工業鍋爐補給水的膜處理研究

周建興 李玉英 莫家國 何星基 蔡國華 黃雪琴 蘇小建 羅習

【摘 要】文章介紹了采用多功能膜分離設備對工業鍋爐給水（井水與自來水）進行處理，通過實驗測定了各種膜的膜通量及一級膜處理中出水水質的濁度、硬度、電導率等，并分析了影響處理效果的進水水質、膜材料、膜結構、運行參數等，同時進行了二級膜處理的實驗分析。結果表明：井水經反滲透膜處理的出水、自來水經過納濾膜（NF）+反滲透膜（RO）或兩級反滲透膜（RO）處理的出水水質均能達到《工業鍋爐水質》（GB 1576—2008）中規定的給水標準。

【關鍵詞】鍋爐給水；反滲透膜；納濾膜；膜通量

【中圖分類號】TK223.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）12-0050-05

鍋爐給水水質的好壞與鍋爐的安全、經濟運行息息相關。未經處理或處理不當的給水，易造成鍋爐結垢。鍋爐結垢不僅會降低鍋爐熱效率、浪費燃料、降低鍋爐出力，甚至有可能導致管道堵塞及爆管，造成鍋爐事故，危及人員及生產安全[1]。因此，要對鍋爐給水進行處理，且處理過的水質應符合《工業鍋爐水質》（GB 1576—2008）中的規定，其中硬度、電導率、濁度和pH是重要的給水指標。

反滲透膜技術是20世紀60年代初發展起來的新興膜分離技術，它是在常溫下，以膜兩側的壓力差為動力，實現對溶質和溶劑的分離、純化，是目前應用較為廣泛的一種水處理技術。納濾膜[2]是介于反滲透和超濾之間的一種膜分離技術，它可以除去直徑為1 nm左右的顆粒，截留相對分子量范圍為200～1 000。

在試驗研究過程中，利用多功能膜分離設備對鍋爐給水進行處理，按工業鍋爐水質要求對原水、膜設備出水的硬度、電導率、濁度、pH水質指標進行測定、分析，探索各種膜處理鍋爐用水的優勢與不足，并提出了今后的開發設想。

1 實驗部分

1.1 水源與水質

實驗用水采用某企業廠房內的自來水和地下井水。自來水與井水的水質情況見表1。

從表1中可以看出，除pH值外，自來水和井水的硬度、電導率、濁度值均高于蒸餾水，且井水最高，因此需要對鍋爐給水進行膜處理分析。

1.2 實驗設備

SJM-DGN型多功能膜分離設備（合肥世杰膜工程有限責任公司），PHS—3C精密pH計（上海雷磁分析儀器廠），DDSJ—308 A型電導率儀（上海雷磁分析儀器廠），DJS—1C型鉑黑電極（上海精密科學儀器有限公司），SZG—50 A濁度計（上海悅豐儀器儀表有限公司）。

1.3 工藝流程

膜分離技術處理系統工程設計的工藝流程簡圖如圖1所示。

1.4 實驗檢測方法

1.4.1 硬度的測定[3] ——采用EDTA滴定法

硬度（YD）的含量按式（1）計算：

YD=CEDTA×VEDTA/Vs×103 mmol/L（1）

式中：CEDTA為標準溶液濃度，mol/L；VEDTA為滴定時所耗EDTA標準溶液的體積，mL；Vs為水樣體積，mL。

1.4.2 電導率的測定[3]

取50～100 mL水樣（溫度為25 ℃±5 ℃）放入塑料杯或硬質玻璃杯中，將電極用被測水樣沖洗2～3次后，浸入水樣中進行電導率測定，重復取樣測定2～3次，測定結果讀數相對誤差在±3%以內，即為所測的電導率值。

1.4.3 pH值的測定

使用精確pH計測定水樣的pH值。

1.4.4 濁度的測定

使用濁度儀測定水樣的濁度。

2 實驗結果與分析

在實驗中，主要檢測指標為膜通量（L·m-2·h-1）、濁度（NTU）、總硬度（mmol/L）、電導率（μS/cm）、pH值，并對其實驗結果進行分析。

2.1 膜通量

膜通量[4]是指在一定溫度和跨膜壓差（濃縮液與透過液出口間的壓力差）下，膜對溶劑的透過能力，單位時間、單位膜面積溶劑的透過體積即為該膜的膜通量，單位為L·m-2·h-1。

計算公式為JV=V/（At）。其中：JV為純水通量，V為在時間t內透過液的體積（L），A為膜有效面積（m2），t為時間（h）。

2.1.1 鍋爐補給水通過不同膜的膜通量

當進膜壓力為11.4 MPa、水通過膜流速為34 LPM和頻率為39.0 Hz時，自來水、井水通過各種膜的膜通量見表2、表3及圖2所示。

由圖2可以看出，納濾膜的膜通量大于反滲透膜，而其中RO1的膜通量大于RO-BW30，NF-1000的膜通量大于NF-200～300，說明各種膜的膜通量與膜的材料、結構等有關。在實際應用中，可通過增大操作壓力來提高膜通量，但必然會增加能耗。運行一段時間后需通過清洗恢復由此損失的膜通量。

硬度、電導率等比較大的井水，通過各種類型的膜顯示，井水的膜通量比自來水通過時小，這說明各種類型膜的膜通量還與進水水質有關。因此，在實際應用中，應根據進水水質來設計膜的配置。

2.2 一級膜處理的實驗結果

以水的來源處理效果分析，影響處理效果的因素很多，有進水水質、膜材料、結構、運行參數等。實驗所得數據為連續取各步驟水樣測試水質，取各測試值的平均值，并對檢測數據進行了定量分析。其中，去除率（%）=（進水中含量-透過水中含量）/進水中含量×100%。

由表4可知，由于自來水本身的水質比較好，經過處理后的水質基本符合標準。自來水在適宜的操作壓力和頻率下經過反滲透裝置后，其水質指標中的去除率如下：濁度小于0.2 NTU，電導率小于10 μS/cm，電導率的去除率在95%以上，總硬度的處理效果非常好，去除率也在95%以上。

由表5可知，井水是淺層地下水，水質也較好，但其礦物質含量比較高、水的硬度也比較大。井水在適宜的操作壓力和頻率下經過反滲透裝置后，其水質指標的去除率如下：濁度小于0.5 NTU，電導率<50 μS/cm，電導率的去除率在93%以上，總硬度的處理效果非常好，去除率也在93%以上。對自來水和井水水質進行反滲透膜軟化除硬度比納濾膜（NF）出水水質優，具有技術的先進性。

2.3 不同膜對水的濁度的去除效果

濁度[5]是表示溶液渾濁的程度，與澄清度相對應， 是一種光學效應。不同膜對水濁度的處理結果如圖2（a）、圖2（b）所示。

由圖2（a）、圖2（b）可以看出，RO-BW30膜、RO1膜、NF-200～300膜及NF-1000膜對自來水處理后濁度去除率分別達到25%、29.16%、75%、79.17%。出水濁度可以穩定在0.5 NTU以下，達到或優于相應的國家工業鍋爐用水標準。雖然井水的濁度比較大，但是經過RO-BW30膜、RO1膜、NF-200～30膜及NF-1000膜對它進行處理后，濁度去除率分別達到24.67%、32.67%、40.67%和44%，各種膜處理后出水濁度可以穩定在1 NTU以下，達到了相應的國家工業鍋爐用水標準。

2.4 各種膜對水硬度的處理效果

水硬度主要指水中Ca2+、Mg2+的含量。在工業鍋爐運行中，防止水垢和水渣的首要任務是去除硬度。不同膜對水硬度的處理結果如圖3（a）、圖3（b）所示。

由圖3（a）、圖3（b）可以看出，不同類型的膜（反滲透膜、納濾膜）對水硬度的處理效果有很大的差異，但同種類型不同型號的膜（RO1和RO2、NF-200～300、NF-1000）的出水相對比較穩定。2種反滲透膜的脫硬度率很高，超過90%，甚至接近100%，而且在一定的試驗壓力和溫度下，脫硬度率的變化不是很大。而另外2種納濾膜的脫硬度率也都在50%左右。

在一定的操作壓力和溫度范圍內，RO-BW30膜和反滲透膜都具有很好的處理效果：對自來水硬度的去除率分別達到97.27%及95.9%，產水總硬度小于0.05 mmol/L；對井水硬度的去除率分別達到接近98.56%及93.82%，產水總硬度小于0.3 mmol/L；NF-200～300膜和NF-1000膜對自來水的硬度去除率分別為54.61%和52.22%，對井水的硬度去除率分別為73.99%和57.84%

2.5 不同膜對水電導率的處理效果

電導率[6]是衡量水中含鹽量的主要指標。不同膜對水電導率的處理結果如圖4（a）、圖4（b）所示。

由圖4（a）、圖4（b）可以看出，在一定的操作壓力和溫度范圍內，反滲透膜和RO-BW30膜對電導率去除率很高，對自來水的電導率的去除率分別達到97.79%、96.50%；對井水的電導率的去除率分別達到98.36%、93.67%；NF-200～300膜和NF-1000膜對自來水的電導率去除率分別為55.94%和47.53%，對井水的電導率去除率分別為68.29%和49.48%，對電導率的去除率反而隨進水質量濃度的增加而略有上升。

2.6 水的pH值

做好水處理工作，既不能片面地強調水質硬度，也不能忽視鍋爐給水的pH值?！豆I鍋爐水質》（GB 1576—2008）中要求額定出口蒸汽壓力小于等于2.5 MPa，以水為介質的固定式蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐，以水為介質的固定式承壓熱水鍋爐和常壓熱水鍋爐進水的pH≥7。實驗中，有些出水的pH值達不到這個標準，比如井水經過納濾200～300膜、納濾1000膜處理后出水的pH值分別為6.65、6.54，pH<7。在實際生產中，要積極創造條件維持鍋爐運行中鍋水的pH值≥7，以使進水達到工業鍋爐用水水質的要求。

2.7 二級膜處理的實驗結果

《工業鍋爐水質》（GB 1576—2008）中規定蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐的給水一般應采用鍋外化學水處理，水質應符合硬度低于0.030 mmol/L（以1/2Ca2+，1/2Mg2+計）標準的規定，而在采用一級RO、一級NF裝置對自來水和井水的實驗過程中卻沒能達到這樣的標準。

為了能達到這樣的標準，應該事先對進水進行預處理，在本次實驗中，采用了NF+RO或兩級RO裝置對自來水的處理效果見表6。

由表6可以看出，自來水經過NF+RO或兩級RO處理后出水都能達到《工業鍋爐水質》（GB 1576—2008）中蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐的給水要求，水質符合硬度≤0.030 mmol/L（以1/2Ca2+，1/2Mg2+計）的規定。采用納濾膜和反滲透膜組合連用可以使自來水中的硬度、電導率的去除率很高。在此期間，通過納濾膜或反滲透的部分變成一級膜處理純水，將一級膜處理純水進入第二次反滲透作為二級反滲透的進水，在足夠的壓力下，將一級反滲透純水再一次制純出水。結果顯示，原水經過一級膜處理后，電導率顯著下降，經過二級反滲透后，使電導率進一步下降至≤3 μS/cm。

在實際的生產中，因二級反滲透濃水含鹽量遠低于自來水，若把它排放將是一種很大的浪費，故將其全部回流與預處理的水一起作為一級膜處理的進水，從而實現二級反滲透系統的零排放。

3 結論

（1）經膜技術處理的鍋爐補給水水質穩定，達到鍋爐補給水的要求。采用組合膜制備鍋爐補給水的新工藝是可行且有效的。

（2）在工業鍋爐給水處理系統中，二級反滲透出水可達到《工業鍋爐水質》（GB 1576—2008）中對工業鍋爐用水的水質要求，同時排除了傳統的離子交換法酸堿再生對環境的污染。綜合各種因素考慮，建議在純化水系統設計中優先采用二級反滲透水處理系統。

（3）鍋爐補給水的膜處理方法選擇，應根據水源的水質、鍋爐對水質的要求，綜合考慮給水和鍋爐水的質量標準、蒸汽品質要求、水處理設備等因素，通過經濟比較來確定。

參 考 文 獻

[1]李以善，藍浩杰.鍋爐結垢故障樹的建立與分析[J].中國特種設備安全，2014，30（9）.

[2]張果，趙艷玲.納濾膜結構及其應用研究[J].天中學刊，2008，23（2）.

[3]GB 1576—2008，工業鍋爐水質[S].

[4]王玉紅.納濾特性及其在海水軟化中的應用研究[D].青島：中國海洋大學，2006.

[5]孫廣軍，郭欣巖.濁度和濁度儀在鹽水懸浮物測量中的應用[J].中國氯堿，2003（1）.

[6]陳果平.地下水電導率與總硬度相關關系的研究[J].山東環境，2000（S1）.

[責任編輯：陳澤琦]