提高鍋爐補給水回收率的反滲透系統設計與實現

劉海軍, 潘子博, 鞏學強, 張利軍, 杜建偉

(1.神華準格爾能源有限責任公司,內蒙古,鄂爾多斯 017000; 2.青島潤揚環境科技有限公司,山東,青島 266000)

0 引言

傳統的廢水處理方法僅涉及物理化學和生物過程,不能產生足夠質量的水用于再利用[1-3]。許多研究人員已經使用包括微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)在內的膜技術開發水的再利用和回收策略。文獻[4]研究報告表明,納濾和反滲透膜在去除鹽分、營養物和硬度方面更為有效,從而能夠形成高質量的重復使用滲透液。雖然NF通常用于水回收,但文獻[5]對NF膜處理金屬工業廢水的研究表明,NF膜僅實現79%的鹽去除率。因此,根據未經處理的廢水特性,NF可能達不到水再利用標準。

1 水處理系統設計

針對上述問題,本研究在回收利用水的處理系統中安裝了反滲透裝置,目的是提高水的回收率與系統的節能效果,以滿足居民日常用水需求。本研究設計的水處理系統示意圖如圖1所示。水處理系統中使用的主要部件有:①給水箱;②鍋爐;③電氣控制面板;④在線監測器;⑤流量調節閥;⑥RO裝置;⑦熱交換器;⑧地面排污管;⑨電導率傳感器探頭;電磁閥;節流閥;水流量計;排污管;自動控制電路。在該系統中,水蒸汽混合物的分離是水和蒸汽在鍋爐回路內的運動,也稱為循環,如果是由密度差引起則被稱為自然循環。下面將闡述鍋爐內補給水的循環過程。

圖1 鍋爐補給水處理系統

來自高壓加熱器的鍋爐給水進入鍋爐的省煤器,從省煤器中被排出的煙氣加熱至飽和液體,然后送入鍋爐。給水箱輸送給水,水通過多個降液管流入底部集管,從熱交換器中吸收熱量,并通過提升管向上移動,在提升管中,水部分煮沸后返回到鍋爐中。提升管中汽水混合物的密度小于下降管中飽和水的密度,從而在下降管—提升管回路中實現有效循環,循環比(下降管—提升管回路中的流量與離開鍋爐的蒸汽流量之比)不得小于6,且不得大于25[6-7]。在該方面,下降管的數量較少,直徑比提升管大。蒸汽在鍋爐中分離,隨著壓力的升高,蒸汽被輸送至過熱器。安裝在鍋爐內的擋板、濾網、旋風分離器等機械分離器用于分離汽水混合物。擋板充當主分離器,篩網起到二級分離器的作用,吸引和攔截細小的水滴,積聚的水滴在重力作用下落回水體[8]。

2 關鍵技術

2.1 自動控制電路設計

在鍋爐補給水處理系統中,自動控制電路尤為重要,其工作原理主要分3步:第一步是放大監視器產生的傳感器低信號方波電壓;第二步是將放大信號轉換為直流電壓信號(直流電壓);第三步是通過比較器裝置將直流電壓與2個設定值進行比較。自動控制電路板如圖2所示。

圖2 自動控制電路板

當溶解固體含量信號值達到較低設定值(最低水平)時,最低水平比較器裝置產生信號(高)以激活繼電器(K1)。在這種情況下,K1開關關閉電磁閥,電磁閥保持停用狀態,排污處于關閉狀態。當溶解固體含量達到最大水平時,最大水平的比較器裝置產生信號(高)以激活繼電器K2。當繼電器K1和K2處于激活狀態時,這將導致繼電器K3處于激活狀態,然后排污水將排放到鍋爐外部。溶解固體的含量開始從最高水平下降,繼電器K1和K2保持激活狀態,電磁閥處于接通狀態。當含量降低至低于最低水平時,繼電器K1和K2不處于激活狀態[9]。這將導致繼電器K3處于停用狀態,K3開關處于打開狀態,電磁閥處于關閉狀態。比較器電路(2個二進制數字)的輸出電壓信號按照表1的真值操作排污閥。

表1 排污閥操作的真值表

在熱交換器中,排污水(熱流體)在殼側流動,補給水(冷流體)通過盤管側供應。換熱器的外殼由鋁箔隔熱橡膠泡沫輥隔離,厚度為10 mm,以減少散熱。2個流量計安裝在熱交換器的上游,用于測量冷熱流體的流速。2個PVC球閥用于控制流量計內冷水和熱水的流速。為了測量冷熱水的入口和出口溫度,熱回收裝置的盤管式熱交換器用于加熱在環境溫度下進入的鍋爐補給水,并在排放到下水道之前冷卻排放水,并在換熱器入口和出口管的小孔中插入4個K型熱電偶。熱交換器示意圖如圖3所示。

圖3 熱交換器示意圖

2.2 二級反滲透法處理鍋爐補給水

(1)基礎理論計算

在火電廠鍋爐補給水處理系統中,設計RO裝置與確定濾液質量和泵性能是很重要的,該裝置的濾液產量通常是一個規定的參數,用于水拋光的工業系統通常不包括帶再循環的RO裝置[10-11],因此本研究不考慮這些RO裝置的具體參數。通過重新確定給水中的流量值和TDS含量,可將帶有濾液再循環的RO裝置配置簡化為圖4中的示意圖。

圖4 RO裝置示意圖

在圖4當中,火電機組的運行參數指定如下:Q為溶液流量;C為溶解固體參數;Qfw、Qf、Qc分別為鍋爐補給水、水脫鹽濾液和濃縮液的流量;Cfw、Cf、Cc分別為鍋爐補給水、水脫鹽濾液和濃縮液的總溶解固體(TDS);1表示單泵;2表示RO膜單元。根據RO反滲透裝置的原理,水處理回收率通過式(1)計算:

(1)

式(1)中,R表示水處理回收率。為了便于設計,考慮RO膜單元的回收率作為其水力效率的標準,計算RO膜單元的濃度系數為CFc=Cc/Cfw,其可用于估算反滲透裝置濃縮液中的TDS值和其他污染物含量。反滲透膜元件和整個反滲透裝置的選擇性S通常非常高,理論上S>95%。因此,接近理想膜的CFc的值約等于1/(1-R)。圖5為由18個膜反滲透元件組成RO裝置的典型流程圖。

圖5 RO裝置的典型流程圖

一個RO膜單元通常由2個或3個膜元件(MEs)級聯組成。在級聯中,MEs被組合成多個組,放置在一個過濾器支架中。一組由4到7種元素組成,通常為6種。圖6給出了一組的工藝流程圖。

圖6 帶有6種元素的膜元件在過濾器內工藝流程

下面對火電廠鍋爐補給水處理系統中裝置膜內的物質進行研究(見圖6),假設水濾液管線中離子i的通量If=Cf×Qf,在濃縮液生產線中為IC=Cc×Qc,溶劑(水)和溶解離子i在某一點的質量平衡方程組[12]為

(2)

式(2)中,I表示溶液離子的通量,If表示水濾液管線中離子i的通量,IC表示濃縮液生產線中離子i的通量,d表示微分。RO裝置中水流的微分平衡方程可以寫成dQC=-dQf=dQ,將該表達式代入式(2)中并進行變量分離和積分給出:

(3)

轉化產量得到Cc=Cfw×CFc,在絕對膜電位的極限范圍內(去除所有溶解鹽),獲得預期接近理想反滲透膜CFc的結果。

(2)濃度極化的影響

在實際應用中,本研究觀察到反滲透膜橫向濃度增加對ME選擇性的影響,并可用于測定膜的真實選擇性(假設膜均勻)。然而,在計算過程中本研究沒有考慮膜下水流的濃度的橫向增加,即所謂的濃度極化(CP),其表達式可以寫成:

(4)

Cc=Cfw[CFz(r)]

CFz(r)=CFc(r)×CP(r)

(5)

式(5)中,r表示RO膜質量TDS指標變量,CFz表示整個RO裝置的總濃度系數。膜濃度增加對CP的影響為CP(r)=exp(βr),β取決于ME設計(流動湍流器尺寸)和操作條件(預處理鍋爐補給水的質量),β的典型值范圍為0.5至0.7。

考慮到濃差極化,可以將RO膜體積流量的平均濃度C0可以寫成:

(6)

式(6)中,p表示水溶液的鹽透過率。通過式(6)確定鹽透過率p的值,能夠快速有效地估計濾液中的溶質含量,從而觀察出火電廠鍋爐補給水處理系統中水回收利用率的明顯變化。

(3)二級反滲透法

以上理論適用于計算TDS含量正常的水,對于大多數TDS含量較低(小于1 g/dm3)的正常水,穩定實現所需的質量指標(0.75

圖7 兩級反滲透裝置的工藝流程

圖7是一個連續水處理系統,第二級濃縮液再循環至第一級入口。這不僅可以節省資源,還可以降低給水鹽度,因為二級濃縮液的再循環,第二級濃縮液通常具有較低的TDS值,兩級反滲透裝置的回收率(分數)將降低為Rf。假設R1和R2分別為第一級和第二級兩級反滲透裝置的回收率,則有Rf≠R1R2,但兩級反滲透裝置的鹽透過率是相等的。通過式(6)進行的估算表明,鹽透過率<0.0010～0.0005很容易達到。這意味著,即使給水TDS含量大于1 g/dm3,兩套反滲透裝置也可以生產比電導率約為1 μs/cm的脫鹽水,符合水處理系統工藝的標準要求。

3 實驗與分析

服務器配置采用工具包OpenAI Gym進行仿真,其計算機操作系統為Windows 10,64位,計算機的開發工具為Visual Studio 2019,OpenCV 3.0。計算機的硬件環境為Inter(R) Core(TM) i7 CPU,主頻為2.59 GHz,內存16 G。仿真軟件中水處理系統模擬如圖8所示。

圖8 仿真軟件中水處理系統模擬示意圖

為了表現出本研究系統的適用性,與南煉油廠公司目前研發的水處理系統進行對比分析,記錄兩天(2021年12月25日至2022年12月26日)的鍋爐排污水TDS濃度讀數,觀察到排污水TDS值存在變化,根據國際標準最大允許的TDS值為350 ppm,測試得到南煉油廠公司與本文所設計的水處理系統中的調整鍋爐水中總溶解固體(TDS)質量分數的測試結果如表2所示。為了方便觀察,根據測試結果得到對比圖如圖9、圖10所示。

表2 兩種水處理系統實測結果對比

圖9 南煉油廠公司水處理系統測試結果圖

圖10 本文水處理系統測試結果圖

從圖9、圖10可以看出,南煉油廠公司排污過程發生時的實際TDS明顯低于最大允許TDS,排放水TDS越低于TDS的最大允許水平會導致鍋爐水損失越高,水回收利用率R會越低。本研究通過使用自動控制電路進行實時監測,采用二級反滲透裝置將鍋爐水中的TDS保持在允許水平的排污水TDS質量分數水平。

4 總結

本研究采用兩級反滲透裝置通過濃縮液再循環獲得預期接近理想反滲透膜的結果,這不僅可以節省資源,還可以降低給水鹽度,并考慮膜下水流的濃度的橫向增加,即所謂的濃度極化,最終計算出科學合理地水溶液鹽透過率。本文還提出了一種采用新型電子電路的自動控制系統。該系統還包括熱回收裝置的設計和實施,該裝置由一個熱交換器(殼式和盤管式)組成,用于從排污水中回收熱能。實驗結果證明了創新控制系統通過強化排污過程和減少間接損失,提高了鍋爐效率和污垢控制方面的有效性。