基于“预处理+二级反渗透”在燃气锅炉水处理中的应用

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　　摘 要：为积极响应并贯彻落实烟草行业打赢蓝天保卫战三年行动计划的要求，切实承担烟草企业应尽责任，曲靖卷烟厂启动实施天然气锅炉改造项目，使用清洁能源，用以置换现有燃煤锅炉，促进节能减排工作。为更好匹配燃气锅炉对水质要求，提高动力设备保障能力，配套对动力中心原燃煤锅炉的水处理系统进行改造，采用“预处理+二级反渗透”工艺方案，在实现燃气锅炉给水，降低维护管理费用并保障水质要求的同时，助推环保、节能和清洁的绿色工厂建设。
　　关键词：反渗透;水处理;预处理
　　0引言
　　为积极响应并贯彻落实烟草行业打赢蓝天保卫战三年行动计划的要求，承担烟草企业应尽责任，曲靖卷烟厂启动实施天然气锅炉改造项目，购置燃气锅炉用以置换现有燃煤锅炉，使用天然气清洁能源，降低生产能耗，减少污染物排放，助力企业生态文明建设。为更好匹配燃气锅炉对水质要求，提高动力设备保障能力，需对动力中心原燃煤锅炉配套的原水处理系统进行改造，以降低管理维护费用，建设环保、节能和清洁的绿色工厂。
　　1现有燃煤锅炉采用水处理系统
　　现有动力中心锅炉房水处理系统采用型号为LWLN3-100的三塔式流动床，处理能力100t/h，它集流体技术、射流技术与离子交换技术于一体，是基于离子交换的水处理设备。
　　1.1工作原理
　　（1）采用离子交换的原理去水中硬度，在交换塔内当离子交换树脂与原水相遇时，水中的钙Ca2+、镁Mg2+等离子与树脂（NaR）发生反应，达到去除水中钙镁盐类的目的。
　　（2）新生树脂：经交换后的再生树脂从交换塔逐層下落，在水中吸附钙镁离子后形成饱和树脂，然后被送到再生塔与原水进行逆流置换形成新生树脂，恢复交换能力。
　　（3）树脂循环过程：接通水泵电源，加入交换树脂和再生用盐后的原水从交换塔下部进入，在交换塔上部落下树脂。在交换塔内，原水与树脂进行交换，吸收离子后达到软化效果，供后续生产使用。当硬度小于5mg/L时，采用一级钠离子交换（即三塔式流动床），可达99.6%交换率，具体工艺流程如图1所示。
　　1.2 三塔式流动床性能特点
　　（1）逆流置换：循环系统采用逆流原理，离子交换树脂的效能得以最好发挥。采用均速均流设计的布水系统，减少偏流现象，达到交换充分和出水水质稳定的效果。
　　（2）循环不间断运行：设备连续运转，完成交换、再生、清洗等工艺流程，向末端提供连续软水供应，与固定床相比，不存在正反洗和停床现象。
　　1.3存在问题
　　（1）若原水碱度过高（如>2mmol/L），在进行Na+软化时，通过2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O、Na2CO3+H2O=2NaOH+CO2↑+H2O反应后，引起OH-增加，总碱度上升。蒸汽中CO2浓度增加，导致酸、碱腐蚀[1]。脱碱采用钠离子交换加酸来去除，通过加酸量控制达到预期碱度（>0.5mmol/L）。在整个处理过程中大量使用酸后，排放的废液呈酸性，又需要使用碱液中和，处理困难，酸碱消耗量大，且不利于绿色环保企业建设。
　　（2）该系统使用至今，工艺处理能力逐步下降，多介质过滤器严重老化，多介质过滤效果较差，出水水质不稳定。管理维护费用较高。
　　（3）流动床使用过程中，大量复杂的工作在射流过程中完成，树脂容易破碎，破碎的树脂进入后续工序，引起过滤阀、滤网等设备堵塞，引起水路系统故障，清洁维护困难，维护不及时还可能造成设备停机，降低设备运行效率，不利于设备保障。
　　（4）处理后的水质指标，只可以满足原有燃煤锅炉使用需求，无法达到燃气锅炉对供给水的使用要求。
　　2水处理工艺介绍
　　目前常用的除盐有四种：化学除盐（离子交换法）、电力除盐（电渗析法）、压力除盐（反渗透法）、热力除盐（蒸馏法）[4]。但随着技术的发展已经不局限于此，出现了各种技术结合互补的处理方法，比如反渗透—离子交换法联合处理方式可以降低水源水质多变所带来的影响，并可减少再生频率，延长树脂寿命，同时大大减少离子交换法再生剂用量，排放的废液量减少了，有利于环境保护;而离子交换树脂电渗析法是在原有电渗析器的隔板中加入交换树脂，通过电迁移来降低电渗析器的电阻，提高除盐效率和使用寿命等多种处理工艺。
　　以上提到的四种水处理除盐工艺都是技术成熟工艺，已经广泛应用于化工用水以及工业锅炉和汽轮机用水、生物制药、食品等各个行业，根据生产工况的实际情况采用相适应的处理工艺即可。
　　通过前期交流、论证，目前常用的四种除盐方式：（1）化学除盐（离子交换法）占地较大，工艺复杂。（2）电力除盐（电渗析法）能源消耗大，主要应用在高压锅炉和电力汽轮机上。（3）热力除盐（蒸馏法）一般适用于小容量水处理。（4）压力除盐（反渗透法）主要应用于生物制药、食品、医疗用纯水制取上。
　　3水处理改造方案
　　反渗透法目前已经越来越广泛用于锅炉水处理工艺[2-3]。经前期调研及反复论证，本次水处理系统改造拟采用预处理+二级反渗透水处理系统，该处理系统具有环保性、先进性，出水水质稳定，对于原水硬度、浊度、细菌总量适应范围广。其脱盐率能达到98%以上，满足工厂燃气锅炉对供给水的要求，分析如下：
　　3.1反渗透（RO）与离子交换工艺比较
　　（1）技术方面差异：反渗透（RO）对含盐量高的原水处理优势明显;而离子交换对原水含盐量具有特定要求。
　　（2）经济方面异同：反渗透（RO）处理工艺主要消耗电能，能耗低;离子交换法酸碱消耗。因此，酸碱排放量很低，减少了环境污染。这也是世界范围内有85%的除盐装置采用反渗透工艺的主要原因之一。
　　（3）运行角度差异：反渗透（RO）技术简单，离子交换工艺操作复杂、程序繁多、故障率高;反渗透工艺具有技术先进、设备简单、体积小、日常操作维护简单等优点。 　　（4）原水回收率方面：反渗透（RO）技术耗水量高原水回收率只有75%;而离子交换双室双层浮动床工艺自用水率仅为10%。
　　综合以上四个方面比较，反渗透工艺主要具有如下优点：
　　（1）可以脱除原水中98%的溶解盐。去除率是离子所带电荷的函数，二价和三价离子几乎被完全去除;
　　（2）连续运行，水质稳定无须用酸碱再生，不会因再生而停机;
　　（3）以高产率产生超纯水（产率可以高达95%）无再生污水;
　　（4）无须酸碱储备和酸碱稀释运送设施，使用安全可靠，避免工人接触酸碱;
　　（5）系统占地面积较小;
　　（6）安装简单、安装费用低，运行及维护成本低。
　　3.2反渗透水处理工艺技术成熟
　　反渗透技术是最近几年来发展比较成熟的水处理技术。从1999年开始到现在，膜的需求量成倍增长。反渗透是一种高新膜分离技术，它主要是利用半渗透膜的渗透原理，通过一定的方式给它施加一种压力，反于自然渗透方向的力，使浓溶液中的水向稀溶液中渗透，这种方式称为反渗透。反渗透水处理工艺中，在原水进入端施加高于溶液自身渗透压的压力（反向加压），使水透过膜，能截留大于0.0001微米的物质，能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物等使原水溶解杂质不能透过膜而从浓水端排掉，从而达到了除盐的目的[6]。一级或二级反渗透（RO）+连续电除盐装置（EDI）可以达到次、高压锅炉用水要求。
　　目前组合式膜处理工艺已经应用于纯净水制取、中水处理、废水处理、化工用水以及工业锅炉和汽輪机用水等各个行业，形成一整套成熟处理方式。
　　3.3水质满足使用需求
　　燃气锅炉设备型号为UL-SX28000的BOSCH进口全自动燃气过热蒸汽锅炉，对供给水的电导率、pH值（辅助量KS8.2）或硅酸含量有较高要求，这三个数值与锅炉的排污率密切相关，一旦超过表1所示对供给水的要求，锅炉的排污率也会增加，超过5%。如果供给水中的值更高，则排污率提高，意味着热损失提高，锅炉热效率降低。锅炉水在达到电导率、PH值（辅助值KS8.2）和硅酸含量限制值的时候将联锁停炉，即如果要保证锅炉连续正常运行，必须保证锅炉水中电导率的最大值不超过限制值。
　　反渗透的脱盐率主要取决于物质的结构和分子量，二级反渗透水处理水质可以达到电导率（25℃）：≤5μS/cm;PH范围满足PH（25℃）：8.0-9.5，完全满足锅炉水质需求。
　　4反渗透水处理系统
　　通过设置备用浓水箱（利旧），将一级RO浓水和超滤浓水利用至绿化和卫生清理，可以将排污率降低，远远大于一般标准“两级反渗透RO”75%回收率，进一步提高水资源利用。具体工艺流程如图2所示。
　　4.1预处理
　　预处理系统包括：原水泵、叠片过滤器、活性炭过滤器、超滤装置等设备，各工艺模块功能如下：
　　原水泵：保证系统有稳定的压力、流量，防止系统的波动;
　　超滤反洗泵：为超滤装置反洗提供动力;
　　叠片过滤器：为超滤装置前端预处理单元，滤速高、设备简化、占地面积小;
　　活性碳过滤器：为超滤装置前端预处理单元，进一步去除水中有机物、氧化物等，去色、脱氮、去除有机物、去除有机氮等。
　　超滤装置：根据原液流向的不同又区分为内压式和外压式，如图3所示。
　　超滤膜分离技术具有占地面积小、出水水质好（出水SDI小于3）、自动化程度高等特点。超滤膜其技术特点主要有：能耗低、投资费用低、易操作管理、超滤液纯净、过滤精度高、抗污染和氧化能力强、适用PH值范围宽广、耐压与防漏结构设计等。
　　预处理系统主要防止反渗透膜面结垢（包括CaCO3、CaSO4、SrSO4、CaF2、SiO2、铁、铝氧化物等在膜面沉积）;防止胶体物质及悬浮固体微粒污堵;防止有机物的污堵;防止微生物污堵;防止氧化性物质对膜的氧化破坏;保持反渗透装置产水量稳定，从而保证反渗透装置稳定运行和使用寿命[5]。
　　4.2反渗透系统
　　本系统主要包括增压泵、保安过滤器、高压泵、反渗透膜组件、反渗透清洗装置、反渗透加药装置及单元内所有管道、阀门、仪表、电源柜、控制设备及必需的其它附件;作为后续除盐系统设备的预纯装置，反渗透装置是该系统的心脏部分，设计成熟合理与否不仅直接决定RO系统能否达到设计要求，而且关系到整个系统的性能;经RO装置处理的水，能去除绝大部分无机盐类和几乎全部的有机物、微生物。
　　反渗透法能适应各类含盐量的原水，尤其是在高含盐量的水处理工程中，反渗透法因其纯率高，回收率高，运行稳定，占地面积小，操作简便，能获得很好的技术经济效益，反渗透成为纯水的制取工程中不可缺少的。
　　4.3控制及监测防护
　　水处理设备控制系统采用西门子PLC，程式的任务主要是针对预处理系统、反渗透装置、加药装置的程式控制及其它水泵与液位的联锁。控制系统中的PLC根据工艺运行要求，以完成各工艺设备驱动、启停、连锁等控制功能：
　　当系统启动后，控制系统将根据工艺流程即时检测各个工艺点电导、流量，液位元等数值，并根据所得资讯控制相应执行机构的运行;当控制系统发现不符合工艺要求的数值时，将及时调整该点相应的控制机构动作;但判断为故障点时，控制系统将及时发出声光报警信号，并关停相应的执行机构。反渗透（RO）系统停止工作，水泵停止运转[7]。
　　当PLC系统发生故障时，系统可转换为手动状态：操作人员可通过就地仪表盘作业系统，完成各工艺流程操作。
　　4.4设备布置方案
　　现有锅炉房2#、3#锅炉下0m层有超过400m2空地，水处理系统拟布置在该区域，实施改造安装时不与现有水处理设备交叉、影响可以降低到最小。具体设备布置如图4所示。 　　根据图4所示方案进行设备布置，具有如下优点：
　　（1）充分利用现有锅炉房电、气管线系统等，电源取自锅炉房+10m层低压配电室原燃煤锅炉配电柜，离设备布置现场距离沿已有桥架布线约90m，可以满足系统供电。动力柜布置于+10m層低压配电室，控制柜和现场显示、操作柜现场吊装;压缩空气可以直接从0m层空压气管搭接，距离约20m;节约土建投资。
　　（2）锅炉给水与原有软水系统相接，除氧水系统与原有系统相接，新建水处理设备不与原有水处理设备发生关系，控制、管道、线路完全独立。还可以利用原有软水箱等设备，节约设备投资。
　　（3）2*30t/h二级反渗透平面安装尺寸需要约为300m2，最大安装高度4m，锅炉房0m层空间拆除2#、3#燃煤锅炉后有超过400m2空间和5.5m的安装高度，满足布置空间需求，该安装位置距离软水箱较近，布管方便。
　　5结语
　　文章通过将“预处理+二级反渗透”的水处理工艺引入到燃气锅炉水处理系统，在前期反复论证，并与离子交换法对比，该处理系统工艺在环保性、先进性等方面优势明显，出水水质稳定，对于原水硬度、浊度、细菌总量等参数适应范围广，其脱盐率能达到98%以上，满足改造后燃气锅炉对供给水的要求，有效提升锅炉运行的能耗指标。
　　参考文献
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　　[2] 王原.反渗透装置在锅炉水处理中的应用[J].山西化工，1997（4）：41-42.
　　[3] 尹晓峰，金玉涛，王少波.反渗透技术在电厂锅炉水处理中的工程应用[J].水处理技术，2011（3）：126-128.
　　[4] 周恒洋.锅炉水处理的技术问题分析[J].化学工程与装备，2009（3）：93-94.
　　[5] 王旭东.浅析锅炉水处理的必要性及相关处理措施[J].中国高新技术企业，2016（8）：66-67.
　　[6] 蒋旭东.新型水处理设备-三塔式流动床[J].锅炉压力容器安全技术，2000（1）：8-9.
　　[7] 王越，徐世昌，王世昌.国外反渗透淡化系统余压回收技术研究概况[J].化工进展，2002（11）：860-863.
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