鍋爐給水處理全膜法工藝的研究

王令兆，王讀福，管廷江，李成龍，林蒙蒙，牟少燕

(山東濰焦控股集團有限公司，山東 濰坊 262404)

2016年，我國火力發電在全部類型發電中占比達74.4%[1]。顯然，以燃煤鍋爐為主的的火力發電仍是我國最主要的發電方式。傳統燃煤鍋爐，是指經過燃煤在爐膛中燃燒釋放熱量，把熱媒水或其它有機熱載體(如導熱油等)加熱到一定溫度(或壓力)的熱能動力設備。水在其中擔負著傳遞能量的重要作用，同時還向附近企業和住宅區提供生產或取暖用蒸汽或熱水，也擔負著冷卻介質的作用。為保證鍋爐的正常運行，原水需經過一系列的凈化處理后，達到相應的標準要求(GB 12145-2016)，才能滿足鍋爐給水要求。

隨著電力工業的發展，大容量的高壓、超高壓和亞臨界蒸汽鍋爐不斷出現，對鍋爐的水汽質量提出了更高的要求，來與之相適應。近年來鍋爐補給水的水處理技術也有了很大的發展。從離子交換樹脂類化學法到膜法處理，大大降低了水處理工藝中化學藥品的使用量，減少了廢水排放量。而全膜法工藝更是以設備占地面積小、現場安裝工作量小、化學藥品用量少、無污染物排放、運行操作簡單、易于維護、自動化程度高、設備運行成本低等諸多優點，使得膜法成為當今世界各國電廠鍋爐補給水的主流工藝。

1 全膜法工藝

全膜法水處理工藝，它將不同的膜工藝有機地組合在一起，以常規水源或經生化、過濾等常規處理后達標排放的市政污水、工業廢水為進水，采用“超濾+反滲透+EDI”的組合工藝，達到高效去除污染物以及深度脫鹽的目的，滿足各種用途的水質要求。

1.1 預處理

工業上，通常將鍋爐給水水源稱為原水，原水中的雜質，主要可分為三大類：懸浮物、膠體和溶解物。在北方地區多以黃河水為主的地表水為原水，懸浮物比較多，而且水中富含細菌、微生物、藻類等雜質，經膜處理前，必須經想相應的預處理工序，過濾除掉。

1.1.1 機械過濾

多介質過濾器是在一定的壓力下把濁度較高的水通過一定厚度的石英砂和無煙煤，從而有效的除去懸浮雜質使水澄清的過程，多介質過濾器選擇合適級配的填料及較低的運行濾速，濾除原水帶來的細小顆粒、懸浮物、膠體等雜質。

1.1.2 超濾

目前，許多水處理系統運行不好的主要原因是預處理不達標，從而影響了反滲透的性能，進而影響了整個系統的穩定[2]。常規預處理主要采用混凝、沉淀、機械過濾等方法，但存在占地面積大，運行維護復雜等缺點。隨著膜分離技術的發展，用超濾膜法工藝對鍋爐補給水預處理己得到越來越多廣泛的應用。

1.1.2.1 基本原理：

超濾采用的是一種加壓膜分離技術，以機械物理篩分原理為基礎，以膜兩側壓差為驅動力，即在一定的壓力下，使小分子溶質和溶劑穿過一定孔徑的特制的薄膜，而使大分子溶質不能透過，留在膜的一邊。因此機械過濾處理不完全的微粒、膠體、有機物，以及部分細菌、病毒和原生動植物等都會被超濾去除，從而使水得到進一步凈化。

1.1.2.2 超濾技術特點

超濾是一種節能、環保的過濾分離技術，其作用機理主要分為兩個方面：一是膜表面膜孔大小與形狀的限制，大分子溶質和微粒被截留在超濾膜一側，溶劑和小分子溶質則可以通過膜孔到達超濾膜另一側。二是在超濾進行穩定時，膜表面形成厚度穩定的濾餅層，濾餅層能有效阻止大分子透過。相對于模孔的截留作用，濾餅層的截留作用更顯著。來水經泵加壓進入超濾系統時，與超濾膜形成錯流，在膜兩側壓力差的驅動下，水在膜表面發生分離，大分子溶質和微粒被截留，其他小分子溶質和溶劑則穿過超濾膜，從而達到分離、提純和濃縮的目的。

超濾裝置最核心的部件是超濾膜。超濾膜的類型主要有平板超濾膜、管式超濾膜、毛細式超濾膜、中空纖維超濾膜和多孔超濾膜。其中，中空纖維超濾膜是是一種很薄的聚合材料，由聚砜(PS)，聚醚砜(PES)，PVDF或聚丙烯腈(PAN)制成并帶有非對稱的微孔結構。不對稱超濾膜擁有一層極光滑極薄(0.1μm)的孔徑在0.002～0.1μm間的內表面，此內表面由孔徑大到15μm的非對稱結構海面體支撐結構支撐。這種小孔徑光滑膜表面合較大孔徑支撐材料的結合使得過濾微小顆粒的流動阻力很小并不易堵塞，是超濾膜中最受歡迎一種膜類型。

超濾膜多為不對稱的結構，由一層極薄(通常小于1μm)、具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚(通常小于125μm)、具有海綿狀或指狀結構的多孔層組成。前者起分離作用，后者超起支撐作用。

超濾裝置的過濾范圍，主要在于超濾膜的孔徑大小，一般在0.001～0.1μm范圍內，商品化的超濾膜多用截留分子量相適應的孔徑的大小來表示膜的性能，這種表示方法雖不能完全代表膜的實際性能，但可作為用戶選擇膜的一個重要指標。超濾技術的操作壓力低，設備投資費用和運行費用低，無相變，能耗低，可有效分離水中的懸浮物、膠體、有機物等雜質。通過超濾，產水水質要明顯好于傳統的多介質過濾，即使來水是水質很差的廢水，超濾產水的 SDI 甚至可以穩定在 2以下，這樣就大大延長了下游反滲透膜的壽命，保證了整個水處理系統的穩定性。

1.2 預脫鹽-反滲透RO

反滲透(RO) 又叫逆滲透，是以自然滲透相反的過程而命名，如圖1。反滲透是利用半透膜的選擇透過性，以壓力差作為推動力，在膜的一側施加施以比自然滲透壓力更大的壓力，使滲透向相反方向進行，促使原液里的溶劑穿過半透膜到膜另一側，從而實現混合物的分離、提純和濃縮。該技術具有效率較高、維護成本低、操作簡便等優勢[3]。

圖1 自然滲透與反滲透

1.2.1 基本原理

水處理預除鹽反滲透系統，是利用反滲透膜的選擇通過性，在壓力的作用下，原水從膜的一側流向另一側，其中，水分子選擇性透過反滲透膜，從原水側到達另一側，而其它的離子則留在原來一側。隨著原水的流程逐漸增長，水分子不斷從原水中流走，匯集為產水。留在原來一側的含鹽量不斷增大，并且逐步得到濃縮，最終成為濃水。

1.2.2 反滲透技術特點

反滲透體系主要起到脫鹽的功能。利用反滲透膜的基本特性來除去水中大部分可溶性鹽分、膠體、有機物及微生物。典型的系統是由保安過濾器、高壓泵、反滲透組件、反滲透清洗系統，以及分配進水和收集產水的管路和閥門組成。原水經過預處理后達到反滲透膜的進水要求，在高壓泵的強大壓力下進入裝有反滲透膜的壓力容器，通過高壓泵的壓力大于滲透壓的原理，水分子和一小部分小分子有機物通過半透膜進入產水側，通過產水收集管收集后進入反滲透產水箱中間水箱。剩余的含有大量鹽分的濃水收集后進入濃水處理系統。

目前常用的反滲透膜分為纖維素類和非纖維素類，纖維素類最常用的是醋酸纖維素分離膜，非纖維素類有芳香族聚酰胺膜和薄膜復合膜等。芳香族聚酰胺膜是當前應用最為廣泛的膜[4]。雖然這種膜幾乎可以適用于任何進水水質，但在實際操作過程中，反滲透膜具有復雜性和精密性的特點，極易受到污染和堵塞，一旦受到輕微的機械損傷也會對其實際效能帶來較大的影響，因此在利用反滲透技術進行水處理過程中，需要對進水水質嚴格要求，并要預先對原水進行有效處理，確保SDI在5以下，pH值在4～10。溫度在0～40℃以內[5]，以此來提高水處理過程中反滲透裝置的高效性。

當進水惡化或對產水要求比較高時，尤其是在北方地區，黃河水補充地表水，水質波動明顯，對于單級反滲透產水不能滿足水質要求的情況下，可以設置兩級反滲透，可以獲得更高的脫鹽率。

1.3 精脫鹽-電除鹽EDI

連續電除鹽裝置又稱為EDI，是一種把電滲析和離子交換的特點巧妙結合起來的工藝，是利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析極化而脫鹽不徹底，又利用電滲析極化而發生水電離產生H+和OH-離子實現樹脂自再生來克服樹脂失效后通過化學藥劑再生的缺陷[6]。在越來越多的水處理工藝中，已開始逐漸代替傳統的陰陽離子交換床進行深度除鹽，是近十年發展起來的新工藝[7]。

1.3.1 基本原理

電除鹽EDI是一種將電滲析技術和離子交換技術融為一體的深度除鹽技術，如圖2。EDI系統包括陰、陽離子極板，離子交換膜，陰、陽離子交換樹脂，直流電源等。

圖2 EDI結構及基本原理

EDI的基本原理主要有以下幾個過程[8]:

(1)電滲析過程：陽離子交換膜和陰離子交換膜交替排列于正負兩個電極之間，并用隔板將其隔開，組成淡化室和濃縮室。當原水流入隔室后，在外電場作用下，陽離子向負極遷移，陰離子向正極遷移，但由于離子交換膜的選擇透過性(陽離子只能透過陽離子交換膜，陰離子只能透過陰離子交換膜)，從而使淡室中的鹽水淡化，濃室中鹽水被濃縮，實現脫鹽目的。

(2)離子交換過程：靠離子交換樹脂對水中電解質離子的交換作用，去除水中的離子。

(3)電化學再生過程：利用滲析的極化過程產生的H+和OH-和及樹脂本身的水解作用對樹脂進行電化學再生。其中前兩個過程都對提高出水水質起正面作用，而再生過程由于離子交換會使水質變壞，所以必須選擇適宜的工作環境，才能既達到出水水質的要求，又能實現再生的目的。

1.3.2 EDI技術特點

傳統的深度除鹽系統采用的是傳統的復床+混床工藝，此工藝是利用離子交換樹脂能夠從水溶液中吸著某種(類)離子，而把本身所具有的另外一種相同電荷符號的離子等摩爾量地交換到水溶液中去[9]。由于離子交換劑交換容量有限，當交換完畢后，需用帶有本身離子的再生劑再生，以恢復其交換功能。因此，這一系統需要消耗大量的酸、堿溶液去再生離子交換樹脂，從而產生一定量的酸、堿性廢水，污染環境，運行成本較高。

EDI技術的最大特點是用電場和離子膜取代離子交換樹脂的化學再生，EDI在運行過程中，樹脂分為交換區和新生區，在運行過程中，雖然樹脂不斷進行離子交換，但電流連續不斷的使樹脂再生，從而形成了一種動態平衡；EDI模塊內將能始終保持一定空間的新生區；這樣EDI內的樹脂也就不再需要化學藥品的再生，且其產水品質也得到了較高的保證。

EDI與混床相比其主要特點如下：

(1)混床運行時間歇式，在運行一段時間后，樹脂會被穿透，此時產水率下降，需要對混床進行停機再生。而EDI運行是連續性的，EDI在運行過程中即可實現連續的離子消耗和再生，從而持續不斷的進行產水；

(2)EDI系統不需使用酸堿溶液對樹脂進行再生，克服了樹脂化學再生造成的廢水污染；

(3)EDI排放的濃水可直接回到二級反滲透RO前再利用，這樣EDI單元可以做到沒有廢水排放；

(4)EDI無需酸堿再生，使純水系統設備結構簡化，占地面積小，操作簡化，運行費用更低。

2 山東濰焦控股集團鍋爐補給水全膜法工藝

山東濰焦控股集團現有鍋爐配套建設120 t/h的鍋爐補給水處理系統，采用全膜法工藝。通過充分論證其一次性投資、運行費用、設備的工藝穩定性，結合帶來的環保問題，與其他方案進行了多方位的比較。最后確定選用全膜法工藝。

2.1 主工藝流程

原水→原水箱→原水泵→原水加熱器→絮凝劑加藥、殺菌劑加藥→多介質過濾器→超濾裝置→超濾產水箱→一級反滲透給水泵→(還原劑、阻垢劑)→一級保安過濾器→一級加壓泵→一級反滲透裝置→中間水箱→中間水泵→二級保安過濾器→二級加壓泵→二級反滲透裝置→淡水箱→淡水泵→EDI保安過濾器→EDI電除鹽裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→除鹽水主管。

一級反滲透濃水匯集，可作為反洗多介質過濾器用。

二級反滲透裝置濃水回收至超濾產水箱。

EDI裝置濃水回收至中間水箱。

2.2 流程示意圖

圖3 鍋爐補給水全膜法工藝流程

其中，超濾系統采用 44 個膜元件組成的超濾裝置，超濾膜選用北京賽諾SMT600-P80中空纖維素膜，出力為 2×100 m3/h。一套裝置分兩組并聯，單組裝置分兩列布置，膜元件安裝在一個框架上，架上配備全部管道及接頭，還包括所有的支架、緊固件、夾具及其它附件。

反滲透系統采用一、二雙級兩套反滲透串聯裝置，均反滲透膜選用美國DOW BW30-400膜，一級反滲透裝置正常出力2×74 m3/h，二級反滲透裝置正常出力2×67 m3/h。反滲透裝置包括2臺一級高壓泵和2套一級反滲透膜組件，2臺二級高壓泵和2套二級反滲透膜組件。每套反滲透膜組件為兩段排列，第一套共計168支反滲透膜；第二套66支反滲透膜，兩套共計132支反滲透膜。

電除鹽EDI系統采用 24 個膜塊組成的EDI裝置，EDI膜選用美國GE E-CEll-3X膜，出力為 2×60 m3/h。一套裝置分兩組并聯，單組裝置上下兩層布置。

3 展望

全膜法鍋爐給水處理工藝，其出水水質穩定優良，完全能滿足電廠鍋爐補給水水質的要求。與傳統的離子交換處理技術相比，全膜法因其獨特的技術特點在電廠中應用將會越來越廣泛。

隨著科技的發展，全膜法工藝也將不斷地得到改進，筆者認為主要在以下三個方面：

一是濃水回用，全膜法工藝中，二級反滲透和EDI濃水都能夠實現回用，但一級反滲透的濃水，只作為反洗機械過濾器的反洗水，可增加濃水深度處理裝置進行再提取，倪國強等[10]提出根據反滲透濃水的特點，可加入阻垢劑，如濃水中某貴重離子含量較高，可對該離子進一步濃縮提純，再回用反滲透系統，調節濃水和進水比例，達到循環利用；詹金坤[11]還驗證了反滲透濃水作為超濾反洗水的可行性，也是一種反滲透濃水利用的新方法。

二是開發新的膜材料，研究開發低壓超薄、抗污染、長壽面、易清洗、高截留和高水通量的新型膜材料，從根本上解決全膜法水處理應用中存在的問題；

三是實現“超濾+反滲透+EDI”聯用，滿足一套設備從進水到出水的一機多功能操作。實現無人值守自動化連續運行。簡化操作，提高水利用率。

參考文獻

[1]中國產業信息.2017年中國各發電類型發電量、各發電類型發電量占比及各發電類型發電量同比增速分析[EB/OL].[2017-06-15].http://www.chyxx.com/industry/201706/532595.html.

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[11]詹金坤.反滲透濃水作為超濾反洗水的探討[J].電力與電工,2010,30(4):25-27.