反渗透后离子除盐系统中除碳器设置必要性探讨

PAGE4-反渗透后离子除盐系统中除碳器设置必要性探讨张凤琴东北电力设计院（吉林长春130012）[摘要]：针对反渗透装置对游离态CO2几乎没有去除能力的情况，以反渗透+离子交换除盐工艺为基础，分析了游离态CO2对阴离子交换器运行的影响，并通过计算，求得了为提高除盐系统运行的经济性而需设置除碳器时的最低游离态CO2浓度，为设计和系统分析提供了一定的依据。[关键词]：反渗透游离态CO2除碳器阴离子交换器Discussthenecessaryforsettingde-carbonatorinion-exchangeseriesafterreverseosmosisequipmentZhangFeng-QinNorthEastElectricPowerDesignInstitute（JinLinChangChun130012）[Abstract]：Sincereverseosmosis(RO)equipmenthasnoabilitytoremovalfreecarbondioxide，basedonthereverseosmosis(RO)+ion-exchange-desalttechnical,analyzingtheinfluencerunperiodofanion-exchangerissuedbyfreecarbondioxide,andbycalculation,foundoutthejustvalueofthelowestconcentrationoffreecarbondioxidewhichneedtoset-upde-carbonatorwhenconsideradvancingtheeconomyofdesalt-system.Itwilloffersomeconsultfordesignandanalysisofdesalt-system.[Keyword]：reverse-osmosis(RO)freecarbondioxidede-carbonatoranion-exchanger0前言随着膜技术的不断发展，反渗透在水处理领域的优势越来越突出。反渗透+一级离子交换+混床工艺越来越多被用于电厂锅炉补给水处理工艺，但是反渗透装置对游离态CO2几乎没有去除能力，原水中的游离态CO2全部转入产品水中，对后续阳、阴离子交换器（以下简称阳床、阴床）运行有较大的影响，同时发电机组单机容量的扩大却对补给水水质及系统运行经济性有更高的要求，因此对反渗透漏过的游离态CO2的去除就显得很重要。1不同反渗透系统下的CO2除去方式1.1多级反渗透系统在电厂补给水处理工艺中，处理单元选择的基本原则是每个处理单元的出水必须满足下一个处理单元的进水水质要求。对于同一反渗透组件，随着运行时间的进行，产品水的品质不断发生变化，但是产品水中游离态CO2几乎与进水CO2含量相等。在多级反渗透装置中，为保证最终产水品质以及每级装置都有较高的脱盐率，常选择在一级反渗透出水中投加强碱，使游离态CO2转变为HCO3¯，从而在下一级装置中除去，另外加碱也有利于SiO2、TOC的去除。根据pH与HCO3¯、CO2的关系，投加的强碱量以保证下一级装置进水中pH在8.3左右，这时水中CO2几乎都转变成HCO3¯。某电厂调节二级反渗透进水pH在8.3左右，二级装置出水中游离态CO2仅为进水的1%～2%，这样CO2残余浓度对后续工艺影响不大了，继续增加碱量则使出水电导率增大。1.2单级反渗透系统当前，锅炉补给水处理采用预处理+反渗透+一级离子交换+混床工艺时，一个压力容器内常装膜元件在6-7个，这样单级多段反渗透系统中都不会设置加碱单元，因为单级反渗透系统内水质逐渐浓缩，且系统对离子的脱除率是一定的，加碱后其他离子的去除率则会降低，这样就很不经济，同时单级反渗透进水加碱可能增大因LSI增加、铁及碳酸钙等的溶解度降低而导致的污染与结垢的几率。因此除碳器设置的必要性以单级系统为讨论基础。2除碳器工作原理不论何种除碳器，其工作原理都是相同的，即在一定温度下，任何气体在溶液中的溶解度与溶液面上该气体的分压成正比。根据大气中二氧化碳的含量可知：大气中CO2分压约占大气压力的0.03%～0.04%，此时在此分压下水中对应的游离态CO2在0.5～1.0mg/L左右[1]。只要除碳器正常工作，除二氧化碳效率都在95%以上，出水中游离态CO2都在5mg/L左右。3除碳器设置的必要性3.1游离CO2的影响当水的pH小于4.3时，水中游离CO2占水中全部碳酸化合物总量的99%以上[1]，即pH小于4.3时，游离CO2浓度几乎不对pH产生直接影响，阳床进水游离CO2浓度对阳床运行影响不大，但却会对出水酸度的变化产生了一定的缓冲，游离CO2浓度越高，对酸度变化的缓冲能力越强。如果阳床出水不经过除碳器，直接进入阴床，水流在阴床中进行离子交换，pH不断升高，游离CO2就会向HCO3¯形式转换，HCO3¯会消耗阴床的交换容量，甚至会影响到阴床除硅效率。根据CO2转换HCO3¯的过程可知，有多少摩尔CO2就要消耗多少摩尔阴床的交换容量。以下分析计算按原水总阴离子量为4.14moL/m3（其中HCO3¯浓度为2.12moL/m3）、逆流再生阴床直径为2米、填料高度为2米、出力为100m3/h，阴树脂(强碱Ⅱ型)工交容量为500moL/m3，反渗透产水中阴离子总量为0.05moL/m3（其中HCO3¯浓度为0.026moL/m总费用为不设置除碳器时的约3.18倍。一级复床除盐系统采用母管制方式时，虽然运行周期、周期制水量都为单元制方式时的1.1倍，但有、无除碳器时阴床运行周期之比与游离二氧化碳浓度的增量成线性关系，因此只要设置除碳器时的再生周期为不设置时的3.18倍就能够带来经济效益，即无除碳器时一年中阴床再生次数为25×3.18次（80次），再生周期为5500/80h（69h），周期制水量为6900m3，阴床进水中阴离子总交换量为0.455moL/m3，这时可以得出进水游离二氧化碳含量约在17.8mg/L。因此，一级复床除盐系统采用母管制方式时，受运行成本影响当原水游离二氧化碳含量大于17.8图1原水中不同二氧化碳含量下，阴床在有、无除碳器时运行周期之比通过比较可以得出，反渗透系统后一级复床除盐系统采用母管制连接方式时，相同参数的阴床运行周期、周期制水量均为单元制时的1.1倍，同时可使系统允许的原水中游离二氧化碳最高含量从10.12mg/L提高到17.8mg/L。另外也可使阴、阳床的树脂装填量、运行控制及再生时间的选择更加独立。当然，实际上设置除碳器时具有的经济优势还没有在上述分析、计算中得到完全囊括，如引起系统设备及树脂利用率提高、树脂损耗降低等带来的经济效益。对于采用地下水作为原水的锅炉补给水处理系统，由于有机物质降解，水中游离CO2浓度有时可高达上百毫克/升[2]，此时无论一级复床除盐系统采用何种方式，都勿需从运行经济性方面考虑了，为保证除盐水水质指标稳定、可靠，必须设置除碳器。5结论单级反渗透系统由于工艺限制，一般不采用加碱处理方式，游离态二氧化碳全部进入产品水，不设置除碳器时，虽然对反渗透后除盐系统制水周期内出水水质几乎没有任何影响（最终除盐水水质仍能满足设计要求），但是却对运行周期、周期制水量等重要经济指标产生很大的影响，因此反渗透系统后是否设置除碳器应该由有无除碳器时游离二氧化碳含量对运行成本的影响决定。通过计算得出：a．一级复床除盐系统采用单元制方式时且原水游离CO2浓度大于10mg/L时和采用母管制方式且原水游离CO2浓度大于17.8mg/L时，就应该设置除碳器，这样制水成本便可维持在较低的水平上，同时如果采用真空除碳器还有利于降低补给水中的含氧量；CO2浓度越高，反渗透+阳床+除碳器+阴床工艺的运行经济性相对于反渗透+阳床+阴床工艺越显著。b．为充分发挥反渗透单元的高除盐性能、提高后续阴、阳床利用率及运行周期，反渗透单元后一级复床除盐系统宜采用母管制连接方式。c．文中的计算分析是以特定的原水水质及工艺系统为例进行的，当然，原水水质的不同及工艺系统参数的选择将对进水游离二氧化碳的允许含量产生一些影响，因此，反渗透后离子交换系统是否设置除碳器必须通过运行经济性比较计算确定。笔者通过选取另一电厂的原水水质及工艺设备，用同样方法计算，从两个计算结果比较得出：不管单元制还是母管制连接方式的进水游离二氧化碳含量两次的差值都较小，这主要是由于系统出力不同时除碳器的风机运行电费变化引起的，而系统出力会受到各设备出力