【化学技术】一文学懂化学水处理系统

发布时间:2018-09-10 02:23        

电力E族社群欢迎您!

每天抽出一点点时间,

一起进行电力技术交流吧!

长按扫码加入

第一节 化学水处理的必要性及流程
一.从给水品质标准看化学水处理的必要性

下表是锅炉给水品质标准。

总 硬 度

(μmol/L)

溶解氧

(μg/L)

电导率

(μs/cm)

二氧化硅

(μg/L)

PH值

(25℃)

二氧化碳

(μg/L)

标准

≤30

≤50

10

≤20

8.8~9.2

≤20

我国北方多采用深井水源,其水质超标最严重的是总硬度,总硬度是指溶液中钙离子(Ca2+)和镁离子(Mg2+)摩尔浓度的平均值。所谓摩尔浓度指每升溶液中溶质含量的毫摩尔数。例如Ca的原子量为40,1molCa2+的质量是80g(其化学意义是:1mol Ca2+内含6.02×1023个钙离子)。如果1L溶液中含有1g Ca2+,那么它的摩尔浓度是1/80=0.0125mol/L=12.5mmol/L。

给水水质不良,特别是钙、镁、钠、硅酸根离子超标,会给热力       设备造成如下危害:
1. 热力设备的结垢:如果进入锅炉或其它热交换器的水质不良,则经过一段时间运      行后,在和水接触的受热面上,会生成一些固体附着物,这种现象称为结垢,这些固体附着物称为水垢。因为水垢的导热性比金属差几百倍,而这些水垢又极易在热负荷很高的锅炉炉管中生成,所以结垢对锅炉(或热交换器)的危害性很大;它可使结垢部位的金属管壁温度过高,引起金属强度下降,这样在管内压力的作用下,就会发生管道局部变形、产生鼓包,甚至引起爆管等严重事故。结垢不仅危害安全运行,而且还会大大降低发电厂的经济性。例如,热力发电厂锅炉的省煤器中,结有1mm厚的水垢时,其燃料用量就比原来的多消耗1.5%~2.0%。因此有效防止或减少结垢,将会产生很大的经济效益。另外,循环水的水质不良,在汽轮机凝汽器内结垢会导致凝汽器真空度降低,从而使汽轮机的热效率和出力下降;过热器的结垢会使蒸汽温度达不到设计值,使整个热力系统的经济性降低。热力设备结垢以后,必须及时进行清洗工作,这就要停运设备,减少了设备的年利用小时数;此外,还要增加检修工作量和费用等。 
2.热力设备及其系统的腐蚀:发电厂热力设备的金属经常和水接触,若水质不良,则会引起金属腐蚀,如给水管道,省煤器、蒸发器、加热器、过热器和汽轮机凝汽器的换热管,都会因水质不良而腐蚀。腐蚀不仅要缩短设备本身的使用期限,造成经济损失;而且腐蚀产物转入水中,使给水中杂质增多,从而加剧在高热负荷受热面上的结垢过程,结成的垢又会加速炉管的垢下腐蚀。此种恶性循环,会迅速导致爆管等事故。 
3. 过热器和汽轮机流通部分的积盐:水质不良还会使蒸汽溶解和携带的杂质(主要是Na+和HSiO3-离子)增加,这些杂质会沉积在蒸汽的流通部位,如过热器和汽轮机,这种现象称为积盐。过热器管内积盐会引起金属管壁过热甚至爆管;阀门会因积盐而关闭不严;汽轮机内积盐会大大降低汽轮机的出力和效率,即使少量的积盐也会显著增加蒸汽流通的阻力,使汽轮机的出力下降。当汽轮机积盐严重时,还会使推力轴承负荷增大,隔板弯曲,造成事故停机。  

总之,给水硬度高,表示钙、镁离子含量大,易造成锅炉各受热面、汽包以及管道内壁结垢及腐蚀,轻则影响热量的传导,重则引起锅炉爆管;水中杂质经蒸汽携带到过热器和汽轮机,则会引起蒸汽通流部位积盐,造成进一步危害。
● PH值是判断水质酸碱性的指标,PH值=-log(溶液中氢离子浓度,mol/L)。纯水中H+和OH-的含量都是1×10-7mol/L,因此PH值=7。水中若溶入酸,例如盐酸HCl,H+浓度就会增加,H+浓度越大,PH值越小,PH值<7为酸性水质;水中若溶入碱,例如氢氧化钠NaOH,H+浓度就会减小,金属钠离子浓度就会增加,H+浓度越小,金属离子浓度越大,PH值就越大,PH值>7为碱性水质。
经过化学方法(离子交换)处理的水,显示弱碱性(PH值=8.8~9.2)。弱酸性水对金属有腐蚀性;采用弱碱性水,具有钝化钢、铜表面的优点,使之不易被腐蚀,防止在锅炉及换热器表面结铁垢和铜垢。

二.水处理的流程

本电站的水处理流程分为两大组成部分,第一部分是物理软化水流程,第二部分是化学除盐水流程。
物理软化水流程:来自厂区供水管网的原水(又称生水),经过石英砂过滤器、活性碳过滤器,除去了原水中的固体颗粒和悬浮杂质,称为澄清水;澄清水再经过反渗透装置清除了其中大部分钙、镁离子,成为软化水。s
化学除盐水流程:软化水经过除碳器,除去水中的二氧化碳(严格地说是HCO3—),再经过混床,除去水中残存的钙、镁、钠、硅酸根等有害离子,成为除盐水,也就是锅炉补给水,存储在除盐水箱,再用除盐水泵打入除氧器,最终经给水泵打入锅炉汽包。


第二节  物理软化水原理及工艺
一. 反渗透原理

1 .渗透与反渗透

半透膜是一种只能让水透过,而不能让其它溶质透过的膜。如果将纯水和盐水用这种半透膜隔开,由于膜两侧的浓度差而产生一个渗透压力,纯水在渗透压力的作用下会自然地透过半透膜至盐水一侧,如图5.2(1)所示,这种现象称为渗透。随着渗透的进行,膜两侧的浓度差逐渐降低,渗透压力逐渐减小;同时盐水侧的液面不断升高,由高度差而产生压力,此压力将抑制纯水进一步向盐水侧渗透,从而达到平衡,平衡压力称之为该浓度差下的渗透压。如果在盐水一侧加上一个大于渗透压的压力,盐水中的分子就会从盐水一侧透过半透膜流至淡水一侧,见图5.2(2)。这一现象称为反渗透,反渗透是渗透的逆过程。

2. 反渗透膜除盐机理:

半透膜的表皮上布满了许多极细的膜孔,膜的表面选择性的吸附了一层水分子,盐类溶质则被膜排斥,化合价态愈高的离子被排斥愈远,膜孔周围的水分子在反渗透压力的推动下,通过膜的毛细管作用流出纯水而达到除盐目的。
本设备采用芳香聚酯胺反渗透膜(PA膜),制成卷式组件,主要用于纯水制备和水处理行业中。

在卷式膜元件中,膜袋(一个或多个)与网状分隔层一起围着轴心及透过液收集管卷绕。膜袋由两张膜以及两张膜之间的多孔网状支撑层(输送透过液)构成,膜袋的三条边经粘合密封,第四条边粘接到组件中央透过液收集管的狭缝通道上。原料溶液(或原水)从一端进入,在压力的推动下,沿轴向流过膜袋之间的网状分隔层(简称隔网)从另一端流出;而透过液在膜袋内多孔网状支撑层
沿径向垂直方向螺旋式流进中央透过液收集管。需要说明的是,膜袋之间的网状分隔层不仅起保证原料液流过通道间隔的作用,而且还可以改善膜面流动状况,控制膜面浓差极化。
卷式膜组件是由膜元件及装载膜元件的承压壳体(简称压力容器)构成。在卷式膜组件中,原水由膜组件的端部进入,在膜元件的隔网中沿中心管平行方向流动,淡水从两侧的膜透过,沿卷膜的方向旋转流进中心集水管,然后引出;浓缩水流入下一个膜元件作为进水,并依次流过组件内的每个膜元件进行脱盐,直至排出。膜组件中每个膜元件的进水端外侧用密封圈隔开,每个膜元件的中心集水管采用连接件连通。

反渗透装置(又称RO系统)采用的这种低压高脱盐率反渗透膜,主要去除水中溶解盐类、有机物、二氧化硅胶体、大分子物质,去除水中大部分(可达90%以上)盐分。为了提高脱盐率,本设备采用了一级三段式流程:第一段浓水(出水)进入第二段作为进水,第二段浓水(出水)进入第三段作为进水,最后将三段的渗透出水汇合成产水(成品水)(图5.5)。图中浅色线条为清洗用管路。                

二. 原水预处理系统

原水中含悬浮物(颗粒较大,主要是沙子和黏土类无机化合物)、胶体物(胶体微粒是许多分子和离子的集合体,主要是腐殖质以及铁、铝、硅等的化合物)、溶解于水的各种离子(包括Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-K+、Na+、Fe、Mn、NO3-、H4SiO4)、各种可溶性气体(CO2、O2、H2S)等杂质。这些杂质会造成膜的污染,使膜的分离率和透水速度下降,因此原水在进入RO系统前,必须进行预处理,在预处理可去除大量悬浮物及颗粒、有机物和残余的游离氯。
预处理系统包含原水泵、反洗水泵、絮凝加药装置、石英砂过滤器、活性炭过滤器等。

1. 原水泵/反洗水泵

原水经由原水泵送往预处理系统,原水泵采用2台铸铁卧式离心泵。反洗水泵采用铸铁卧式离心泵,当过滤器需要反洗时,提供足够的压力将原水送往过滤器进行反洗。

2. 絮凝剂加药装置

因原水中含有部分悬浮物质,为防止其污堵反渗透膜,需要加入絮凝剂进行在线接触混凝,通过吸附、架桥作用使胶体悬浮物凝聚变大,便于石英砂过滤器去除。最为人熟知的絮凝剂是明矾(硫酸铝晶体)。为了更好地去除水中的悬浮物,本装置采用高效有机物絮凝剂(聚丙烯酰胺),防止悬浮物质污堵反渗透膜。
加药箱由PE塑料制成,容积200升,电磁驱动隔膜计量泵流速6 L/min,电机功率30W,药液的投加量可以根据系统的原水流量变化自动调节,以保证系统24小时连续稳定工作。

3. 石英砂过滤器

石英砂过滤器由碳钢(衬胶)制成,直径1米,内装石英砂作为滤料,来滤除水中的杂质。石英砂细度0.6~1.2mm,石英砂滤层安装在上下孔板之间。器身外面管道上安装着球阀、四通和三通接头,完成水过滤的以下各项操作。
图5.6是多介质过滤器原理图。它的运行操作流程如下:

(1) 滤水:

生水来自厂区进水管网,开进水阀,水从器身上部管道进入过滤器,经过上孔板比较均匀地进入石英砂滤层,过滤后的清水经过下孔板、水帽和出水阀,送至活性碳过滤器。在滤水工序,生水从上部进入,清水从下部流出。滤水过程只打开了进水阀和出水阀,其余阀门关闭。

(2) 反洗:

随着过滤时间的延续,滤层上沉积的固体悬浮物逐渐增多,它们堵塞过滤介质的网孔,使过滤的速度和效率下降,到一定程度,必须停止过滤,清洗滤层。由于滤层上部沉积的固体悬浮物数量多,颗粒大,所以清洗滤层的第一步是反洗,反洗还起到蓬松滤水过程被压紧的滤层的作用。反洗时打开器身下部的反洗进水阀和上部的反洗排水阀,利用生水自下而上逆流冲刷滤层,水夹着污物从上部排到地沟。

(3)正洗:

反洗完毕,打开上部进水阀和下部正洗排水阀,用生水对滤层进行正洗。为了省水及提高洗涤效率,每次反洗和正洗的时间不宜过长,而是反、正洗交替进行数次,从排水清浊程度,判断是否已将滤层洗净,确认洗净后即可重新开始滤水工序。

4.活性炭过滤器

活性炭过滤器的构造与石英砂过滤器类似。内装优质果壳净水碳,其颗粒西度为2~4mm。该材料吸附效率高,处理水量大,节约运行费用且可以反复清洗使用。原水经过石英砂过滤器的处理后,已将大部分的肉眼可见物去除掉,再通过活性炭过滤器去除水中留有的胶体、游离氯、异味、色度以及部分铁锰和吸附水中的有机物等。
余氯等氧化性物质的存在,会氧化离子交换树脂和离子交换膜,引起反渗透膜组件的功能减低。活性炭用木质、煤炭、果壳等含碳物质,通过化学或物理活化法制成,它又非常多的微孔和巨大的表面积。优质果壳活性碳颗粒的表面积高达1000m2/g以上,因而有很强的物理吸附能力,能有效的吸附水中有机污染物,也可呈现一定的化学吸附性,去除水中的余氯、氯胺等。
  活性碳过滤器的操作也与石英砂过滤器类似。

二. 反渗透前置系统

前置系统包含阻垢剂加药装置、保安过滤器、高压泵等。

1.阻垢剂加药系统

进入反渗透系统的澄清水,硬度较大,特别是钙、镁离子浓度较大,它们会在反渗透设备内结垢,垢的主要成分是CaCO3、CaSO4等。因此在经过石英砂过滤器、活性炭过滤器两级过滤后的澄清水进入膜元件之前,在管路中设置了阻垢剂投加装置。当前常用的是有机磷酸盐类阻垢剂,它的主要作用是相对增加水中结垢物质的溶解性,以防止碳酸钙、硫酸钙等物质对膜的阻碍,同时它也可以降低铁离子堵塞RO膜微孔的速度。
阻垢剂加药装置与絮凝剂加药装置相似。加药箱由PE塑料制成,容积200升,电磁驱动隔膜计量泵流速3L/min,电机功率30W,药液的投加量可以根据系统的原水流量变化自动调节,以保证系统24小时连续稳定工作。

2.保安过滤器

保安过滤器是一台精密过滤器,以不锈钢筒为外壳,其作用是截留进水带来的大于5μm的颗粒,防止其进入反渗透系统。这种颗粒经高压泵加速后可能击穿反渗透膜组件,造成大量漏盐的情况发生,同时划伤高压泵的叶轮。进水沿切线方向进入保安过滤器,提供旋转水流及离心力,从而可在滤芯外侧去除一部分杂质颗粒。过滤器中的10芯40″滤元为可更换聚丙烯绕丝滤芯,该滤芯的绝对精度为5μm,采用独特密封方式,不会发生短路或泄漏,且易于更换,当过滤器进出口压差大于设定值(通常为0.07~0.1MPa)时,应当更换。

从图上可以看到,在其进、出口管道上,各安装了一只压力表,用以监视水流经过过滤器的压差。

3.高压泵

高压泵的作用是为反渗透本体装置提供足够的进水压力,保证反渗透膜的正常运行。根据反渗透本身的特性,需有一定的推动力去克服渗透压等阻力,才能保证达到设计的产水量。根据反渗透的配置,最高进水压力1.7MPa,在设计水温为25°C时,系统投入使用三年后,提供的进水压力仍不小于1.31MPa。

三.反渗透装置的运行
1. 反渗透装置的调试

 (1)调试前的准备工作

     调试前确认各电源连接完好,预处理设备调试完毕。在反渗透装置初次启动之前,原水的预处理系统必须已经过调试和试运行,出水质量能够满足反渗透装置进水要求,经二级过滤后水的浊度应<1.0NTU和 SDI<5.0。
      l)膜元件供给前处理水之前必须确认的给水条件:给水温度30~40°C;PH值在各反渗透膜元件的规格与性能表中所记载的范围内;残留游离氯未有检出(聚酸胺复合膜)。
      2)给水加药系统核查
      ①所有管道和装置必须都是由防腐材料制作的且已冲洗干净;
      ②所加人的化学药品之间要相兼容,且对反渗透膜没有副作用;
      ③保证药品能与给水充分混合。
      3)反渗透系统的检查
      ①检查保安过滤器确实能起到保护高压泵和反渗透膜元件的作用;
      ②检查压力表、流量表、电导率表等安装正确且已校准;
      ③检查能够取出各段给水、各段产品水及总浓水、总产品水有代表性的水样;
      ④核对联锁、报警是否经过正确的整定;
      ⑤核对产品水管线确实已打开。保证浓水流量控制阀处于开启位置,必要时人工调整开度;
      ⑥ 运行中监督化验所用的各种药剂、试剂、分析仪器已配备齐全。

 (2)调试步骤

1)利用低压水流冲洗反渗透压力容器及反渗透装置的有关部件。
2)取下压力容器的两个端板。
3)从密封的塑料袋中取出膜元件,按照水流方向依次推人压力容器内,膜元件和压力容器两边端板上的密封圈应涂上甘油,以作润滑。元件的浓水密封应位于上游处;
4)用符合反渗透装置进水要求的水(不加阻垢剂)冲洗膜元件,冲洗应根据膜制造厂商的资料要求进行;
5)启动压力泵,调节进水和浓水的流量调节阀,逐渐增大压力和流量到设计值;
6)检查装置的脱盐率;
7)系统运行正常后,记录操作条件和性能参数。

2. 反渗透装置的运行

(1)启动与运行
  反渗透装置调试完毕后,即可投入正常运行,以下为反渗透装置的启动、运行和停机的步骤:
  1)预处理系统运行已达到稳定状态;
  2)开启阀门在低的给水压力和流量下将系统的空气排出;
  3)启动高压泵,随后开启高压泵出口电动慢开门,进行反渗透,使各性能参数处于设定值;
  4)调节进水及浓水阀,使流量及回收率满足设计要求。
    反渗透设备投入运行后,监测各指标,不合格应及时调整。
(2)反渗透装置运转时的注意事项
   1)排气:在反渗透装置给水(前处理水)满足条件后,使用低压泵将此水打入压力容器以排出内部的空气,使之达到满水状态。低压给水压力为0.2~0.4MPa。不可在排气不充分的状态下启动高压泵。
   2)压力、流量的上升:在未达到设备的运转条件(水量、压力、回收率等设计值)前,要缓缓地提升流量、压力。急剧的流量、压力的上升会导致反渗透膜元件发生变形和损伤。
   3)高压泵:由于高压泵及其管道系统中的振动或压力的脉动及水锤等会造成反渗透膜及元件的损伤,所以必须注意勿发生类似情况。
   4)膜组件压差:膜组件压差(每个压力容器的给水与浓水的压力差),包括高压泵的启动时间在内,无论何时都不得超越各个反渗透膜元件的规范表上所记载的允许压差值。
   5)背压:当反渗透装置停止时,在各个膜元件上发生的背压(透过水水压超过供给水水压时的压力)必须小于 0.035MPa。

3. 反渗透装置的停运

   1)先打开产水排放阀。
   2)反渗透装置停运前,停高压泵,马上用产水或预处理的进水冲洗反渗透膜,冲洗时关阻垢剂加药泵。
  3)低压冲洗5~10min后,系统停机。

四. 反渗透清洗系统

反渗透系统正常工作流程前面已经讲过。系统经过一个清洗周期,膜元件由于受到污染,透水率下降,反渗透装置进出口间的压差增加,此时必须进行清洗。清洗周期的长短,与原水水质、预处理过滤器的滤水效果等因素有关。
清洗系统为反渗透的正常工作提供了可靠保障。
清洗系统与反渗透系统实现联锁控制,当RO系统工作时,清洗系统是无法启动的,而清洗系统工作时,整个RO系统也不会启动。清洗系统与反渗透系统的结合,对膜元件的彻底清洗提供了最有效的解决办法。
   反渗透清洗装置主要有PE塑料材质的清洗箱(包括加热及控温装置)、不锈钢清洗泵、清洗用保安过滤器、监测清洗液流量及温度的在线仪表等,清洗装置也可用于膜元件的消毒。清洗系统流程如图5.8所示。                      

1.清洗的判断标准

  当出现下列情形之一时需对膜元件进行化学清洗:
    (1)盐的透过率增加10%;
    (2)透过液流量降低10%;
    (3)进水和浓水的压差ΔP较基准状况上升了15%(基准状况为反渗透设备最初 24~48h的操作参数或上次清洗后的操作参数);
    (4)作为日常维护,一般在正常运行3~6月后;
    (5)需长期停用,在用保护液进行保护前。

2. 膜污染的特征

   在对膜进行清洗之前,首先必须要弄清膜的污染物是什么,即需要清洗什么,这样才能做到对症下药,取得良好的清洗效果。不同的膜污染有不同的特征,表5.1概述了常见的膜污染的特征。

3. 膜的化学清洗方法

化学清洗是在反渗透膜清洗中使用最广的一种方法。
化学清洗是通过化学反应从膜面上脱除污染物。对于不同的污染物应采用特定的化学清洗剂,同时使用的化学清洗剂必须与膜材料相容,以防止对膜产生不可逆的损伤。
常用化学清洗试剂的成分有:
(1)酸盐酸、柠檬酸、草酸等。最常用的酸为柠檬酸。酸对CaCO3、Ca3(PO4)2、
Fe2O3等有效,但对SiO2、有机污染物无效。
(2)鳌合剂EDTA、柠檬酸等,其中以EDTA最为常用,它能与Ca2+、Mg2+、
Ba2+、Fe3+等形成易溶的络合物,因此对碱土金属的硫酸盐较为有效。
(3)碱NaOH、NH4OH、三聚磷酸钠等。碱对污染物有松弛、乳化和分散作用,对硅垢也有一定的效果,与表面活性剂一起使用对油、脂和生物粘泥有去除作用。
其他如表面活性剂、蛋白酶等可作为清洗剂的添加剂,表面活性剂可以降低膜的表面张力,起分散和去污的作用;但应注意表面活性剂与复合膜不相容。蛋白酶有利于有机污染物的分解。
具体的清洗配方由厂家提供。

4. 清洗步骤

(1)冲洗膜组件,排除运行过程中的浓水和给水通道中的污染物。
(2)使用反渗透产水,按清洗配方的要求配制清洗液,并混合均匀;调节清洗液的PH值、温度至规定的范围内。
(3)将清洗液引入膜组件循环清洗约lh,在此过程中应注意要调节清洗液流量,使流量缓慢增加,防止清洗出的污染物将给水通道堵塞。在排掉最初排出的约20%已污染的清洗液后,将清洗液及渗出的少量产品水再循环至清洗箱。当PH值变化超过0.5时,应重新调整至目标值。
(4)浸泡和再循环(可选择步骤):浸泡时间通常为1~12h(根据具体污染物的情况而定,原则上应尽量减少化学试剂和膜的接触时间),在进行较长时间浸泡时,应注意保持正确的温度(可保持 10%流量循环)。
(5)用反渗透产品水进行低压冲洗,除去在清洗系统和反渗透系统中的所有残存
的药品。
(6)按投运步骤重新将反渗透装置投运。应注意在进行清洗后,反渗透产水水质要数小时甚至几天才能稳定下来,尤其在经过高PH值清洗液清洗后。

5.清洗效果

成功的清洗应能使膜组件进出口压差明显减小(接近初期水平或上次清洗后的水平),脱盐率、透过水量均有所恢复。如果清洗后没有达到预期的效果,应及时与膜生产商和有关清洗公司联系,对膜元件进行取样分析,重新确定清洗方案。应该注意的是,反复进行没有效果的清洗是有害的。

6. 膜元件的消毒:

根据厂家提供的杀菌剂,在清洗的同时对膜元件进行消毒。

五. 反渗透膜元件的装入和取出

1.反渗透膜组件的安装

    在膜元件装人压力容器之前,应仔细阅读压力容器用户手册,在用户手册中有详细的安装、拆解说明。准备好必要的工具、材料和防护用品,如卡环钳、扳手、改锥、甘油、橡皮锤、手套、安全眼镜等。按用户手册的方法取下压力容器两端的端板,将压力容器清洗、擦拭干净,并用毛巾或海绵浸甘油均匀涂抹压力容器内壁,使内壁润滑,便于膜元件的装入。

    (1)反渗透膜组件安装前的准备

      ①清除供水配管内的垃圾、油、金属粉:可根据需要进行配管系统内的药品清洗或注入清洗。
      ②供给水质的确认:至少要对压力容器通水30min,确认反渗透膜的供给水是否符合要求。对于聚酸胺复合膜,要确认无残留游离氯存在。
      ③必要零部件的准备:从纸板箱内的附件盒里将零部件取出,并清点、确认膜元件的附属零部件及数量。
      ④安装O形圈:在连接配件上安装好O形圈。在安装时,可根据需要在O形圈上涂以硅基润滑脂、凡士林等润滑剂。
      ⑤压力容器内部的检查:取下压力容器两端的端板。用干净水冲洗已打开的压力容器,并将容器内部的垃圾或异物除去。
      ⑥ 安装压力容器端板:根据压力容器的组装指南,在压力容器的浓缩水侧安装上端板。

    (2)反渗透膜元件的安装

      ①从纸板箱中取出膜元件,拆去塑料包装袋:请注意,膜元件中有保护液05%~1.0%的NaHSO3,或0 2%福尔马林溶液,在操作时要小心。
      ②在膜元件上安装盐水密封圈:盐水密封的方向如图5.9所示。如果逆向安装则不能发挥其作用,务请注意。
      ③装填膜元件:将膜元件不带盐水密封圈的一端从压力容器的供水侧(上流)平行插入,将元件的2/3慢慢推入,进行如图5.10、图5.11所示。这时,要注意勿触及压力容器的边缘。
      ④安装连接插件:将最初的膜元件整体放入压力容器后,如图5.12所示安装连接接头。将元件间的连接接头插入元件产水中心管内,在安装接头前,可在接头O形圈上涂上硅基润滑剂。
      ⑤装填第2支膜元件:按①、②的要领在膜元件上安装盐水密封圈。将膜元件的中央集水管插入按④已装好的连接插件(图5.13)。确认中央集水管已完全插入连接插件后,按照③的要领插入第2号膜元件。这时,如果顶过头之后要将膜元件拉出就会脱离连接插件或使盐水密封圈扭曲而造成性能不良,所以在顶入时要慢慢地进行,千万勿顶过头。
      ⑥装填后续膜元件:重复步骤④和⑤(图5.11~图5.13)直到所有元件都装入压力容器内,元件和压力容器的长度决定装填数量。将最后的元件推入直到第1支元件的连接接头紧紧地插入压力容器的浓缩水侧的端极接口。
      ⑦安装连接插件:装填完所有的元件后,如图5.14所示安装连接接头。
      ⑧安装供给水侧的端板:根据压力容器的组装指南,在压力容器的供给水侧安装上端板。
       ⑨连接好端板处的管道。

    (3)装填膜元件后的检查

      ①通水确认、仔细检查管配件接续是否正确、螺丝是否拧紧后,再开始进行通水试验,通水时要注意尽量让水压慢慢上升。
      ②调整至既定的产水量和回收率:密切注意给水、浓缩水的流量计的同时,调整到既定的制水量和回收率,如果没有压力损失或其他问题时,让这种运行状态持续lh。
      ③检查膜透过水水质:将各膜组件的透过水进行采样以检查水质(电导率)。如有水质异常的膜组件,就必须再次检查O形圈、盐水密封圈等,更换不良的零部件。

    2.取出膜元件

     首先拆掉压力容器两端的外接硬管,卸下压力容器两端的端板组合件,从供给水侧(上流)推顶膜元件,从浓缩水侧让膜元件的部分露出,从浓缩水侧平行地慢慢地将露出的膜元件拉出。膜元件之间的连接只是用连接插件(O形圈)连接,可方便地取下。
按照前面的要领将膜元件一根一根地取出。在取出第2至第6根时,从第2根膜顶入时必须有1根作用于膜中心管的顶入管。如果备有与膜元件的中心管同直径、同长度的管以及连接插件的话,每取出1根膜元件就要接上1根顶出用管。这样就可以完成上述作业。


第三节  化学离子交换除盐原理及工艺

从反渗透装置出来的软化水,虽然纯度已经较高,但是仍然满足不了电站锅炉用水的要求,主要原因是危及电站汽水循环设备(锅炉、汽轮机等)安全运行的钙、镁、钠及硅酸根离子超标,为此要通过离子交换除盐方法,将其去除。其工艺流程如图5.15所示。                       

一. 化学除盐的基本理论

1.离子交换树脂

用化学合成法制成的高分子有机质离子交换剂,其外形很像树木分泌出的树脂(如松脂),内部也具有树脂状结构(网状多孔),因此被称为离子交换树脂。
离子交换树脂是带有可交换离子的高分子有机化合物。苯乙烯系是我国电厂用得最广泛的一种,它是将苯乙烯和二乙烯苯放在水溶液中,使其在悬浮状态下进行共聚,制得高分子化合物聚苯乙烯小球,称为白球。白球是具有立体网状结构的高分子骨架,骨架内分隔出大量空穴。将白球进行浓硫酸处理,引入活性基团——SO3- H+,这个基团的SO3-能够牢固地结合在高分子骨架上,而H+则是可以离解出来的离子,它与周围外来的同符号离子(正离子),可以互相交换,称之为可交换离子,白球及与它牢固地结合的SO3-在一起,用符号R表示,因此符号RH就可用来表示这种阳性离子交换树脂(型号001×7),由于在水溶液中能够离解出大量的H+,所以它具有强酸性(第一个数字0表示强酸性)。
图5.16给出了阳离子交换树脂的显微结构。白球的粒径约20~40目,即0.3~1.2mm,不过小米粒大小,空穴直径约20~100nm(1nm=10-9m)。严格地讲,活性基团具有双电层结构,只有外层(扩散层的离子)才是可以离解出来的离子。
将聚苯乙烯白球氯甲基化,然后胺化处理,可获得电站水处理常用的D202型(字母D表示大孔型,第一个2表示强碱性)强碱性阴离子交换树脂ROH,它的活性基团为二甲基乙醇胺。

2.离子交换的化学反应

电站除盐普遍采用的是带有H+ 的强酸性阳离子交换基团和带有OH-的强碱性阴离子交换基团的离子交换剂,它们置换水中的阳、阴离子,以完成去除水中盐类的过程,称之为离子交换除盐。其交换反应如下:
(1)阳离子交换反应:
式中RH代表阳离子交换树脂的交换基团(官能基团),括号内的组合表示各种可能出现的情况,例如:
2RH+CaSO4  2RCa+H2S04,表示以硫酸钙形式存在于水溶液中的钙离子被官能基团置换,留在阳床内,硫酸与水从阳床底部排出。
2RH+MgCl2  2RMg+2HCl,表示以氯化镁形式存在于水溶液中的镁离子被官能基团置换,留在阳床内,盐酸与水从阳床底部排出。
(2)阴离子交换反应:
式中ROH代表阴离子交换树脂的交换基团(官能基因),括号内的组合表示各种可能出现的情况,不过由于经过除碳器,水中残余碳酸含量已经很小。例如:
2ROH+2H2SiO3 2R(HSiO3)+H2O,表示以硅酸形式存在于水溶液中的硅酸根负离子被官能基团置换,留在阴床内,这实际上是一个中和反应。
3. 离子交换树脂的再生
上述离子交换除盐是先经阳离子交换后再经阴离子交换,随着离子交换过程的进行,官能集团因“俘获”了被交换的离子而相继失效,交换效率会逐渐降低,
最终要对阳离子交换树脂采用盐酸(或硫酸)再生,阴离子交换树脂采用氢氧化钠再生,恢复两种离子交换树脂的除盐功能,如此反复进行。
    用盐酸再生阳离子交换树脂;
    用氢氧化钠再生阴离子交换树脂;
    树脂再生所产生的盐类物质皆可溶于水,作为废液,排入地沟。
4.除碳
来自反渗透装置的出水,在进入混床以前,要经过除碳器脱碳。因为出水中的碳酸,即使在常温下,也不稳定,极易分解:
因此其后在混床中,只需去除脱碳后的残余碳酸。

二. 除碳器(脱气塔)

图5.17是脱碳的工艺流程原理图。软化水先经过除碳器除去水中的二氧化碳,再进入下一道离子交换工艺。
 除碳器的工作原理是:将空气用鼓风机从下部引入,含有CO2的水从上部淋下,空气和水对流接触。由于直径Φ50的多面空心球填料把水分散成极薄的水膜,而增加了水与空气的接触面积、空气越往上流,含CO2越多,最后由除碳器顶部排出;水越往下流含CO2越少,最终流入中间水箱时,水中残留CO2可达5μg/L左右。
除碳器器身高3m,为竖立的圆筒形,直径0.6m,流量10m3/h。内部有配水装置、

填料层,外部有鼓风装置。常用的配水装置有管式、莲蓬式、管板等多种。
鼓风式除碳器的底部设有进风装置和出水管。风机配套电机功率1.1kW,转速2900r/min,风量1000m3/h。为了均匀送风,从填料底部到塔底的距离不应小于600mm,为防止除碳器内空气从底部出水管逸出,出水管应设置水封。水封高度应比鼓风机的最大风压高20%。

三.中间水箱

中间水箱外形尺寸为Φ2000×3300mm,容量10m3,用于储存除碳后的酸性水。中间水箱和除碳器外形都很高大,厂房高度有限,不可能像图5.17画的那样,将除碳器直接安装在中间水箱的上面,实际上二者是分开放置的。而且因除碳器高3米,出水没有压力,必须增加其安装高度,使之出水自然进入中间水箱,所以将除碳器安装于水处理间的房顶。
之所以不直接将水从除碳器打到混床,而设置了中间水箱,一是因为在此处水压较低,不能“自流”入混床进水口,二是因为这水还用作混床反洗用水。
利用中间水泵把中间水箱的水打入混床进水口。中间水泵2台,1用1备,型号为IH50-32-160A,流量.12.5m3/h,扬程32m,配套电机功率3kW,转速2900r/min。

四. 混床

我们希望用一个设备同时完成水中阴阳离子的交换(清除),这个设备就是混合离子交换器,又称混床。

1. 制水

参看图5.18和图5.19,混床制水时,型号为D202的强碱性阴树脂和型号为001×7的强酸性阳树脂是均匀混合在一起,同时进行离子交换的。阳床产能为10m3/h,共2台,1用1备。
混床制水运行的操作非常简单:只要打开混床上部的进水阀门和下部的出水阀门,其余阀门皆关闭,来自除碳器的水即进入混床,经除盐处理后,从下部出水口进入除盐水箱。混床制水可采用较高的流速(50~100m/h)。
混床的运行失效标准,通常是按规定的失效水质标准控制的。即当出水电导率≥0.2µS/cm或SiO2含量≥ 20µg/L时,判定树脂失效,需要进行再生;也可以按预定的运        行时间或产水量控制,即在前级反渗透装置出水电导率≤lOµS/cm、[S1O2]≤l00µg/L的水质条件下,混床产水比按10000~15000m3(水)/m3(树脂)来估算运行时间或产水量。此外,也有按进出口压力差控制的。


    2. 反洗分层       

混床离子交换除盐装置运行操作的关键问题之一,就是如何将失效的阴、阳树脂分开,以便分别通入再生液进行再生。在电站水处理中,目前都是用水力筛分法对阴、阳树脂进行分层。这种方法就是借反洗的水力将树脂悬浮起来,使树脂层达到一定的膨胀率,利用阴、阳树脂的湿真密度差,达到分层的目的。阴树脂的密度较阳树脂的小,分层后阴树脂在上,阳树脂在下,所以只要控制适当,是可以做到两层树脂之间有一明显的分界面的。
   反洗开始时,流速宜小,待树脂松动后,逐渐加大流速到10m/h左右,使整个树脂层的膨胀率在50~70%,维持10~15min,一般即可达到较好的分离效果。
   两种树脂能否分层明显,除与阴、阳树脂的湿真密度差、反洗水流速有关外,还与树脂的失效程度有关,树脂失效程度大的容易分层,否则就比较困难,这是由于树脂在吸附不同的离子后,密度不同,沉降速度不同所致。
   对于阳树脂,不同离子型的密度排列顺序为:ρH   对于阴树脂,不同离子型的密度排列顺序为:ρOH   由上述排列顺序可知,失效程度大的容易分层,反之,则困难。当交换器运行到终点时,如底层尚未失效的树脂较多,则未失效的阳树脂(H型)与已失效的阴树脂(SO4型)密度差较小,分层就比较困难。
   为了便于分层,可在分层前先通入NaOH溶液,将阴树脂再生成OH型,阳树脂再生成Na型,使两者间的密度差增大,从而加快阴、阳树脂的分层。另外,新的H型和OH型树脂有时还有互相粘结的现象(即抱团),这使分层困难,可在分层前先通入NaOH溶液以破坏抱团现象。

3.再生

混床中阴、阳树脂的再生有以下2种方法。
 (1)两步再生法的操作步骤为:
1)反洗分层后,从混床上部送入NaOH再生液再生阴树脂,废液从阴、阳树脂分界处的中排装置的管道排出,为防止碱液污染阳树脂,在再生同时,由底部通入清洗水,通过阳树脂由中间排液管排出;
2)从混床下部通入再生阳树脂用的酸液,废液同样由分界处排液管排出,同样为防止酸液污染阴树脂,由上部送入清洗水通过阴树脂层由中间排液管排出;
3)用除盐水分别由混床底部和上部送入,自下而上清洗阳树脂层至排水酸度降至0.5mmol/L以下为止,由上而下清洗阴树脂层至排水OH— 碱度降到0.5mmol/L为止。
(2)酸、碱同时流经阳、阴树脂层体内再生的同步法,具体操作步骤为:
1)树脂反洗分层后,再生时,由混床上下同时送入再生用的碱液和酸液,分别流经阴、阳树脂层后,由中间排液装置同时排出;
2)清洗水亦同样由混床上下送入,分别流经阴、阳树脂层后,由中间排水装置同时排出。

 4.正洗

混合后的树脂层要用除盐水以10~20m/h的流速进行正洗,直至出水的电导率和硅酸含量合格时才能投入运行。

三. 混床的再生系统

混床的再生系统如图5.22所示

市售盐酸和氢氧化钠的浓度均为30%,运送到厂区后,由卸酸(碱)泵将槽车中的盐酸(氢氧化钠)输送到酸(碱)贮罐备用。
树脂再生用的盐酸和氢氧化钠的浓度均为2~4%,需用来自反渗透装置的软水稀释后使用。软水经由电磁计量泵注入计量箱与箱内来自酸(碱)贮罐的盐酸(氢氧化钠)混合,得到浓度合适的溶液,再用酸(碱)泵打入混床:碱液从上部进入混床,用以再生阴树脂,酸液从下部进入混床,用以再生阳树脂。酸(碱)计量箱材质为PE塑料,容积1.5m3。
 酸(碱)贮罐都是钢制外壳,内部经衬胶处理,贮罐容积均为5m3。酸泵和碱泵均用ABS塑料制成,其流量2t/h,扬程6.5m,配套电动机功率0.3KW。

四. 除盐水箱和除盐水泵

除盐水箱用于储存混床系统的产水,除盐水箱2台,容积均为10m3,以保证为锅炉提供稳定的水源。除盐水箱中的除盐水,经由除盐水泵输送到除氧器,经过除氧成为锅炉的给水,再由给水泵通过省煤器打入锅炉的汽包。除盐水泵型号为IH65-50-160,采用2台铸铁卧式离心泵,1用1备,其流量25m3/h,扬程32m,配套电机功率5.5KW。

五. 终端过滤器

终端过滤器与保安过滤器一样,采用耐腐蚀的304不锈钢材质外壳,其作用是截留经混床处理后的除盐水中残留的破损树脂等,以保证最终水质。

六. 加氨装置

在除盐水泵出口下游配备加氨装置,用于将PH值调节为8.5-9.2,以满足锅炉用水的要求。
加氨装置的组成和各加药系统相同,均采用电磁驱动隔膜计量泵,药液的投加量可以根据系统产水的PH值变化调节,以保证系统24小时连续稳定工作。

七.离子交换树脂使用、保管和污染后处理

余热电站水处理采用的阳树脂型号为001×7;其意义为“强酸性”、“白球为苯乙烯系骨架”、“顺序号为1”、“交联度(反映白球内骨架连接的紧密度)为7”的阳树脂;阴树脂型号为D202×7;其意义为“大孔型”、“强碱性”、“白球为苯乙烯系骨架”、“顺序号为2”、“交联度为7”的阴树脂。

1.新树脂使用前处理

    离子交换树脂的工业产品中,常会有少量低聚合物和未参加聚合或缩合反应的单体(有机杂质),当树脂与水、酸、碱或其他溶液接触时,上述物质就会转入溶液,影响水质。除了这些有机物外,树脂中往往还含有铁、铝、铜等无机杂质。因此,在对水质要求较高的时候,新树脂在使用前必须进行处理,以除去树脂中的可溶性有机杂质和无机杂质。
    新树脂在用药剂处理前,必须首先用稀盐水使树脂充分膨胀,然后对其中的有机杂质用氢氧化钠溶液除去;对无机杂质(主要是铁、铝的化合物)则用稀盐酸除去。
电厂中作水处理的树脂量都比较大,宜在离子交换设备中进行处理。其具体处理步骤如下:

对于阳离子交换树脂有以下3个步骤:

 (1)食盐水处理:将树脂装入交换器内,用约等于2倍树脂体积的10%NaCI溶液浸泡树脂18~20h以上。浸泡完后放掉食盐水,用水冲洗树脂直至排出的水不呈黄色为止。然后进行反洗,以除去混在树脂中的机械杂质和细碎的树脂粉末。
(2)稀氢氧化钠处理:用约等于2倍树脂体积的2%NaOH溶液浸泡树脂2~4h(或作小流量清洗),放掉碱液后,冲洗树脂至排水接近中性为止。
(3)稀盐酸处理:用约等于 2倍树脂体积的 5%HCI溶液浸泡树脂 2~4h(或作小流量清洗),放掉酸液后,冲洗树脂至排水接近中性为止。
●对于阴离子交换树脂:只是把上述步骤2与3掉换,以保证阴离子保持强碱性。
(1)食盐水处理;
(2)稀盐酸处理;
(3)稀氢氧化钠处理.

    2.树脂在使用中应注意的问题

    为了延长树脂的使用寿命,树脂在使用中要注意以下两个问题。
    (1)保持树脂的强度。为了保持树脂的强度,就要尽量避免可能给树脂带来的机械的、物理的或化学的磨损。因此要尽量防止树脂互相碰撞、挤压或经常地使树脂发生自身膨胀和收缩。此外还要严格防止树脂交替地风干和湿润、冷却和受热、有机物吸着和解析等。因为这些都容易使树脂的强度降低而遭到破坏。
    (2)保持树脂的稳定性。为了保持树脂的稳定性,除尽量避免或减少有机物和铁、铝等化合物对树脂的污染外,还应注意氧化性物质对树脂的破坏。
如果原水采用自来水,原水中游离氯含量大于0.5mg/L时,就会造成强酸性的阳树脂被氯离子氧化,R-H被氧化成R-Cl。阳离子交换树脂被氧化后,外观表现为色浅,透明度增加,树脂体积增大(不可逆膨胀)并破碎,引起树脂的体积交换容量减少,树脂层压力损失增大,以及出水纯度和PH值降低。阳离子交换树脂的溶出物还可污染强碱性阴离子交换树脂。
为了防止游离氯对树脂的污染,应当控制原水中的余氯小于0.1mg/L。如原水中含游离氯量过多,应采取如下处理措施:
    (1)原水添加 Na2 SO3(亚硫酸钠)等还原剂以去除氧化剂;
    (2)在离子交换水处理设备前加多介质(无烟煤)过滤器;
    (3)采用高交联度的树脂。
    强碱性阴离子交换树脂的抗氧化能力比强酸性阳离子交换树脂差,当水中含有0.3mg/L以上的游离氯时,即可引起氧化分解。对OH型强碱树脂,其交换基团为二甲基乙醇胺,由于抗氧化性弱,水中的溶解氧也能将其氧化为低级胺类。温度升高和有重金属存在时,都可以促进氧化的进行。
    总之,树脂在使用过程中,只有采取有效措施,使树脂保持较高的稳定性和强度,才能延长树脂的使用寿命。

    3.树脂保管

    (1)树脂在长期储存时,应当用食盐水浸泡,使其转换成中性盐型,并用纯水洗净,然后封存。为此树脂出厂时采用两层塑料薄膜包装,内层起封装作用。
    (2)对于已经开包的树脂,为了防止树脂干燥时破裂,最好浸泡在蒸煮过的水中,或1%的甲醛溶液中。浸泡树脂的水经常更换,以免繁殖细菌污染树脂。
    (3)储存过程中由于某种原因,一旦使树脂脱水,切勿使用清水浸泡,因为清水浸泡,树脂膨胀过快,容易破碎。阳树脂可浸泡在饱和食盐水中;对于阴树脂,由于它在过浓的食盐水中会上浮,不能很好湿润,可用10%的食盐水浸泡,然后逐渐稀释食盐溶液,使树脂慢慢膨胀,恢复后的树脂再浸泡于蒸煮过的水中。
    (4)树脂储存温度不要过高,一般在5~20°C,最高不能超过40°C。因为温度过高时,一方面容易繁殖细菌或其他微生物,污染树脂;另一方面容易使树脂结块,甚至导致交换基团的分解。树脂储存在 0°C以下时,要严防树脂的冻结和崩裂。这时可将树脂储存在食盐溶液中。
    (5)树脂在储存过程中,要防止接触容易使树脂污染的物质,如铁锈、油污、强氧化剂、有机物等。

    4.树脂交换能力下降的补救措施

    在离子交换处理的过程中,各种离子交换树脂,常常会逐渐改变其性能,其原因有两个方面:一是树脂的本质改变,即化学结构受到破坏,是无法补救的;二是受到外来杂质的污染,即树脂中毒。后一种情况所造成的树脂性能改变,可以采取适当的措施,清除污染杂质,使其性能恢复或有所改进。
    一般对树脂污染物质的清除,可采用下列措施:
   (1)树脂层的灭菌
    采用地面水的交换器,由于树脂层胶体物质的集结,常生有大量微生物,以致污染树脂,增加压力损失,降低出水能力,甚至影响出水质量。
    灭菌的方法比较多,但较为实用的有以下两种:
    1)用1%的甲醛溶液浸泡树脂数小时,然后放掉甲醛溶液,用水冲洗至无甲醛臭味为止。
    2)用0.1~0.5%的次氯酸钠在稀NaOH( 1~2%的 NaOH溶液)溶液中洗涤树脂,由于次氯酸钠能杀死微生物,氧化腐殖酸的大分子使它变成扩散速度较快的小分子。所以此种处理效果很好,但这种处理会加速树脂的氧化,不宜经常使用。
 (2)铁、铝及其氧化物的去除
    若树脂由于有机物和铁、铝及其氧化物的污染,则首先除去铁、铝及其氧化物,然后再除去有机物。
    阳树脂具有强酸性,对铁、铝及其氧化物的污染敏感。阳树脂受铁、铝及其氧化物污染的去除,根据运行实践经验,可采用水和空气组成的混合物长时间(6~8h)地猛烈擦洗树脂后,再用浓度较高的HCl溶液(10~15%)长时间与树脂接触(12h以上)。在用 HCl溶液处理前,应将树脂充分反洗,以便提高盐酸的处理效果。
    对于阴离子交换剂,如果再生用的NaOH不纯洁,阴树脂可被Fe(OH)3所污染,此时可用10%的食盐溶液处理,随后再用NaOH溶液再生两次。
  (3)有机物的去除
    油类、腐殖酸及其他有机物,极易堵塞阴离子交换树脂的微孔,对活性交换基团起封闭作用,降低树脂的交换容量。
树脂被有机物污染后可采用碱性(加NaOH的)食盐溶液(PH=9)对运行的阴树脂进行定期淋洗,除去有机物的效果随NaOH浓度的增加而提高,这是因为pH值高的溶液可以降低树脂与有机物的结合强度。将食盐配成 10%溶液,再用 5~6%NaOH溶液相混(调整 PH=9)淋洗树脂 12h;还可以用 7~10%的热食盐水(40°C)在设备中长时间(12~16h)的循环。