（机械工程专业论文）覆盖式过滤器在凝结水回收中的应用研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 覆盖式过滤器在凝结水回收中的应用研究 机械工程 周海峰( 签名) 周三平( 签名) 吴智( 签名) 流歹莽、 唾l 摘要 随着能源和水资源的日趋匮乏，节能节水工作突显重要。蒸汽凝结水不仅水质较好， 稍经处理即可达到锅炉给水的标准，而且其间蕴含着大量的热能，送至锅炉可以降低燃 料消耗，减少锅炉烟尘的排放量。如果作为离子交换器的水源，可以降低离子交换器的 再生频率，减少除盐水的制水费用和制水的污水排放量，利用价值极高。因此凝结水回 用是企业节能节水的最好途径。然而，多年来凝结水回用却一直是困扰企业的棘手问题， 究其主要原因就是回收的凝结水往往含有一定的铁和油类物质且难以去除，导致凝结水 不能直接送给锅炉使用或者直接作为离子交换器的水源，只能排放或者降级使用。凝结 水中的杂质如果不进行处理，还会带来一系列问题，如循环水系统、锅炉给水系统和伴 热系统长期使用含有铁和油类物质的凝结水，热力设备和管道的内表面就会附着铁渍和 油渍，积少成多，就会影响热力设备的传热效率和管道介质的输送。含有铁和油类的凝 结水未经处理排放，会直接污染环境等等。 本论文在对国内外凝结水处理技术调查研究的基础上，对凝结水除铁工艺路线进行 了选择，选用覆盖过滤器对凝结水中的铁杂质进行处理，并对工艺流程进行了设计。通 过现场实验证明工艺流程设计合理，选用的覆盖过滤器能满足凝结水净化目的。同时该 系统具有投资少、操作简单、运行灵活、耐高温等优点。在使用过程中应掌握系统的设 计特点，了解系统应用中存在的问题及解决办法，灵活应用，最大限度发挥覆盖过滤器 的长处，使之满足凝结水精处理的要求。 关键词：凝结水覆盖式过滤器回收除铁 论文类型：应用研究 s u b j e c t ： s p e c i a h 够： n a m e ： i n s t r u c t o r ： 英文摘要 s t u d yo nc o v e rf i i t e ri n c i a i m i n gs t e a mc o n d e n s e dw a t e r a b s t r a c t w i n lm ef k tt l l a t 、) i ，i mt l l e e n e r g ) r 锄dw a t e rr c s o u r c e sb e c o m em o r cs c a r c e ，e n e r g y c o n s e r v a t i o n 觚dw 雠e rc o l l s e r v a t i o ns e e mi m p o r t a n t n 0 t0 1 1 1 ys t e a mc o n d e n s e dw a t e rq 啪j i 锣 i sf a i r l yg o o d ，w i l i c hl i t t l ec a nb et r e a t e dt 0m e e tt h es t 锄d a r db o i l e rf e e dw a t e r b u ta l s oi t c o m a i n sl 鹕e 锄o u n to ft h e n n a le n e r g y s t e 锄c o n d e 璐e dw a t e rw i l i c hs e n tt 0t h eb o i l e rc a n r e d u c e 如e 1c o i l s u m p t i o na n dd u s te n l i s s i o 璐a tt ：h es a m e 劬e 勰i o n - e x c l 删 1 9 ew a t e r w 址c h c 觚r e d u c en 圮雠q u e n c yo fi o n - e x c h 锄g er e g e i l e 枷o i l ，h la d d i t i o nt 0 也er e d u c t i o no fs a j t w a t e r 觚d 也ec o s to fs e w a g ew a t e re m i s s i o i l s ，h a sav 吖l l i 曲砌u e t h e r e f o r cc o n d e i l s e d w a t e rr e l l s ei sm eb e s tw a yt 0s a v i i l ge n e r g yf o re n t e 印r i s e h o 、e v e r ，t h er e u s eo fc o n d e n s e d w a t i e rl 璐b e 吼恤协d m yi s s u ef o r e i i t e 印r i o v e rt l l ey e a r s 1 m em a i nr e 邪o nf o rt h er e c o v e r y o ft l l ec o n d e n s e dw a t e ri sw l l i c ho 船nc o n t a i l ls o m es u b 咖m 【c e ，s u c h 嬲o i l 锄d 油n d i m c u l tt 0 砌n o v e w l l i c hl e a dt 0c o n d e n s e dw a t e rc 觚tb ed c t l yu s e d 雒ad i r c 斌o ri o n - e x c h 觚g e w a t c ro rt 0t l l e b o i l e r s o “o i d yb ed i s c h a r g e do rr e d u c t i o ni i lr a n kt 0u s e s u c h 勰u s e d r e c y c l e dw a t e r ，w 绷e rh e a t i n g ，觚d o n n o to i l l yaw 嬲t eo f 锄a z i n g ，w 1 1 i c h 、加nc r e a t ea m g eo fi s s u e s i fm er c c y c l e dw a t e rs y s t e m ，h e a t i n gs y s t e ma n dh e a t i n gs y s t e m ，h d nc o n t e n t i n l el o n g 。t e l mu o fs u b s t a n c e so t h e rm 趾o i la n dc o n d e i l s a t e ，h e a tp i p e sa n de q u i p m e n t 、历l lb ea t h e dt 0m ei l l n e rs u i f a c eo ft h ei r o na n do i ls t a i l l s w h i c h 、i ua f f e c tm em e n n a l e 伍c i e n c yo fh c a tt r 2 m s f e re q u i p m e m 锄dp i p e l i n em m 驴r t a t i o no ft l l em e d i a i fi r o nc o n t e n t i i lt l l eo i la i l dc o 疵l e n s a t cd i s c h a r g eo f u n t r e a t e d ，w 1 1 i c hp o l l u t e 即【v 而姗e n td i i 。e c n y i i lm i sp a p e r ，b a u s e do n 锄l a l y z i n gc o n d e n s e dw a t e r 仃e a n n e n tt e c l l i l o l o g y ，s e l e c tc o v c r f i h e rf o rc o n d e n s a t e p r o c e s s i i l g t h r o u g h o n - s i t c t e s t ，c o v e r f i l t e ri n e e tm ep l l r l ) o o f c o n d e n s e dw a ：t e rp u r i f i c a t i o n a tt h es 锄et i i i l e ，t h e s y s t 唧h 嬲l e s si i e s 臼n e n t ，s i m p l e o p e r a t i o i l ，n e x i b l e 眦，l l i 曲t 即1 p e m c u r e ，锄do t l l e ra d v a n t a g e s h lt l l ec o u r s eo fm eu s eo ft h c s y s t i 锄s h o u l dl l a ：v ed e s i 印f e 栅e s ，u n d e 删i n gt h ep r o b l e m sa n ds o l u t i o l l so f 印p l i c a t i o n s y s t e m ，m a l ( em nu s eo ft l l es 骶n g 吐述o fm ef i l t e r ，s ot l l a tm e yc 觚b es a t i s 丘e d 诵t l lc o n d e 璐e d w a t e rp l l r i f i c a t i o n k e y w o r d s ：s t e a mc o n d e n s e dw a t e bc o v e r 丘l t e br e c l a i m ，i m nn m o v a l t h e s i s ：a p p h e dr e s e a r c h i i l 符号及缩写说明 符号及缩写说明 符号说明单位 b o d生物需氧量 c o d 化学需氧量 m g l d o 溶解氧 m 叽 m 咂微滤 n r f纳滤 n t u浊度 r o反渗透 s s 悬浮物 t温度o c v 膜过滤体积m 3 u f超滤 4 3 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 趟 导师签名： 、 日期：少移矽，纱 日期：跏馊。搿 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，水资源的的可持续利用。是经济和社 会可持续发展的极为重要的保证。因此，世界各国都十分重视水的问题，都在强化水资 源管理，积极倡导节约用水工作。我国是世界上贫水国家之一，人均年占有水资源居世 界第1 0 9 位，水资源严重不足，水污染日益加剧，已经严重地制约了我国一些地区的经 济发展。水资源同样是炼油化工工业发展的重要命脉，水的问题也已成为石化工业发展 的最突出问题之一【l 】。近年来随着国民经济的发展，石化企业生产能力不断提高，企业 规模不断扩大，对水资源要求也不断增加，更加剧了石化工业水资源的短缺。因此开展 节能减排工作是解决石化企业水资源供求矛盾的当务之急。对于使用蒸汽作为热源来完 成各种加热过程的石化企业来说，蒸汽在用汽设备中被使用的实际上仅仅是其潜热，蒸 汽的潜热冷凝水所具有的热量几乎全部被丢弃。这是因为要提高蒸汽使用设备的生产效 率，即加热效率，就必须尽快把传热效率低的冷凝水从蒸汽中排出去。蒸汽在各用汽设 备中放出汽化潜热后，变成同温同压下的饱和冷凝水，如果未受污染，冷凝水接近纯净 的蒸馏水，可直接作为锅炉给水。一般来说，饱和冷凝水平均具有蒸汽热能的2 0 左右， 如不回收，不但损失热能，还将增加化学水处理费用，增加排污量及由此增加的热损失。 因此回收冷凝水是一项重要的节能措施，近年来得到了越来越多的企业重视，出现了各 种各样的回收系统。如果将冷凝液排放掉或冷却后回收，都会造成环境的污染和能源的 浪费。因此，如何处理和利用冷凝液，如何设计出有效、合理的冷凝水回收系统，是目 前我们急需解决的几个关键技术问题。 1 1 本文课题的来源及意义 中国石油天然气股份有限公司乌鲁木齐石化分公司是集炼油、化肥、化纤于一体的 石油化工、化纤生产基地。目前生产石油化工、化纤共计9 大类5 6 个品种，是一家综合 性的石油化工企业。随着生产规模的不断扩大，炼油能力和加工深度逐年提高，由于凝 结水没有进行合理的回收，水资源的浪费也日益严重。如何提高凝结水处理和回用的效 率，建立有效的凝结水处理和回用工程已成为当务之急。 国务院为解决水资源缺乏问题，以国务院办公厅的名义下发国办发 2 0 0 4 3 0 号文 1 2 时f e ( o h ) 3 重新溶解。而p h 8 时，可有效地形成f e ( o m 2 沉淀。但k e l l y 和o l t h o f 认为，生成f e ( o h ) 3 沉淀比生成f e ( o h ) 2 沉淀优越。理由是：( 1 ) 在中性p h 条件下，剩余三价铁含量较亚铁低； ( 2 ) 亚铁沉渣的浓缩和脱水较三价铁沉渣困难；( 3 ) 亚铁沉渣会缓慢氧化，随之发生酸化， 以至在沉渣处置厂释放出可溶性铁。 研究结果表明，亚铁氧化成三价铁的速度取决于p h 值、可利用的氧含量以及可溶 性的有机物的存在状况。带羟基及羰基官能团的有机物会严重降低氧化速度，如这些有 机物不易溶解，废水中可存在高浓度的可溶解性的铁。氧化速度随温度升高而增加。亚 铁氧化成三价铁时所需的氧量为0 1 4 m m g f e 2 + ，若采用常规的曝气设备，则实际最大 的氧传递速率约1 4 m 9 0 2 ( l m i n ) 。 高温凝结水的p h 值在大多情况下比给水要求低( 一般控制在8 5 9 5 ) ，有时偏弱 酸性( 约6 5 7 ) ，在加压充气的情况下，能使部分二价铁与氧气在高温下氧化生成三价 铁，进而水解形成f e ( o h ) 3 胶体絮粒，生成的f e ( o h ) 3 与原有的铁金属微细悬浮物及胶 体粒子经液膜附着净化处理，能去除凝结水中的部分铁。但中高压锅炉给水的铁含量要 求极低( 5 9 1 8 3 m p a 的直流炉： l o u g l ，1 2 7 1 8 3 m p a 的汽包炉： 1 。 深层过滤是指过滤介质由固体颗粒堆积成床层构造，或用短纤维多层绕制成管状滤 芯，过滤介质的空隙形成许多曲折、细长的通道，被过滤的颗粒比介质内部的孔隙小得 多。过滤作用发生于介质的全部空隙体内而不是介质的外表面，悬浮体中细小颗粒由于 热运动和流体的动力作用走向通道壁面，并藉静电和表面张力被截留。深层过滤适用于 过滤含量很少( 0 1 ) 的悬浮体，以除去其中的细小颗粒。经一段操作时间后，由于 介质体内的通道部分被截留的颗粒所堵，流动阻力增加。 欲维持相同的过滤速率，必须提高过滤压强。所以，滤芯在一定操作周期后弃去或 利用反冲力将被截留颗粒部分冲走，滤芯得以重新使用。 过滤效果的优劣可用两项指标度量：一是滤饼含湿率( 有时用含固率) ；二是固体颗 粒截留比例( ) 。一般当然希望截留比例高，滤饼含湿率低。两项要求以哪一项为主， 则视过程的目的而定。 2 1 1 过滤理论的研究方法 过滤理论的研究分为数值模拟方法和实验研究两种方法，它们相互依存、相互促进， 推动了过滤理论的发展。为了解决过滤理论的基本问题，必须把压力损失和过滤效率都 表示为微粒特性、分散介质和过滤器的参数的函数。研究压力损失和过滤效率与其它各 参数的关系，努力提高过滤器过滤效率及降低过滤器压力损失，是过滤理论及实验研究 的核心任务。 在过滤过程中有3 种物体参与过滤的全过程：分散的颗粒、弥散的流体和多孔材料。 影响分散的微粒的要素有：( 1 ) 微粒的直径及其尺寸分布；( 2 ) 微粒的形状；( 3 ) 微粒 的质量m 和密度；( 4 ) 微粒的电荷；( 5 ) 介电常数和化学成分；( 6 ) 微粒的浓度。流体 流动的相关参数有：( 1 ) 过滤速度；( 2 ) 密度；( 3 ) 绝对温度；( 4 ) 压力：( 5 ) 动力粘 度；( 6 ) 运动粘度；( 7 ) 温度。多孔材料的性能要素为：( 1 ) 滤料的几何尺寸( 过滤器 表面积和过滤器厚度) ；( 2 ) 过滤器的各个结构原件的尺寸及其分布和排列；( 3 ) 过滤器 的孔隙率：( 4 ) 过滤器表面系数、电荷量、介电常数和化学成分。因此过滤理论研究的 基本课题可视为研究过滤的压力降和过滤效率对于分散微粒、过滤介质和多孔材料的全 部相关参数的函数关系。 第二章凝结水过滤机理研究 2 1 2 过滤的数学模型 过滤理论的研究的方法是将流场及滤料进行简化，建立数学模型，目前存在的流场 模型有：( 1 ) 势流；( 2 ) l 锄b 流场；( 3 ) d a v i e s 流场；( 4 ) l “w a b 撒流场；( 5 ) 单双 纤维p 0 d 9 0 珞h i 流场【1 4 】。他们建立的流函数可统一表达为以下形式【1 5 】【1 6 】： 厂，、 甲= 【彳，+ 西- 1 + d l n l 二l + 所3 】s i n p ( 1 ) l 尺 式中a ，b ，c ，d 为随不同流场理论变化的常数：r 为滤料半径；r ，o 为方向坐标。 滤料的数学模型可用不同的模型：( 1 ) 平行毛细管模型：即把过滤器看作成一系列 平行的毛细管，毛细管尺寸可从实际滤料的空气阻力计算求得。( 2 ) 微孔系统模型：将 滤料看作一个微孔系统，然后把微孔看作圆形来计算，此圆的大小与实际过滤器内连续 过滤层中的微孔相当，并需考虑微孔的路径弯曲度。( 3 ) 多孔连续介质模型：将滤料视 为多孔介质，可以运用多孔介质流体动力学的理论来研究滤料的过滤性能【1 7 】。 根据多孔介质的数学方程及过滤器的实际初始条件和边界条件进行数值计算，可以 算出此过滤器不同时空的进出口压力、过滤速度、固体颗粒浓度等分布，因而可以得到 除过滤效率以外的其它重要的特性指标如过滤速度、过滤阻力和容尘量等参数，就可更 全面地评价过滤器的性能。 2 1 3 过滤理论的研究与发展 过滤理论，特别是空气过滤理论的研究早在上世纪已经开始，而空气过滤器的研制 与发展只有近2 0 多年的历史，过滤理论由早期的经典过滤理论发展到现代过滤理论及微 孔过滤理论【l 引。 对微细颗粒运动规律的最早认识起源于1 8 0 0 年初期，当时植物学家r e b 瞰b r o 、i l 观察了微细颗粒悬浮在液体中的运动( 布朗运动) ，1 9 2 2 年f 心u n d l i c h 发展了对气溶胶 过滤规律的认识，提出在o 1 0 2 u m 半径范围内气溶胶颗粒存在最大渗透率。然而，1 9 3 1 年a l b r e c h t 率先对气流通过单一圆柱纤维运动进行了研究，建立了a l b r e c h t 理论，随后 s e l l 对其进行了必要的改进。 l9 3 6 年k 叫f m 锄首先把布朗运动和惯性沉淀的概念一同应用到纤维过滤理论中， 推导出过滤作用的数学公式。1 9 4 2 年l 舳g m u i r 继续对过滤理论进行研究，认为过滤是 截留和扩散的集合及惯性粒子在过滤纤维上的沉淀是可以忽略的。 1 9 5 2 年c n d a v i e s 把扩散、截留和惯性3 种机制结合起来并且用公式表示出来，从 而建立了新的过滤理论，即孤立纤维理论。1 9 5 8 年f r i e n d l a n d e r 及1 9 6 7 年y 0 s h i o k a 及 其同事发展了独立纤维理论，他们对较大多数情况下颗粒的惯性和扩散沉积包括重力效 应和过滤器阻塞现象进行了研究和总结。1 9 6 7 年p i c k a a r 和c l a r e n b u r g 试图提出一个纤 维过滤器微孔结构的数学理论，1 9 8 7 年p i c h 在其专著中描述了过滤理论的最新发展。 早期的经典过滤理论主要以“单一纤维模型 为基础，认为过滤效率由3 种机制决 定：( 1 ) 惯性效应；( 2 ) 截留效应；( 3 ) 扩散效应，整个颗粒的捕集依靠多种捕集机理 2 l 西安石油大学硕士学位论文 的联合作用。 现代过滤理论证明了惯性沉淀的正确性和最大穿透力粒子的存在，认为过滤效率是 截留效应、布朗扩散效应、重大效应、沉淀效应与压力效应的集合。过滤可能存在的机 理：( 1 ) 拦截；( 2 ) 惯性碰撞；( 3 ) 扩散；( 4 ) 静电效应；( 5 ) 库仑吸引、排斥：( 6 ) 映像力；( 7 ) 电泳力；( 8 ) 沉淀( 重力) ，这方面具备代表性的是c n d a v i e s 的过滤理 论与s k u w a r b a m 的流场分布。 1 9 9 2 年p a y e t ，g o u g e o n 和a t t o u i 考虑了气体在单一纤维上的滑动，对经典理论引 入修正系数，使得理论与实验数据更好地吻合。1 9 9 5 年r 0 鲫e r t 提出分散在单一纤维体 表面的颗粒以不规则的分布和常常形成树枝状结构为特征，建立了最新改善的理论和颗 粒在单一纤维体上的空间分布，利用此理论和计算程序可预测颗粒的沉积。 2 2 过滤效率的理论计算 经典过滤理论的捕集机理主要为：( 1 ) 拦截；( 2 ) 惯性碰撞；( 3 ) 扩散；( 4 ) 静电效应。 单一过滤效率定义 沉积在滤料上颗粒 1 流体中总的颗粒 国外许多研究者对滤料的捕集机理作过许多研究工作，得出不少研究成果，给出了 单一滤料各种捕集机理的计算公式，比如惯性碰撞效率r i 卜拦截效率t ir 、扩散效率r id 等。以上各种捕集机理往往不单独孤立存在，常常多种机理联合作用，单一滤料各种捕 集机理联合作用时的总捕集效率ns 可近似表达为【1 8 】 滤料总效率： i l s = l ( 1 n i )( 1 - t l d )( 1 - t i r ) 当各捕集机理较小时，t ls 可近似表达为 r is t lr 卜i id + i l r 2 3 过滤技术进展 长期来，为加快过滤速率、扩大可滤范围作了许多努力。按机理来说，大致分为下 列三类：改变形成滤饼的结构；改变颗粒构形；限制滤饼层的增长【1 9 】。 l 、使用助滤剂 为了减缓由于压力升高造成滤饼压紧以及介质的堵塞，可以使用助滤剂。在使用助 滤剂作表面过滤时，截留颗粒的平均直径可至1 2 u m ，甚至更小。对助滤剂的技术要求 是刚性( 不可压缩) ，适当的粒度和形成较为疏松的滤饼。常用的助滤剂是硅藻土，此外 还有膨胀珍珠岩、纤维素、石棉等。 助滤剂的使用方法是预敷，即在过滤开始时先过滤仅含助滤剂的悬浮体，使助滤剂 在过滤介质表面形成1 2 m m 厚的预敷滤饼层，然后再对实际悬浮体进行过滤。值得注意 的是，过量的助滤剂，并不能提高滤饼的透过性，具体的工艺应从试验中找出助滤剂的 第二章凝结水过滤机理研究 最佳加入量。 2 、悬浮液预处理。 通常是在悬浮体中加入少量化学药剂，改变颗粒的聚集状态，使之便于过滤，这里 要区分两类化学药剂的不同机理。 凝聚，是指在悬浮体中加入无机盐，如硫酸铝、三氯化铁等。其中的a 1 3 + 、f e 3 + 离 子使颗粒上的双电层压缩，为颗粒的聚集创造条件。此时的颗粒粗化，表面积减少。 絮凝，是指在悬浮体中加入微量天然或合成的聚合物，添加量常以m g l 计。此时 长链高分子使颗粒之间发生桥接，形成多个颗粒组成的絮团。在过滤时所形成的滤饼具 有更好的透过性，但也增加了滤饼的可压缩性。因此在加压过滤时，要兼顾这两方面的 影响。各种化学药剂的添加量不能太多也不能太少，最佳的添加量应由试验决定。 此外，还有使用预沉降、降低悬浮体粘度、加入表面活性剂等方法，以加快过滤速 率、降低滤饼中含液量。 3 、动态过滤 各种动态过滤，是利用种种作用力以限制滤饼的增长，提高过滤速率。这些作用力 包括： 流体动力：平行预过滤表面的剪切力或与过滤液成反向流动的反冲力； 离心力； 机械作用：转动刮刀或机械振动等。 实际上往往是上述诸力的联合作用。 2 4 过滤理论需进一步研究解决的问题 从以上过滤理论研究及发展状况论述中，可以看出当前过滤理论集中在过滤效率和 压力损失的研究问题，从研究过滤内容而言则主要集中在对过滤稳态阶段的研究较多， 而对于在过滤过程中占时间较长、起作用较大的、主要对滤料的运行费用及使用寿命起 关键作用的非稳态过滤阶段的研究较少，这可能是由于非稳态过滤问题较为复杂的原因 所致。从近几年国内外研究文献可以看出，已有一些学者开始注重研究滤料在阻塞情况 下的压力降的变化及影响的问题，但对非稳态过滤阶段过滤效率变化研究较少。因此研 究非稳态过滤阶段效率是以后研究需进一步解决的问题。 西安石油大学硕士学位论文 第三章工艺路线选择与工艺流程设计 3 1 乌石化凝结水调查 乌鲁木齐石化公司生产区凝结水主要来自炼油厂、化肥厂、化工厂等生产厂，主 要为蒸汽冷凝水。其中化肥厂有凝结水处理设施，对部分冷凝水进行回收，其余作为 循环水补充水。由于冷凝水温度高，补入循环水系统势必会造成循环水温度升高，从 而影响使用循环水装置的冷却效果。目前炼油厂、化工厂没有凝结水处理设施，蒸汽 冷凝水进行降级使用。 化肥冷凝液流量在6 0 1 8 0 t i l ，水温5 0 - 8 0 ，水量大，热值含量高。根据国家的相 关产业政策，出于节水目的，需要加以回收利用。但是冷凝水中含铁量7 3 0 u 鲫( 2 0 0 6 年2 月2 4 日实测数据) ，无法直接补入锅炉给水系统，也不能直接作为阳离子交换器 入口水源使用，因为阳离子交换器要求水中的含铁量在3 0 u i 以下，直接使用会造成 树脂污染，严重影响离子交换树脂的工作交换容量。如果要对化肥冷凝水加以回收利 用，就必须考虑如何降低水中的铁含量，同时也要考虑热量回收。 根据化肥厂提供的凝结水的参数，我们认为经过处理后出水水质可完全达到离子 交换器入口水的标准，同时，热量也可以充分回收。 本工程设计提供的化肥厂凝结水水质见表3 1 。 表3 1化肥厂凝结水水质表 1名称l 水量( m 3 h )i 温度( ) i 电导率( u s c m ) l 铁含量( u g l ) i p h l 根据公司意见，考虑到化肥扩能改造后蒸汽用量的增加及已有部分凝结水进行了 回用，确定化肥来电厂凝结水最大供给量为2 0 0 t l l 。因此，凝结水处理规模为2 0 0 t l l 。 3 1 1 凝结水历史数据的采集与现场调研 自本项目技术协议生效后，车间技术人员对化肥来厂凝结水水质情况进行监测统计 分析。从2 0 0 6 年6 月1 9 日6 月2 1 日对化肥来电厂凝结水进行了大流量( 1 2 0 t h ) 冲 洗。6 月1 9 日1 0 ：4 0 分开始冲洗，l l ：1 0 分取第一个水样，6 月2 1 日1 8 ：0 0 分冲洗结束。 冲洗期间水样监测结果统计见表3 2 。 表3 2化肥厂凝结水水质表 取样时间试样编号 f e 含量( u g 1 ) p h浊度( m g 1 ) 6 月1 9 日1 l ：1 0 分 l1 7 8 19 5 60 2 6 月1 9 日1 3 ：1 0 分 29 2 79 6 40 2 6 月1 9 日1 5 ：1 0 分 37 8 79 6 4o 2 6 月1 9 日1 7 ：1 0 分 49 1 39 6 60 2 6 月1 9 日1 9 ：1 0 分57 3 79 5 5o 2 6 月2 0 日1 0 ：0 0 分 64 6 59 2 80 3 6 月2 0 日1 2 ：0 0 分 74 3 59 2 60 4 6 月2 0 日1 4 ：0 0 分 86 1 09 2 4o 3 第三章工艺路线选择与工艺流程设计 6 月2 0 日1 6 ：0 0 分 9 4 5 09 1 40 3 6 月2 0 日1 8 ：o o 分 1 0 6 2 59 1 20 5 6 月2 1 日1 0 ：0 0 分 1 13 5 89 4 30 3 6 月2 1 日1 2 ：0 0 分 1 25 5 29 3 90 2 6 月2 1 日1 4 ：o o 分 1 35 2 59 3 70 3 6 月2 1 日1 6 ：0 0 分1 46 6 o9 2 90 3 6 月2 1 日1 8 ：o o 分 1 56 1 19 2 90 3 3 1 2 凝结水历史数据的分析 从数据记录来看，冲洗期间凝结水总铁含量最高为1 7 8 1 u 朗，最低为3 5 8 u g ，l ，冲 洗期间总铁含量趋势图见图3 1 所示。从趋势图可以看出冲洗前期总铁含量较高，随着 冲洗时间的延长，总铁含量开始下降并趋于稳定，但仍维持较高。 黟攀。臻缪驴罗黝镪簿麓芗拗4 霉戮翟罗谬黝御黝黟獬秽骥鬻”缈秒唧鞭 弋荔 。荔 ll ，缓 1 i 罐 ；x，、 + 鬟 、。绣 、 一 霪 ；、镬 ；k荔 ；豸 i 7 、鬟 ；户、。囊 墨卜一囊 lh v 一 霪 雾 y 缓 i缓 ；霪 貌! 胞饿蕾魍盛似埘施铆；，概女纸瘟z “锄i i 澎；毖璐 五”貔l 蕴搋麓= 五照渤班i l 女施。蠡疵薤i 幺影k 施二。俐盖磊“i 易盔 。燧 i234567891 0n1 21 31 41 5 试样编号 图3 1 铁含量 冲洗期间凝结水浊度最高o 5 m l ，最低为o 2 m g l ，趋势图见图3 2 所示。从趋势 图可以看出，除了两个样的浊度较高之外，其余水样浊度比较稳定。 西安石油大学硕士学位论文 0 6 o 5 o 4 均 目 魁0 3 蘑 0 2 0 1 o 黝黟嬲驾秽卿缈锣辨叩孵册轳黟7 矿缓 斟 喇 。” 为 萝。i 八 文。| | 。 i ， t，t 髟，绣 舅驾 玑盛 l i l 铂兹癌荔澎屯激h 兹鏖箍象爱鐾玩黝幺点旋嚣勉貔施幺 ：搿女 磊船兹5 磊貔+ 籀施勰二吃籀茹磁。携；，。锄翊 l23456789l ol l1 21 31 41 5 试样编号 图3 2 浊度 冲洗期间凝结水p h 值均大于9 0 0 ，最高为9 6 6 ，最低为9 1 2 ，趋势图见图3 3 所示。 正常情况下凝结水p h 值应小于9 0 ，引起p h 值增大的原因还有待于查证。 9 8 吼7 9 6 9 5 9 4 毛9 3 9 2 9 1 9 8 9 8 8 彩暂研矽锄秽缈缈彬獬秽嚣8 7 ”彬泐鬻彩铲7 ”职豫甥缈辫黝7 缓 ； ； 和r 、i i $ 。 i 八一 ? 、一! !、一i ； i 7 秀 7g 堪 玩膨i 龋矗嘞。钟纸* 。当品乩础篇幺嬲荟叠_ 蹴a 姥! 鳓镕z ，搠。“聋矗，施。_ “苁崩。f 2 群蟛z 。砌z 。藏 l234567891 0 l l1 21 31 41 5 试样编号 图3 3p h 通过对化肥来凝结水的监测统计分析，确定水样浊度比较稳定；p h 值高于正常情 况；随着冲洗时间的延长，总铁含量开始下降并趋于稳定，但仍维持较高。为技术方案 确定建立了基础。 3 2 化肥厂凝结水处理工艺路线选择 凝结水处理系统的选用是一个较复杂的技术经济问题【1 9 】。不同的国家和地区，随机 组参数、容量的不同，以及热力设备的材质及制造工艺水平的差异等，采用的凝结水处 理系统常有所不同。在表3 3 所列诸系统中，目前倾向于用覆盖过滤器和空气擦洗高速 混床两种系统，但不能作定论，有待于进一步地研究和实践。 第三章工艺路线选择与工艺流程设计 表3 3 常用的凝结水处理流程【2 q 类别处理流程 l 凝结水一覆盖过滤器一混合床 有前置过 2 凝结水一树脂粉覆盖过滤器一混合床 3 凝结水一电磁过滤器一混合床 滤器系统 4 凝结水一管式微孔过滤器一混合床 5 凝结水一氢型阳床一混合床 无前置过 1 凝结水一树脂粉覆盖过滤器 滤器系统2 凝结水一空气擦洗高速混床 由于凝结水中的其它杂质含量少，其电导率、浊度、硬度基本符合锅炉给水要求。 所以在凝结水处理时宜采用物理法或离子交换法，以避免重新引入其他污染物，对于凝 结水的回收利用，国内外相关部门都在不断探索试验，比较成熟除铁的技术主要有两种： 一是采用除盐设备即h o h 型混合床( 以下简称混床) ，通过混床内装填的离子交换树脂 将水中的铁杂质去除；二是通过覆盖过滤器除去冷凝水中的胶态金属腐蚀产物。 3 2 1 高速混床除铁技术 用于高速混床处理凝结水的离子交换树脂，有特定的性能要求。在物理性能方面， 树脂的机械强度必须较高，与补给水除盐系统中的树脂相比，其粒度应该大而且均匀， 有良好的水力分层性能。这是因为所处理的凝结水有水量大含盐量低的特点，混床运行 流速很高，一般为8 0 1 0 0 i i l l l ，更高些的为1 1 0 1 2 0 l l l l l ，国外最高的可达1 3 0 1 5 0 n l i l 。 对于此种高流速混床，树脂颗粒受压而破损是一个严重问题，所以要求树脂的机械强度 好。至于要求颗粒大且均匀是为了减少水流通过树脂层的压降，高速混床的运行压降， 一般不超过0 2 m p a 。 用于凝结水除铁的高速混床结构上不同于补给水制备所用的低速混床。高速混床的 结构特点与其采用的体外再生方式密切相关。因为采用体外再生时，混床交换器筒体内 无需中间配水装置，这就简化了混床内部结构，适应高流速通水运行的要求。假如在交 换器筒体内安设中间配水装置，在很高流速通水的运行条件下，必将造成较大的水头损 失，此中间配水装置也容易损坏。由于采用体外再生，高速混床就无需设置酸碱管道， 所以交换器筒体外的管系较单一，这样就可以避免因偶然发生的事故使酸或碱液漏入凝 结水中。 用高速混床处理凝结水，可以使出水的电导率在0 1 u s c m 以下，通常可达 o 0 6 0 0 8 u s c m 。在机组正常运行情况下，高速混床的出水含铁量小于5 u g l ，除铁效率 在5 0 以上。高速混床的缺点是要配备体外再生系统，离子树脂的再生频率高，酸碱消 耗大，处理成本高。 3 2 2 覆盖过滤器除铁技术 覆盖过滤器是使用粉状过滤介质而设计的过滤设备，它是将粉状滤料覆盖在一种特 西安石油大学硕士学位论文 制的多孔管件( 称为滤元) 上，使它形成一个薄层，作为滤膜，水由管外通过滤膜和孔 进入管内，进行过滤。 作为覆盖过滤器的滤料，除要求其呈粉状及化学稳定性好外，还要求其本身有空隙。 覆盖过滤器的滤料也可称为助滤剂，因为在铺滤膜时此滤料是随水流一起进入过滤器的， 好象助滤剂一样。常采用的助滤剂为棉质纤维素纸浆粉，它是将干的纸浆板粉碎，并经 3 0 目的筛子过筛而成。这种助滤剂本身有空隙，吸附能力强，能在滤元上形成滤膜。 3 2 3 两种除铁技术的比较 通过以上介绍，两种技术各有特点，比较见表3 4 表3 4 二种工艺的技术比较分析 淤 高速混床 覆盖过滤器 比较项目、 工程选用水源化肥厂凝结水化肥厂凝结水 技术成熟度成熟成熟 再生铺膜耗时h 8 1 01 2 对来水水质要求温度6 0 温度1 2 0 出水水质含铁量5 u g l含铁量2 0 u g l 占地面积 大小 一次性投资大 小 运行成本大 小 自动化程度低高 ( 1 ) 可以避免树脂的交叉污染。覆盖过滤器使用的滤料属一次性使用材料，用完即 弃，不需要再生重复使用，因此不存在树脂的交叉污染。 ( 2 ) 可以根据水质灵活选用不同的滤料。凝结水中悬浮颗粒较多时，可单独用木质 纤维素作为滤料进行过滤，待水质略有好转后，可以增加树脂粉的比例，减少木质纤维 素用量，使凝结水质量迅速改善。 ( 3 ) 降低水耗。覆盖过滤器铺膜、爆膜过程中，可以使用新水而且用量极为有限， 而高速混床内的树脂进行体外再生时，要消耗大量的擦洗、再生、正洗和输送树脂的除 盐水。 此外，覆盖过滤器进行铺膜、爆膜的过程一般只需1 1 5 h ，远比混床再生为短。 本项目新建凝结水除铁装置位于热电厂化水车间二化水厂房南侧扩建端，考虑到今 后装置用地，实际可用空地面积较为狭小，如果采用高速混床工艺，无法满足平面布置 的要求，同时投资较高。因此根据化肥凝结水的水质及考虑到从减少占地面积，同时尽 量节省投资的角度考虑，本课题采用覆盖过滤器除铁工艺与离子交换相结合的工艺路线。 根据本工程凝结水特点及回用要求，采用的水处理流程框图见图3 4 。凝结水先进入 覆盖过滤器，截留住胶体态金属腐蚀产物和悬浮态杂质，然后进入精密过滤器进一步处 第三章工艺路线选择与工艺流程设计 理，确保出水水质达到要求。由于凝结水温度较高，出水必须经管道混合器与地下水混 合后进入生水泵入口，防止在生水泵入口处混合造成泵体的热胀冷缩。考虑到本工程选 用的滤料不具备除盐的特性，处理后的凝结水与地下水混合后先进入阳离子交换器。 瓦肥厂来凝结剥一陵盖过滤嗣一睹密过滤碉一瞥道混合翻一巨水弱一隆离子交换翻 1i 广商瘟磊一。 覆盖过滤器的流程示意图见图3 5 。凝结水由覆盖过滤器底部进入，经过滤料后，由 顶部流出，进入精密过滤器。覆盖过滤器滤膜用原水和压缩空气进行爆膜，运行流量为 6 m 2 0 0 m 3 l ，过滤周期为7 1 0 天。 1 - 口9 自在线韭潮蓦筑：2 一撇：一彝蒋一：一柏睬：s 一咱蠼薄管 6 一址乖扭糯t ：7 一精黼环f ：习一膏汽硝：一差跗象毵：1 口一出口轴唾蛐控未簸 图3 5 过滤器的流程示意图 3 3 主要工艺设备 整个处理系统包括两台覆盖过滤器、两台精密过滤器、铺膜箱、铺膜泵、保持泵及 其他系统，两台覆盖过滤器和精密过滤器一用一备，保证系统连续运行。 覆盖过滤器就是利用滤料的架桥原理来形成致密的覆盖层伫2 1 ，就是将粉状的过滤介 质覆盖在一种特制的多孔管件( 滤元) 上，使它形成一个薄层，水由管外通过滤膜和孔 西安石油大学硕士学位论文 进入管内，进行过滤，目的在于去除凝结水中的铁及悬浮物。覆盖过滤器的工作压力为 0 6 0 m p a ，试验压力为0 7 5 m p a ，设计流量为2 0 0 m 3 i l 。过滤介质采用木质纤维素。 主要设备如表3 4 所示。 表3 4 系统设备组成 序号设备名称 技术规格 数量 单位 1 复合膜过滤器 1 2 0 0 3 7 0 02 厶 口 2 流量保持系统 旋涡流量计、流量报警仪l套 3 差压保护系统差压开关 2 套 4 铺膜系统 1 套 5p l c 系统西门子s 7 3 0 0 模块、上位机l套 6精密过滤器 巾1 2 0 0 2 7 0 0 2 厶 口 7气电动阀门配备电磁阀、阀位开关，2 4 、，d c 供电1套 8管路及底盘1套 覆盖过滤器：q = 2 0 0m 精密过滤器：q = 2 0 0m 3 l l 设计温度： 数量： 设计产水量： 产水水质： 设计压力： 自用水率： 构筑物：钢筋混凝土结构 附属设备： 铺膜箱，l 台，v - 2 m 3 铺膜泵，l 台，q = 9 0 m 3 l l ， 保持泵，l 台，q = 3 0 m 3 m ， 搅拌机，l 台，n - 1 5k w s 1 2 0 2 台 2 0 0 m 3 l l 台 铁含量s 3 0 u g l 如8m p a 三d 2 4 h = 5 0 m ，n = 3k w h = 3 0m ，n = 1 8 5k w 为保证设备安全运行，整个处理系统还包含以下子系统； ( 1 ) 压差报警保护系统。当运行的覆盖过滤器的压差达到设定值时，覆盖过滤器内 的滤料即将失效，压差报警保护系统将发出第一次报警信号，这时需要开启铺膜泵给另 一台覆盖过滤器进行铺膜，准备投入使用。当运行的覆盖过滤器的压差达到另一设定值 时，此时覆盖过滤器内部的滤料完全失效，压差报警保护系统发出第二次报警信号，这 时必须停止运行的覆盖过滤器，关闭该覆盖过滤器进出水阀，同时切换已铺好膜的备用 覆盖过滤器运行。随后开始对停运的覆盖过滤器进行清洗，将压缩空气引入停运的过滤 器进行爆膜 ( 2 ) 流量保护系统。在覆盖过滤器凝结水进水管设有一套流量计系统，当进水流量 第三章工艺路线选择与工艺流程设计 出现波动，小于设定值时，意味着覆盖过滤器系统滤元将出现掉膜现象，影响系统的正 常运行，此时该流量保护系统将自动启动保持泵，将出水回流到进水口，保持覆盖过滤 器系统的流量，防止出现掉膜现象。当进水流量恢复稳定时，流量值超过设定值时，该 流量保护系统将自动关闭保持泵。流量保护系统包括一台流量计、一台流量报警仪、保 持泵控制箱等相关控制部分，旋涡流量计的工作量程在0 2 4 0 m 。 3 4 覆盖过滤器系统特点 覆盖过滤器凝结水处理系统具有以下特点： ( 1 ) 双膜多功能。根据凝结水中杂质的不同，可以选择不同的滤料，可以将两种滤 料同时铺膜，去除凝结水中的铁、c o d 、油、悬浮物等杂质功能。 ( 2 ) 去除效率高。 ( 3 ) 高温处理，最高温度可达1 2 0 。