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化学水处理技术 1 1锅炉补给水处理 锅炉补给水处理系统主要由原水预处理 化学除盐系统等组成 根据不同水处理技术可分为离子交换技术 膜技术和电去离子净化技术 根据水处理技术发展 锅炉补给水分为以下三种处理工艺 1 预处理 阴阳离子交换树脂 混床 2 预处理 RO 混床 3 预处理 RO EDI 2 1 1原水预处理 水中含有的悬浮物和胶体 如果不首先除去 则会引起管道堵塞 泵与测量装置的擦伤 各种配件的磨损 以至影响后阶段水处理工艺中离子交换器的正常运行 例如使其交换容量降低 有时还会使出水水质变坏 在有铁 铝化合物的胶体进入锅炉时 会引起锅炉内部结垢 如有有机物胶体进入锅炉 则容易使锅炉水起泡 从而使水位上升 蒸汽品质恶化 所以 在水处理工艺中 应当首先除去水中的悬浮物和胶体 3 1 1 1水的沉淀处理 水中的悬浮物在水流速度很慢或静止的情况下会自行沉淀的 但是沉淀的速度不一 这与悬浮物的颗粒大小有关 颗粒越小 沉淀越慢 当达到胶体的大小时 实际上已经不会自行沉淀 水的沉淀处理 就是在水中加入混凝剂 在混凝剂的作用下 水中的悬浮物和胶体凝聚成比较大的颗粒 水处于静止或流速很慢的条件下 这些凝聚的颗粒沉淀下来 再加以清除 4 1 1 2水的过滤处理 天然水经过混凝处理后 虽然已经将其中大部分悬浮物除掉 从外观上看是清澈透明的 但实际上水中免不了残留少量细小的悬浮颗粒 所以还要进一步对悬浮物进行处理 进一步除去水中悬浮物的常用方法就是过滤 所谓过滤 就是使水经过由不同滤料组成的过滤层 把水中的悬浮物分离出来 在发电厂的水处理系统中 需要过滤的水的特点是水中的悬浮物含量不多 但是水量较大 所以常用粒状滤料过滤的方法 因为这种方法的设备比较简单 而且在滤层失效后容易用反冲洗的方法恢复其过滤性能 5 1 1 3超滤技术 UF 超滤是利用一种压力活性膜 在外界推动力 压力 作用下截留水中胶体 颗粒和分子量相对较高的物质 而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程 超滤设备投运于原水预处理可完全去除水中悬浮固体 部分去除吸附在悬浮物上的可溶物质 如有机物等 并可去除水中有机微生物 出水水质能满足反渗透或离子交换除盐设备的进水要求 6 超滤技术的应用问题 根据超滤膜工艺特点可知 超滤膜应用问题集中为错流过滤与全流过滤 竖直布置与水平放置 人工清洗与化学加药反洗等方面的工艺调整 7 错流过滤与全流过滤 图1全流过滤图2错流过滤 8 错流过滤与全流过滤 如图所示全流过滤让水流完全通过膜元件 水中固体悬浮物截流于膜表面 而错流过滤时水流部分通过膜表面 水中固体悬浮物沉降于膜表面 全流过滤的过滤效果好 系统运行效率高 设计更为简便 两种运行方式都会使得膜过滤压力增加 运行一段时间后都要从过滤的相反方向对膜进行清洗 沉积在膜表面的固体被清洗排出后 膜能恢复到最初设计的性能 9 超滤膜的清洗 在超滤过程中 除了科学地设定运行条件以控制浓差极化带来的不利因素外 适当的清洗也是维持超滤性能长期稳定的有效途径 在超滤组件连续运行时 定时短暂的反冲洗可使凝胶层在尚未达到一定的厚度时被去除 可以保证透水量的相对稳定 超滤膜采用人工装卸清洗和化学加药反洗 人工拆卸清洗会增加运行人员的劳动强度 通常需要较长时间 而加药反洗不需停机 耗时短 并可全自动完成清洗工作 10 超滤膜的安装方式 超滤膜分为垂直放置与水平放置两种方式 垂直放置时膜壳需特殊设计 难以实现标准设计 膜组件更换时 需从最初设计者那里购买 每个膜腔只能放入单个膜组件 适用于要求的处理水量大的系统 水平放置可使用标准压力容器 可实现开放式设计 用户可有更多选择 每个膜腔可放入多个膜组件 方便安装和更换 节省空间 缺点是单位时间内膜的产水量比垂直放置少 11 超滤膜及系统停运保护 超滤组件停运必须进行充分清洗 然后密封湿态保存 膜及系统停运期间 如果时间短 10天内 应打循环并每3天换一次水 如长时间停运 10天以上 应用1 0 甲醛水溶液浸泡 并每月检查一次 夏天控制环境温度在25 以下以防霉变 冬天应防冻 必要时加入10 20 的甘油 所以设计整套系统时 要考虑周全 建议设备长期运行 12 超滤技术的优缺点 超滤与传统的预处理工艺相比 系统简单 操作方便 占地小 投资省 且水质极优 可满足各类反渗透装置的进水要求 合理地选择运行条件和清洗工艺 可完全控制超滤的浓差极化问题 使此预处理方法更可靠 超滤对水中的有机物和各类胶体均具有良好的去除特性 超滤成套设备的造价较高 运行期间的维护费用较大 13 1 2化学除盐 原水经预处理后除去了悬浮物 胶体和其他杂质后 出水浊度达到2mg L以下 采用超滤技术预处理出水浊度SDI小于1且胶体硅去除率高 根据锅炉补给水的水质要求 DD 0 2 S cm 25 SiO2 20 g L原水预处理后的出水还需进行二级除盐才能满足机组补给水的水质要求 14 1 2 1离子交换树脂化学除盐 1 2 1 1原理当含有各种离子的原水通过氢 H 型阳离子交换树脂时 水中的阳离子被树脂吸附 树脂上的可交换氢离子 H 被交换到水中 与水中的阴离子组成相应的无机酸 反应式如下 15 1 2 1离子交换树脂化学除盐 将含有的无机酸的水再通过氢氧 OH 型阴离子交换树脂时 水中的阴离子被树脂吸附 树脂上的可交换氢氧根离子 OH 被交换到水中 并与水中的氢离子 H 结合成水 反应式如下 这样 原水在经过离子交换除盐工艺处理后 即可将水中的成盐离子 完全 除去 从而获得除盐水 这种离子交换除盐工艺被称为化学除盐工艺 16 1 2 1离子交换树脂化学除盐 混床离子交换法 就是把阳 阴离子交换树脂放在同一个交换床中 并在运行前混合均匀 混床可以看作是由许多阳 阴树脂交错排列而组成的多级式复床 在混床中 由于阳 阴树脂是相互混合均匀的 所以阳 阴离子交换反应几乎是同时进行的或者说水的阳离子交换和阴离子交换是多次交换进行的 即经氢 H 型阳离子交换所产生的氢离子 H 和经氢氧 OH 型离子交换所产生的氢氧根离子 OH 不能积累起来 会立即生成离解度很低的水 其离子交换反应可以进行得很彻底 所以混床的出水质量很高 混床的离子交换反应可以用下面的一个式子来表示出来 17 1 2 1离子交换树脂化学除盐 1 2 1 2除碳器原水中含有大量的碳酸盐 它是构成水中碱度的主要成分 在化学水处理工艺的除盐过程中 原水经阳床交换后 水中的钙 Ga2 镁 Mg2 钠 Na 离子被阳离子交换树脂所吸附 水中的碳酸盐在交换后则形成大量的碳酸 由于在一定温度下 水中的碳酸化合物的比例与水的氢离子 H 浓度有关 当pH 4 5时 水中的碳酸 H2CO3 几乎全部以游离二氧化碳 CO2 的形式存在 大量的游离二氧化碳 CO2 存在于水中会影响水质 所以当原水中的碳酸根 CO2 的含量超过50mg L时 应设置除碳器以除去水中的游离二氧化碳 CO2 18 1 2 1离子交换树脂化学除盐 1 2 1 3一级除盐一级复床除盐工艺流程 原水 阳床 除碳器 阴床 水箱 供出 一级复床除盐工艺制取的除盐水电导率小于5 s cm 这样的水质虽然很高 但远不能满足很多工艺的需求 为了进一步 纯水 水质 满足工艺的要求 通常在一级复床的后面再串接一级除盐设备或混床来制取质量更高的除盐水 19 1 2 1离子交换树脂化学除盐 二级复床除盐工艺流程 原水 阳床 除碳器 阴床 水箱 阳床 阴床 水箱 供出 复床 混床除盐工艺流程 原水 阳床 除碳器 阴床 水箱 混床 二 三级混床 水箱 供出 与复床式除盐工艺相比 混床式除盐工艺具有出水质好 出水中电导率小于0 2 s cm 运行稳定和交换终点明显等优点 通常用于原水含盐量较低 如200 300mg L 碱度较低 阳离子总量较小 但对出水纯度要求较高的化学水处理 20 1 2 2反渗透技术除盐 反渗透 ReverseOsmosis 技术是当前国际上最先进的净水处理技术之一 在通常情况下 单级反渗透设备可去除水中 的溶解性固体 无机盐 以上的有机物 胶体 几乎 的细菌 病毒 并具有能耗小 运行成本低 设备自动化程度高 操作简单可靠等特点 自反渗透技术进入国内市场以来 已经为越来越多的应用 21 1 2 2 1反渗透技术的原理 对透过的物质具有选择性的薄膜 我们称为半透膜 一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜视为理想的半透膜 当把体积相同的稀溶液 如淡水 和浓液 如海水或盐水 分别置于一容器的两侧 中间用半透膜阻隔 此时 半透膜两侧的液面相等 22 1 2 2 1反渗透技术的原理 静置一段时间后 稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜 向浓溶液侧流动 浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度 形成一个压力差 达到渗透平衡状态 此种压力差即为渗透压 渗透压的大小决定于浓液的种类 浓度和温度与半透膜的性质无关 23 1 2 2 1反渗透技术的原理 若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时 浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动 此种溶济的流动方向与原来渗透的方向相反 这一过程称为逆渗透 逆渗透是一种压力驱动下 借助半透膜的选择截留作用 将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法 目前被广泛的应用于各种液体的分离与浓缩 水处理工艺中 将水中无机离子 细菌 病毒 有机物及杂质等离质去除 以获得高质量的水 24 1 2 2 2反渗透设备进水要求 进水压力 0 2MPa进水温度5 40 进水 值4 9溶解性总固体 1000mg 余氯 0 05mg 4总铁含量 0 1mg 1 5mg 2mg 0 5mg 25 1 2 2 3反渗透设备及功能 反渗透水质净化设备主机主要由保安过滤器 高压泵 反渗透膜及各种控制及显示仪表组成 保安过滤器 保安过滤器是在原水进入膜以前的最后一道保护 它可以有效去除前处理泄漏的大于 m的物质 主要是防止悬浮微粒进入反渗透膜元件 在膜表面沉积而污染膜元件 高压泵 提供反渗透所需压力 为溶剂与溶质的分离提供保证 高压泵是反渗透设备的关键部件之一 反渗透膜组 反渗透膜组是由具有高度有序矩阵结构的聚合纤维组成的 它的孔径为 埃 即一百亿分之一米到十亿分之一米 相当于大肠杆菌大小的六千分之一 病毒的三千分之一 利用反渗透膜的分离特性 可以有效的去除溶剂中的溶解盐 胶体 有机物 重金属 加氯消毒而产生的三卤甲烷中间体 细菌和微生物等杂质 反渗透膜壳 用于容纳反渗透膜元件 承压并产生一个高压环境进行反渗透操作 流量计 纯水流量计和浓水流量计分别测量 纯水 浓水即时流量 压力表 测量反渗透设备各处水压 浓水调节阀 用于调节 设备的操作压力 纯水和浓比例 纯水产量 电导率仪 监测反渗透出水的电导率 低压开关 防止 高压泵空转或在超过极限低压下工作 液位控制器 根据原水水箱以及纯水水箱的液位对反渗透设备自动进行停机或启动的操作 电控系统 含电导率仪等仪器仪表 控制设备 是反渗透设备的控制中心 26 1 2 2 4反渗透的工艺流程 原水 加絮凝剂装置 多介质过滤器 活性炭过滤器 阻垢剂 保安过滤器 高压泵 一级反渗透 除碳器 中间水箱 中间水泵 混床 除盐水箱反洗流程 反洗水箱 反洗水泵 过滤器选择反渗透设备 RO 1 为一级除盐设备 二级除盐设备采用混合离子交换器 反渗透设备 RO 2 和连续电再生除盐设备 EDI 27 1 2 3反渗透与离子交换比较 离子交换法技术成熟 安全可靠 投资及运行费也较低 应用较广 反渗透具有出水水质高和稳定 无使用酸碱带来的许多麻烦和环境污染问题 占地面积小 操作简单 可实现无人值守等优点 但关键设备及部件必须进口 因此一次性投资较高 28 1 2 4电再生除盐 EDI EDI electrodeionization 是一种将离子交换技术 离子交换膜技术和离子电迁移技术相结合的纯水制造技术 国内称之为填充床电渗析脱盐法 它巧妙的将电渗析和离子交换技术相结合 利用两端电极高压使水中带电离子移动 并配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除 从而达到水纯化的目的 在EDI除盐过程中 离子在电场作用下通过离子交换膜被清除 同时 水分子在电场作用下产生氢离子和氢氧根离子 这些离子对离子交换树脂进行连续再生 以使离子交换树脂保持最佳状态 29 1 2 4 1EDI的工作原理 交换反应在模组的纯化学室进行 在那裏阴离子交换树脂用它们的氢氧根据离子 OH 来交换溶解盐中的阴离子 相应地 阳离子交换树脂用氢离子 H 来交换溶解盐中的阳离子 EDI技术中 利用极化现象 在膜或树脂与水的界面上发生水的电离 使水电离出H 和OH 离子 它们不断自再生失效树脂 这一过程是EDI技术的核心基础 图1EDI净水设备工作原理图1 阴离子可透膜2 阳离子可透膜3 阴离子交换剂4 阳离子交换剂5 浓水室6 淡水室 30 1 2 4 2EDI的工艺过程 一个完整的EDI系统应包括整流器 控制系统 装置 管道 阀门和再循环泵 EDI是精处理技术 采用纯净的RO产水作为进水 典型的工艺流程 多介质过滤器 活性炭处理 软化设备 单级RO EDI 31 1 3补给水处理技术总结 发电厂锅炉补给水处理技术主要有以下三种方式第一种方式为传统的除盐方式 水中的盐全部依靠离子交换的方式除去 需要大量酸碱溶液对离子交换树脂再生 第二种方式为改良的除盐方式 水中的大部分盐类用反渗透方式除去 但混床中交换树脂的再生仍需要酸碱 投资费用和系统维护费用较高 第三种方式采用了先进的膜分离技术 免去了采用酸 碱再生的处理方法 具有产水纯度高 出水质量稳定 操作控制简单 占地面积小 无环境污染及废水处理等优点 但目前国内处于初步应用阶段 存在一定的技术问题 投资较高 32 2高参数汽包炉水处理技术 下面结合炉水处理技术进展 介绍各种炉水处理工艺 通过对各种处理工艺特点和存在问题进行分析 以针对高参数汽包炉炉水的不同水化学工况 选择合适的相应炉水处理方式 33 2 1全发挥发性处理 AVT 采用加氨的全挥发处理 全挥发性处理的优点在于炉水含盐量可以控制得很低 以保证蒸汽品质 防止锅炉 汽机因盐类的存在引起的各类腐蚀 也不存在磷酸盐处理可能出现磷酸盐 隐藏 现象 挥发性处理的缺点是炉水缓冲性弱 水质的波动易造成炉水pH不合格 因此特别强调给水品质合格和稳定 具有100 凝结水精处理或保证凝汽器严密不泄漏的机组可满足这样的要求 另外 热力系统宜为无铜系统 以防止含氨量过高造成铜系统的氨蚀 34 2 2磷盐酸处理 磷酸盐处理不仅可以防垢 也是汽包炉防腐的重要措施 可以为炉水提供适当的碱性 维持适当的炉水pH值 并对炉水酸 碱污染具有较强的缓冲性 因而具有较强的适应能力 不设凝结水精处理系统的机组 磷酸盐加药处理增加了抵御凝汽器偶然泄漏和启动时的给水污染能力 同时 磷酸盐共沉积作用可减少饱和蒸汽对氯化物和硫酸盐等离子的携带 减缓汽轮机的酸性腐蚀 所以至今仍是汽包炉炉水的主要处理技术 35 2 2 1协调磷酸盐处理 CPT 向炉水中加入Na2HPO4和Na3P04 控制R值在2 3 2 8间 防止了常规磷酸盐处理带来的碱性腐蚀危害 但不能消除 隐藏 现象并具有沉积物下水冷壁管酸性磷酸盐腐蚀危害 36 除同CPT的工艺外 还控制炉水pH 9 10 以防止碱性腐蚀 并减轻酸性腐蚀 但仍不能真正消除 隐藏 现象 从而无法避免沉积物下酸性磷酸盐腐蚀 2 2 2磷酸盐 pH协调处理 37 2 2 3平衡磷酸盐处理 平衡磷酸盐处理 EPT 将加入Na3PO4含量减少到只能够与硬度起反应所需极限浓度 即平衡浓度 几乎无多余的磷酸盐发生沉积 PO43 量一般控制在0 5 2 4mg L间 允许发生一定程度的磷酸盐 隐藏 以利用其产生的游离NaOH维持炉水PH在9 0 9 6间 允许游离NaOH小于1mg L 该法既能防垢 又能防酸碱性腐蚀 但依然无法完全避免 隐藏 尤其是高热负荷的锅炉 锅炉冷启动时 炉水磷酸根上升和PH下降 常需辅以NaOH处理 以控制 隐藏 现象 由于炉水磷酸盐浓度低 使其缓冲性减弱 为此要求炉水水质稳定在标准范围内 38 2 2 4低磷酸盐低氢氧化钠处理 80年代由美国提出 主要工艺为控制炉水磷酸盐小于1mg L 以消除 隐藏 由于此时炉水PH小于9 需辅以NaOH处理 并使NaOH浓度小于1mg L 同样对炉水水质要求高而稳定 39 2 2 5高参数炉的磷酸盐处理工艺 随着机组参数提高和给水水质控制水平的不断进步 磷酸盐处理技术由较高磷酸盐含量控制向低磷酸盐含量控制发展 仅在炉水水质异常时按异常水质处理 给水水质得到保证的情况下 对热负荷较低的超高压汽包炉可采用平衡磷酸盐处理 对热负荷较高的亚临界及以上参数汽包炉可采取低磷酸盐低氢氧化钠工艺 对参与调峰的联合循环燃气机组的余热锅炉高压级 也适用平衡磷酸盐处理或低磷酸盐处理 40 2 3Na0H处理 对一级除盐十混床出水作为补给水的锅炉 采用协调磷酸盐处理维持炉水碱度时 为防止发生 隐藏 时炉水出现游离NaOH而引起碱性腐蚀 将炉水游离OH 降至0 这一处理方式过多强调了降低炉水游离OH 忽略了酸式磷酸盐沉积引起的酸性磷酸盐腐蚀 因此 近年来了又重新提出炉水NaOH处理 41 2 3 1Na0H处理的优点 采用NaOH调节炉水pH具有许多优点 以NaOH调节炉水形成的氢氧化铁膜起作保护金属作用 同时形成的二价和三价铁的经基络合物能维持保护性氧化膜