chǎn)水量隨著壓力升高隨著增加。

2)來水濁度:進(jìn)水濁度大容易引起超濾膜的堵塞，從而導(dǎo)致超濾膜的通量下降，對(duì)超濾回收率影響極大。

3)來水溫度:溫度升高水分子的活性增強(qiáng)，粘滯性減小，故產(chǎn)水量增加。反之則產(chǎn)水量減少。

4)步序運(yùn)行：目前超濾運(yùn)行主要分為四個(gè)步驟：過濾1 800 s—?dú)馑聪?0 s—水反沖30 s—排污30 s，超濾的回收率=產(chǎn)水/(產(chǎn)水+反洗水)，從公式可以看出 ，在超濾的運(yùn)行步序中過濾、氣水反洗、水反沖均對(duì)超濾回收率影響較大。

5)化學(xué)清洗:化學(xué)清洗是目前工業(yè)最主要也是最有效的控制不可逆膜污染的方法，當(dāng)物理清洗不能將回收率恢復(fù)至接受的程度時(shí)即有必要進(jìn)行化學(xué)清洗，對(duì)超濾回收率影響較大。

3 技術(shù)方案

鑒于鹵水的高鹽復(fù)雜波動(dòng)特性，且我廠對(duì)來水水質(zhì)不可控，通過前期運(yùn)行和結(jié)合QC攻關(guān)小組攻關(guān)情況確認(rèn)，目前影響超濾回收率的主要因素為超濾運(yùn)行步序中的水反沖時(shí)間長(zhǎng)和氣水反洗時(shí)間短，車間為尋求最佳水反沖時(shí)間和氣水反洗時(shí)間，開展了大量的試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方案

1)在保證鹵水來水量、pH值、溫度及濁度等指標(biāo)穩(wěn)定的情況下，選擇產(chǎn)水量、跨膜壓差及投用時(shí)間相近的三組超濾機(jī)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)臺(tái)分別設(shè)置不同氣水雙洗時(shí)間，統(tǒng)計(jì)跨膜壓差下降百分比，得出最佳氣水雙洗時(shí)間，從而降低超濾機(jī)臺(tái)跨膜壓差。

2)通過縮短水反沖時(shí)間，同時(shí)為保證反洗效果，增加氣洗步序，為了保證足夠的過濾時(shí)間和過濾次數(shù)，水反沖、氣洗、氣水雙洗時(shí)間之和不變(原氣水雙洗時(shí)間為40 s，水反沖時(shí)間為120 s)，設(shè)置不同水反沖時(shí)間和氣洗時(shí)間，統(tǒng)計(jì)超濾回收率情況，得出水反沖和氣洗時(shí)間的最佳方案，從而提高超濾回收率。

3.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

3.2.1 延長(zhǎng)氣水雙洗時(shí)間，通過試驗(yàn)的方式得出最佳氣水雙洗時(shí)間

1)保證上游工序來水量、pH值、溫度及濁度等指標(biāo)穩(wěn)定，選擇1#、2#、5#超濾機(jī)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)；

2)單機(jī)臺(tái)分別設(shè)置不同氣水雙洗時(shí)間，在原有時(shí)間40 s的基礎(chǔ)上每次增加10s；

3)統(tǒng)計(jì)跨膜壓差下降百分比，得出最佳氣水雙洗時(shí)間。

表1 不同超濾機(jī)臺(tái)變化氣水雙洗時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出，隨著氣水雙洗時(shí)間的延長(zhǎng)，超濾機(jī)臺(tái)氣水反洗前后跨膜壓差下降百分比呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，在滿足氣水雙洗效果的前提下，我們選擇最短時(shí)間，因此最佳水雙洗時(shí)間為60 s。

3.2.2 縮短水反沖時(shí)間，增加氣洗步序，通過試驗(yàn)的方式得出最佳水反沖和氣洗時(shí)間

1)保證來水量、pH值、溫度及濁度等指標(biāo)穩(wěn)定的情況下，選擇1#、2#、5#超濾機(jī)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)；

2)現(xiàn)場(chǎng)檢查反洗泵出口閥門是否全開；

3)縮短水反沖時(shí)間，同時(shí)為保證反洗效果，增加氣洗步序；

4)為了保證足夠的過濾時(shí)間和過濾次數(shù)，其他運(yùn)行步序總時(shí)間之和不得改變，因氣水雙洗時(shí)間延長(zhǎng)20s，故水反沖和氣洗時(shí)間總和為100s ；

5)分別設(shè)置不同的水反沖時(shí)間和氣洗時(shí)間，統(tǒng)計(jì)超濾機(jī)臺(tái)回收率變化情況。

表2 不同超濾機(jī)臺(tái)變化水反沖時(shí)間和氣洗時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2可以看出，隨著水反沖時(shí)間的縮短，超濾機(jī)臺(tái)回收率呈先上升、后下降的趨勢(shì)，因此最佳水反沖時(shí)間為60 s，氣洗時(shí)間為40 s。

3.3 應(yīng)用后效果跟蹤

對(duì)1#、2#、5#超濾氣水雙洗前后跨膜壓差下降情況進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，氣水雙洗時(shí)間延長(zhǎng)后，超濾機(jī)臺(tái)跨膜壓差下降幅度增加量在10%左右。

表3 不同超濾機(jī)臺(tái)氣水雙洗前后跨膜壓差下降情況數(shù)據(jù)記錄表

對(duì)1#、2#、5#超濾的回收率進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，縮短水反沖時(shí)間后各機(jī)臺(tái)回收率上漲幅度在4%左右。

表4 不同超濾機(jī)臺(tái)整改前后回收率變化情況數(shù)據(jù)記錄表

4 結(jié)論和建議

針對(duì)高鹽復(fù)雜鹵水體系下超濾運(yùn)行存在的問題，對(duì)超濾運(yùn)行步序進(jìn)行了優(yōu)化并對(duì)一期7臺(tái)超濾機(jī)臺(tái)進(jìn)行工業(yè)化推廣應(yīng)用，步序優(yōu)化后，超濾機(jī)臺(tái)平均回收率提高了4.96%，年可增加超濾產(chǎn)水量約為36.11萬m3；可節(jié)約原鹽12 431 t，節(jié)約原鹽成本約201.4萬元。大大降低了超濾膜清洗頻次，延緩超濾膜污染速度，延長(zhǎng)超濾膜壽命。

為了保證超濾膜在高鹽復(fù)雜鹵水體系下更穩(wěn)定運(yùn)行，建議如下：

1)通過試驗(yàn)我們得出，最佳氣水雙洗時(shí)間為60 s，最佳水反沖時(shí)間為60 s，氣洗時(shí)間為40s，建議在二期超濾系統(tǒng)中進(jìn)行工業(yè)化推廣應(yīng)用。

2)針對(duì)鹵水特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化超濾運(yùn)行工藝

鑒于鹵水的高鹽復(fù)雜波動(dòng)特性，且我廠對(duì)來水水質(zhì)不可控，污染物復(fù)雜多樣，后續(xù)的生產(chǎn)運(yùn)行中應(yīng)定期對(duì)污染物進(jìn)行跟蹤分析，及時(shí)調(diào)整步序運(yùn)行，提高產(chǎn)水水質(zhì)，延緩超濾膜污染速度，減少清洗頻次，從而有效保證納濾系統(tǒng)運(yùn)行的更加穩(wěn)定。

3)在保證超濾膜安全的情況下，增加氣洗步序能在一定程度上緩解膜污染的速度。在攻關(guān)的過程中我們發(fā)現(xiàn)氣洗強(qiáng)度對(duì)反洗效果有一定的影響，在后續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)進(jìn)一步探索最佳氣洗強(qiáng)度。