电厂锅炉补给水处理中的膜分离技术.pdf

1 4 工业锅炉 2 0 1 2年第 6期 ( 总第 1 3 6期 ) 文章编 号： 1 0 0 4 8 7 7 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 一 l 4 电厂锅炉补给水处理中的膜分离技术 王玲 ， 熊伟 东 ( 杭州市特种设备检测院，杭州 3 1 0 0 0 3 ) 摘要 ： 膜技术作为一种绿色环保的水处理技术， 具有高效、 快速、 低能耗的优点， 在电厂 锅炉补给水处理领域中得到了广泛应用。在具体工程实践的基础上， 综合分析了膜分离技术相 关单元工艺在锅炉给水预处理 、 软化 以及脱盐纯 化 中的应 用现状 ， 展望 了膜技 术在锅炉补 给水 处理 中的应用前景 。 关键词 ： 锅炉补给水； 膜分离； 软化脱盐； 回用 中图分类号 ： T Q 0 2 8 8 ； T K 2 2 3 5 文献标识码 ： A M e mb r a n e Te c h n o l o g i e s i n Bo i l e r Fe e d W a t e r Tr e a t me n t WANG Li n g， XI ONG We i d o n g ( H a n g z h o u S p e c i a l E q u i p m e n t I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ，H a n g z h o u 3 1 0 0 0 3 ， C h i n a ) 第 一 作 者：王 玲 ( 1 9 8 5一) ， 硕 士研 究 生， 助理丁程师 ， 锅 炉 水( 介 ) 质检测 员 ， 主 要 从 事 锅 炉 水 ( 介 ) 质检 测 和膜 法 水处理工作 。 Ab s t r a c t As 8 n o v e l t e c h n o l o g y ，me mb r a n e t e c h n o l o g i e s h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n t r e a t i n g t h e b o i l e r f e e d wa t e r w i t h h i g h p e r f o r ma n c e s s u c h a s h i g h e ffi c i e n c y r a p i d s e p a r a t i o n a n d l o w e n e r g y c o n s u mp t i o n B a s e d o n o u r e n g i n e e r i n g p r a c t i c e s ，t h i s r e v i e w i n t r o d u c e d t h e c u r r e n t a p p l i c a t i o n o f t h e me mb r a n e t e c h n o l o g i e s i n b o i l e r f e e d wa t e r t r e a t me n t a s a p r e t r e a t me nt，s o f t e n i n g a n d de s a l i n a t i o n me t h o d s Th e p r o s p e c t s f o r f u t u r e s uc c e s s f ul a p pl i c at i o n we r e a l s o a na l y z e d Ke y wor ds：Bo i l e r f e e d wa t e r；M e mbr a ne t e c hnol og y；S of t e n i ng a nd de s al i nat i o n；Re us e O 引言 电厂锅炉补给水通常要求较高的水质 ， 传统制 备工艺主要是先通过一定的预处理去除水 中的悬浮 物、 胶体、 有机物等， 再通过离子交换的方法去除水 中的硬度和盐离子 ， 即化学水处理法 。传统工艺存 在的主要问题之一是预处理系统的效率不高 ， 流程 长 ， 效果不稳定； 其次 ， 离子交换树脂需频繁酸碱再 生 ， 大量排放酸碱废水 ， 造成二次污染等环境 问题。 近些年迅速发展的膜分离技术给锅炉补给水的工业 化制备提供 了新 的解决方案。在新 型的制备工艺 中， 如采用超滤替代传统的多介质和活性炭 ， 采用反 渗透替代阴阳床一级除盐 ， 以及采用 E D I 替代混床 离子交换， 具有很好的技术经济性和先进性。 本文拟在具体工程实践的基础上， 对膜分离技 术的主要单元工艺技术在锅炉补给水预处理 、 软化 脱盐处理中的应用现状进行综述分析 ， 以期拓展思 路 ， 为电厂锅炉补给水处理 中的节能减排提供新 的 技术手段。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 7 - 2 7 1 电厂锅炉补给水 电厂锅炉在使用过程 中常涉及原水 、 给水 、 补给 水 、 锅水 、 冷却水和排污水等几类水质， 其 中， 最重要 的补给水一般有软化水 、 脱碱水 ( 脱碱软化水 ) 和除 盐水等。过去 ， 锅 炉补 给水 的水 源常 采用地 下水 ( 河水 ) 和地表水( 井水、 自来水 ) ， 随着水处 理技术 的发展 、 水资源短缺以及循环经济的发展 ， 锅炉进水 的水源也发生着变化 ， 逐渐倾 向于进一步包括生产 、 生活污水 以及污水处理厂出水等。这些水体成分复 杂， 含有大量悬浮物质、 胶体物质及溶解性有机、 无 机物质等 ， 含盐量高 ， 必须经过严格处理后 ， 才可作 为锅炉补给水- - 。 使用合格的补给水， 是锅炉能够安全、 经济、 可 靠而稳定运行以及产出合格蒸汽和热水的前提。通 常要求锅炉补给水的质量不低于相应锅炉给水质量 标准的规定 ： 硬度 0 ， 二氧化硅 - - 2 0 g L ， 电导率 ( 2 0 o C) 0 2 D s c m。锅炉补给水水质不 良， 会导 致形成水垢 、 受热面金属 由于高温而损坏 、 降低热效 率、 增加化学清洗次数和锅炉金属的腐蚀 ， 并且 由于 锅炉水 中含盐量过高产生汽水共沸现象而导致蒸汽 品质的恶化 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 综述 电厂锅炉补给水处理中的膜分离技术 1 5 2 膜分离技术的原理 还没有一致的理论， 主要有： 空间位阻一孔道模型、 ( MF ) 、 超滤 ( U F ) 、 纳滤 ( N F ) 和反渗透 ( R O) 等 ， 不 介 nil1 RO - - - l - - _- - _ - 一 u n2一 H 2 o ，c r N a十 ，o 卜 _ 。 a i m | lJ = Sucrose i l U I O O ；二 Oil em u lsi on l 一5一 溶解扩散模型、 空间扩散模型、 空间电荷模 型、 固定 电荷模型以及 D o n n a n效应。与超滤膜相 比， 纳滤膜 有一定 的荷 电性 ； 与反渗膜相 比， 纳滤膜又不是完全 无孑 L 的， 因此其分离机理在存在共性的同时， 也存在 差异。反渗透的分离机理与其它压力驱动膜过程有 所不同， 由于膜表面没有膜孔 ， 其截 留效果更好 ， 对 各种离子的去除率可以达到很高的程度。其分离效 果取决于对透过组分在膜 中的溶解 、 吸附和扩散， 与 膜 的化学 、 物理性质以及透过组分与膜之间的相互 作用有很大关系。 3 膜分离技术在 电厂锅炉补给水 中的应用 3 1 工 艺预处 理 在预处理 中， 应用较 多的膜分离技术 是超滤。 传统的预处理技术 主要有混凝、 澄清、 砂滤等， 它们 虽然工艺成熟 ， 但 出水水质很难满 足后 续处理 ( 纳 滤、 反渗透 ) 的进水要求 。表 1比较 了超滤和混凝 沉淀作为预处理的出水水质。采用超滤技术后 ， 出 水浊度可小于 0 1 N T U。超滤技术具有 以下优点 ： 不用加化学试剂 ， 极大地节约成本 ； 占地面积小 ； 出 水水质好 ： 水中的悬 浮颗粒物 、 杂质、 细菌等大的颗 粒物可 以全部去 除， 而对于胶体、 活性剂、 溶解性有 机物等 ， 通过截留和吸附作用也能去除一部分 ， 极大 和超滤之间的压力驱动膜分离过程 ， 分离机理 目前 地减轻 了后续处理工艺的压力。 表 1 超 滤和传统的预处理技术 出水水质 比较 3 2 作为软化脱盐主体的膜技术 在传统的锅炉补给水处理 中， 一般采用离子交 换法进行软化脱盐处理 ， 该方法装置占地面积大 ， 且 树脂再生需要大量的化学药剂 ， 不仅增加成本 ， 而且 会产生大量高含盐量 的废水。所 以， 采用膜技术进 行深度处理具有很强的实际意义。作为软化脱盐处 理的 主体 膜 工 艺 主 要 有 ： 电 渗 析 ( E D) 、 反 渗 透 ( R O) 、 纳滤 ( N F ) 和连续电去离子 ( E D I ) 。 3 2 1 电渗析脱盐技术 电渗析器主要是通过 电迁移及膜分离过程来达 到对水溶液的除盐作用。它与通常锅炉用的钠离子 交换器的软化不 同， 在除去硬度 、 碱度 的同时 ， 水 中 的其它 阴阳离子也被除去 ， 而钠离子交换器仅仅是 将水中的钙镁离子转为钠离子 ， 水 中的总含盐量没 有变化 ， 碳酸根和其它阴阳离 F 并未减少。所以， 无 论从浓度积还是从离子效应理论分析， 电渗析除盐 工艺可 以大大减少水 中沉积物的生成 。经电渗析器 处理后 的锅炉补给水 ， 水质提高了， 成垢组分大幅度 下降 ， 一般可减少 9 0 以上 。这样 ， 锅炉传热 的热 阻减少 ， 其热效率相应得 到提高 ， 水耗 也就大大降 低 。 湖北松 木坪 电厂 中压锅 炉补给 水采用 1 3 O 一 3 9 4 5型中压锅炉 补给化 学软水 ， 其水源 主要是附 近煤 矿 的 井 下排 水 ， 所 采 用 的 是前 置离 子 交 换 ( I E) 、 电渗析( E D) 、 后置离子交换 ( I E) 的先进组合 工艺 ， 其具体工艺流程见图 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 工业锅炉 2 0 1 2年第 6期( 总第 1 3 6期) 原水 图 2 I E E D I E工艺流程图 经电渗析处理后淡水含盐量为 5 0 m g L， 硬度 0 10 3 m m o L L ， 脱 盐率 9 5 以上。当流量增大 或原水水质 恶化 时， 出水 电导率稍有 上升 ， 但 电导 率、 除盐率始终在 7 5 以上。运行实践表 明， 采用 1 E E D I E工艺 ， 在原水含盐量高 的情况下 ， 可大 大减少离子交换的负荷 ， 降低盐和酸的用量 ， 大幅度 节省水处理的运行费用。此外， 锅水水质显著提高， 补给水含盐量 降低 ， 排污量减少 ( 电渗析器投 入运 行后 ， 锅炉排污率下降 2 4 3 ) 。 3 2 2 反渗透 纳滤脱盐软化技术 反渗透技术作为锅炉补给水处理 的预脱盐装 置 ， 大大减少了离子交换系统再生废酸和废碱 的排 放量 ， 有利于环境保护 ， 同时去除了水中的微粒、 有 机物和胶体物质 ， 对减轻离子交换树脂的污染 、 延长 离子交换树脂的使用寿命都有着良好的作用。杭州 某 电厂对锅炉补给水系统在增容改造中选用离子交 换系统还是反渗透系统进行了技术经济 比较。对比 结果表明 ， 反渗透与离子交换系统在产水量相同时 ， 设备投资相差不多 ， 而反渗透运行费 比离子交换节 省一半 ， 而且反渗透不需要大量有害化学试剂， 产水 符合 9 8 MP a 锅炉补给水水质要求 。两种系统流程 图如图 3所示 。 ( a ) Ro系统 ( 1 ) ) 离子交换 ( m)系统 图 3 反渗透( R O) 与离子交换( I E ) 系统流程图 纳滤膜 ( N F ) 是近年来开发 的具有广阔应用前 景的水软化用膜 ， 如典型的国产醋酸纤维素纳滤膜 和 N F 9 0 、 N F 7 0复合膜就是主要去除二价离子和有 机物的水软化用膜 ， 其操作压力为 0 5 0 7 MP a ， 能脱除 8 5 9 5 的硬度 以及 7 0 的单 价离子。 由于它对二价离子 S O ： 一 、 c a 、 M g 具有相当高的 脱除率 ， 采用这种膜分离技术替代 离子交换工 艺来 处理锅炉补给水不仅在技术上可行， 而且从 1 9 9 6年 开始纳滤膜软化就已经在我国实现了大规模工程化 应用E 6 。 。 J 。面临环境污染愈来愈严峻的形势 ， 结合 之前研究人员所从事 的长期工程实践经验 ， 并参照 其在欧美以及我国的成功应用案例 ， 我们认为， 除以 上方面外 ， 纳滤膜技术今后还将是改善城市给水水 质的重要手段。 3 2 2 连续 电去离子 ( E D I ) 技术 超高压锅炉对补给水有更高的要求 ， 要求进水 电导率为 0 1 0 3 s c m， 必须采用连续电去离子 装置( E D I ) 处理 。连续电去离子装置集合 了离子交 换( I E ) 和电渗析( E D ) 的优点， 能持续生产出超纯 水而不需要对交换树脂再生 。典型 的 E D I 装置结 构如图4所示。淡室内填充常规混合离子交换树 脂 ， 进水 中的离子由该室除去 ； 淡室和浓室之间装有 阴离子交换膜或阳离子交换膜 ， 淡室 中阴( 阳) 离子 在两端 电极作用下不断通过阴 ( 阳) 离子交换膜 进 入浓室 ； H， O在直 流 电能作 用下 可 分解 成 H 和 O H一 ， 使淡室中交换树脂及 时再生保持需要的交换 容量 ， 而浓室 中浓水 回流， 和进水混合后再处理 ， 极 水外排。 2 O 原水 浓水 淡水 浓水 1 一阴离子交换膜2 一阳离子交换膜3 阴离子交换剂 4 一 阳离子 交换剂5 一 浓水室6 一淡水室 图4 E D I 工作原理图 选择不同的工艺路线 ， 张国亮课 题组对 E D I 制 备的各种高纯水的主要离子含量进行了详细的分析 比较( 如表 2所示) 。结果清楚显示 E D 1 产水 中的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 综述 电厂锅炉补给水处理中的膜分离技术 l 7 各离子浓度均大大低于反渗透( R O) 和混床离子交 换 ( I E) lT艺的产水 经过长期运行试验证明 ， 采用 国产 自制 的 E D I装置 制 备 的产 水 电 阻率 均 达 到 1 5 M c m 以上 ， 。 表 2 不 同工艺 下产 水离子含量 比较 ( 离子 浓度单位 ： mg L) 3 2 3多级软化除盐工艺 由于不 同的锅炉对补给水质要求有所不同， 采 用 N F和 R O的一级工艺、 二级_T艺及其串联工艺对 自来水进行了软化除盐 的试验研究表明 ， 不 同工艺 可以分阶段满足不 同锅炉补 给水 质标准 。实 验 得 出如下结论 ： 一级 N F和一级 R O可满足中低压热 水锅炉补给水 的水质要求 ， 相 同回收率下 ， N F较 R O 节能； 二级 N F和二级 R O、 N F R 0和 R 0 一N F工艺 均可满足中低压蒸汽锅炉补给水的水质要求 ， 串联 工艺处理效果优于二级 N F， 比二级 R O节省能耗 ； R 0 一N F和二级 R O工艺可满足高压锅炉补给水 的 水质要求 ； 从制水成 本看 ， 纳滤膜法 的制水成本要 低 。 P a v e l 等采用 离子交换 ( I E) 、 I E+R O、 R O+I E 以及 两级 R O装 置分 别处 理河 水、自来水 以及井 水 ， 结果显示 ， 单独的 I E装置 出水水质不能达 到 锅炉补给水水质要求， I E+R O的成本比 R O+I E 高 。王1 I 雷等采用 U F R 0 一E D I 工艺处理地下深 井水作为某热电厂的锅炉补给水 ， 出水水质完全 符合锅炉补给水水质标准 ， 相对于离子交换法 ， 该工 艺制水成本每立方水节约 0 6 7元。 4 结论 与展 望 膜分离技术在锅炉补给水处理 中的成功有效应 用可以使锅炉补给水 的水 源水质要求更低 ， 而且许 多生产生活污水都能尽量回用 ， 一方面能极大地缓 解水资源短缺的危机 ， 另一方面也为企业节省能耗、 降低生产成本。采用膜技术如反渗透、 纳滤和连续 电去离子( E D I ) 等单元膜工艺 的出水水质稳定 ， 完 全能达到锅炉补给水水质的各项相关要求。可以预 期 ， 随着近年来高效新型膜材料和膜组件的研发和 工程化应用 ， 以大规模海水淡化 和纯净水制造为典 型标志的膜分离技术在锅炉补给水处理领域的应用 将更加广泛。翻 参考文献 1 张兆杰， 桑清莲，王建华 ， 等锅炉水处理技术 M 郑 州 ： 黄河水利出版社 ， 2 0 0 3 2 MG u i d o ，MP e t e r T h e d e v e l o p m e n t o f a h i g h fl o w s e a wa t e r me mb r a n eA e a s e h i s t o r y o f o ne o f t he f i r s t a p p l i c a t i o n s u s i ng h i g h flo w s ea wa t e r e l e me n t s i n a pl a n t p r o d uc i ng p r o c e s s a n d b o i l e r f e e d w a t e r f o r E N E L( n O W E D I P O WE R) a t S a n F i l i p p o d e l M e l a p o w e r p l a n t i n I t a l y J D e s a l i n a t i o n，20 05，1 8 4： 2 4725 2 3 N T a p a s ，MP r a v i n ，D R i t a ， e t a 1 Wa t e r c o n s e r v a t i o n t hr o u g h i mp l e me n t a t i o n u hr a f i l t r a t i o n an d r e v e r s e o s mo s i s s y s t e m r e c o u r s e t o r e c y c l i n g o f e f fl u e n t i n i n d u s t ry A c a s e s t u d y J R e s o u r c e s ，C o n s m w a t i o n a n d R e c y c l i n g ，2 0 0 7 ， 51：6 4 77 4 唐建中， 程长双，兰智利膜技术在锅炉补给水处理中 的应用研究 J 内蒙古石油化工， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 3 2 5 邵刚膜法水处理技术及工程实例 M 北京： 化学1 二 业 出版社 ， 2 0 0 2 6 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