化學水處理反滲透除鹽系統

一、超臨界機組對水質的要求

直流鍋爐沒有進行水汽分離的氣包，給水一次性通過鍋爐的預熱、蒸發、過熱等受熱面后全部轉化成過熱蒸汽，并輸送到汽輪機中推動汽輪機做功。直流鍋爐沒有水的循環，不能進行爐內加藥處理。給水帶進鍋爐的鹽量一部分被蒸汽溶解帶走，進入汽輪機，其余的沉積在鍋爐各蒸發受熱面上形成水垢。水垢的導熱系數很低，結垢導致管閉溫度上升，嚴重時可能出現超溫爆管。另外，鍋爐水質還是控制水冷壁腐蝕破壞關鍵因素。因此，為了確保鍋爐受熱面安全，給水質量必須滿足超臨界直流鍋爐的水質要求。蒸汽從鍋爐帶出的鹽份進入汽輪機后，由于鹽類在蒸汽中的溶解度隨著蒸汽壓力的降低而下降，所以參數越低，如果蒸汽帶鹽達到一定限度，超出相應壓力、溫度下蒸汽的溶鹽能力，就會析出并沉積在噴嘴和葉片上，使葉片通流截面減小，導致汽輪機效率降低，軸向推力增大，嚴重時還會影響轉子的平衡而造成更大事故。因此鍋爐產生的蒸汽不僅要符合設計規定的壓力和溫度，而且還要達到規定的蒸汽質量。

二、化學工作的重要性

1 、內容

在火力發電廠中，水是傳遞能量的工質。水進入鍋爐后，吸收燃料燃燒放出的熱能轉變為蒸汽，導入汽輪機。在汽輪機中，蒸汽的熱能轉變為機械能，發電機將機械能轉變為電能，送至電網。為了保證機組的正常運行，對鍋爐用水的質量有嚴格的要求，而且機組的蒸汽參數愈高，其要求也愈嚴格。蒸汽在汽輪機內做功后進入凝汽器，被冷卻為凝結水。凝結水由凝結水泵送到低壓加熱器，加熱后送入除氧器，再由給水泵將已除去氧的水經高壓加熱器加熱后送入鍋爐。在上述系統中，水汽雖是循環的，但運行中總不免有些損失。為了保持發電廠熱力系統的水汽平衡，保證正常水汽循環運行，就要隨時向鍋爐補充合格的水來彌補其損失，這部分水稱為補給水。凝汽式電廠在正常運行情況下，補給水不超過鍋爐額定蒸發量的2 %～4 %。熱力系統中的水質是影響火力發電廠熱力設備（鍋爐、汽機等）安全、經濟運行的重要因素之一。沒有經過凈化處理的原水，其中含有許多雜質，這種水是不允許進入熱力設備中的水汽循環系統的，必須經過適當的凈化處理，達到標準后，才能保證熱力設備的穩定運行。如果品質不良的水進入水汽循環系統，就會造成以下幾方面的危害：

（1 ）熱力設備的結垢

如果進入鍋爐或其他熱交換器的水質不良，則經過一段時間的運行后，在和水接觸的受熱面上，會生成一些固體附著物，這些固體附著物稱為水垢，這種現象稱為結垢。結垢的速度與鍋爐的蒸發量成正比。因此，如果品質不良的水進入高參數、大容量機組的水汽循環系統，就有可能在短時間內造成更大的危害。因為水垢的導熱性能比金屬的差幾百倍，這些水垢又易形成在熱負荷很高的鍋爐爐管中，這樣會使結垢部位的金屬管壁溫度過熱，引起金屬強度下降，在管內壓力作用下，就會發生管道局部變形，產生鼓包，甚至引起爆管等嚴重事故。結垢不僅危害到鍋爐的安全運行，而且會影響發電廠的經濟效益。另外，在汽輪機凝汽器內結垢，會導致凝汽器真空度降低，使汽輪機達不到額定出力，熱效率下降;加熱器結垢會使水的加熱溫度達不到設計值，以致整個熱力系統的經濟性降低。而且熱力設備結垢后還必須及時進行清洗，因此增加了機組的停運時間，減少了發電量，增加了清洗、檢修的費用，以及增加了環保工作量等。

（2 ）熱力設備的腐蝕

熱力設備的運行常以水作為介質。如果水質不良，則會引起金屬的腐蝕。由于金屬材料與環境介質反應而引起金屬材料的破壞叫做金屬的腐蝕。火力發電廠的給水管道，各種加熱器，鍋爐的省煤器、水冷壁、過熱器和汽輪機凝汽器都會因水中含有溶解性氣體和腐蝕介質而引起腐蝕。腐蝕不僅會縮短金屬的使用壽命，而且由于金屬腐蝕產物轉入給水中，使給水雜質增多，從而又縮短了在熱負荷高的受熱面上的結垢過程，結成的垢又會促進鍋爐管壁的垢下腐蝕。這種惡性循環，會迅速導致爆管事故的發生。

（3 ）過熱器和汽輪機的積鹽

如果鍋爐使用的水質不良，就不能產生高純度的蒸汽，隨蒸汽帶出的雜質就會沉積在蒸汽流通部分，例如過熱器和汽輪機里，這種現象稱為積鹽。過熱器管內積鹽會引起金屬管壁過熱，甚至爆管;汽輪機內積鹽會大大降低汽輪機的出力和效率。特別是對于高溫、高壓的大容量汽輪機，它的高壓蒸汽通流部分的截面積很小，所以少量的積鹽就會大大增加蒸汽流通的阻力，使汽輪機的出力下降。當汽輪機積鹽嚴重時，還會使推力軸承負荷增大，隔板彎曲，造成事故停機。水中雜質對水處理設備和熱力設備影響見下表1-1.

表1-1 水中雜質對設備的有害影響

序號雜質名稱對設備影響

1 懸浮物污染樹脂，降低其交換性能，尤其對逆流再生設備影響較大。

2 有機物1 、使陰離子交換樹脂污染老化，降低交換容量及使用壽命;

3 進入鍋爐后能造成汽水共騰，惡化蒸汽品質。

4 游離氯是氧化劑，能形成樹脂的不可逆膨脹而使樹脂損壞。

5 溶解氧可造成水處理系統和給水系統的腐蝕，但在高純給水中進行中性水加氧處理，可形成一層保護膜，減緩對給水系統的腐蝕。

6 硅酸化合物易在熱力系統結垢，在汽輪機葉片上結垢析出，影響機組出力。

7 碳酸鹽化合物在加熱后能分解出二氧化碳，在給水系統造成二氧化碳腐蝕。

8 鈣鎂鹽類能在強受熱面上結出堅硬的水垢。

9 鉀鈉鹽類能在過熱器、汽輪機葉片上結鹽。

10 銅鐵垢進入離子交換樹脂內不易再被交換出來;在鍋爐水冷壁管上結垢又能造成潰瘍性垢下腐蝕，嚴重影響鍋爐安全運行。

11氨和銨鹽適量的氨對抑制系統中的二氧化碳腐蝕有好處，但量大后能促使對銅的腐蝕。

12硝酸、亞硝酸鹽能形成水冷壁及過熱器的腐蝕。因此，火力發電廠化學水處理工作主要擔負著以下任務：

（1 ）凈化原水：制備熱力系統所需要的補給水工藝，包括除去原水中的懸浮物和膠體顆粒的澄清、過濾等預處理，除去水中全部溶解性鹽類的除鹽處理。制備補給水的處理通常稱為爐外水處理。

（2 ）給水處理：對于給水，進行除去水中溶解氧或加氧、提高PH值等加藥處理，以保證給水的質量。

（3 ）凝結水處理：對直流爐機組及高參數機組，要進行汽輪機凝結水的除鐵、除鹽等凈化處理。

（4 ）冷卻水處理：對于直流冷卻的循環水，要采用加藥的方式進行防止微生物滋生等的處理，也叫循環水處理。

（5 ）水汽監督：對熱力系統各部分、各階段的水汽質量進行監督，并在水汽質量劣化時進行的處理，也是水處理工作的內容之一。

（6 ）機組停運保養：隨著機組容量的增加和參與調峰，機組停運保養工作愈顯重要，而且它與水處理工作也密切相關。它包括機組停運前對熱力系統進行加藥處理等工作。

（7 ）化學清洗：當鍋爐水冷壁結垢量超過部頒標準時，必須對鍋爐本體進行化學清洗。在化學清洗過程中，要求在不同階段提供不同質量的水，因此水處理工作是保證化學清洗效果的重要因素之一。除此之外，火力發電廠水處理工作還包括發電機冷卻水處理、發電機轉子氫冷系統供氫和來自各種渠道的廢水處理等。

2 、化學的主要分工及作用

凈化站：主要對原水中的懸浮物和膠體顆粒等進行澄清、過濾，以除去原水中的懸浮物和部分膠體的預處理系統。

補給水處理：主要完成水中溶解性鹽類的除鹽處理系統。

給水、凝結水加藥系統：主要進行給水、凝結水加氧、提高PH值、機組啟動或異常時的除氧及停爐保養等的各種加藥處理，以保證給水的質量。

凝結水精處理：進行汽輪機凝結水的除鐵、除鹽等凈化處理系統。

機組水汽及凝結水檢漏系統監督：對熱力系統各部分、各階段的水汽質量

進行監督，確保水汽質量滿足機組正常運行的要求。

廢水處理站：將全廠各種排至廢水站的廢水分別處理合格后排放，符合環保要求。

加氯站：分別向循環冷卻水及凈化站來原水中投加氯，防止水中微生物滋生。

供氫站：向發電機氫冷系統提供純度、濕度合格和一定壓力的氫氣，以滿足發電機正常運行的需要。

另外，化學實驗班組主要負責日常的汽、水、煤、油、氣等監督和查定及化學清洗工藝配合等工作。

反滲透預脫鹽系統

1 、原理

水從稀溶液一側通過半透膜自然向濃溶液一側流動的過程叫水滲透。人們制造了一種膜，它只允許水分子通過，溶液中的鹽類則不能通過，這種膜叫半透膜。反滲透是利用半透膜透水不透鹽的特性，去除水中的鹽份。在反滲透膜的原水側加壓，使原水中的一部分純水沿與膜垂直方向透過膜，水中的鹽類和膠體物質在膜表面濃縮，剩余部分原水沿與膜平行的方向將濃縮的物質帶走。透過膜的水中僅殘余少量鹽份，收集利用透過水，即達到了脫鹽的目的。反滲透可除去水中98% 的無機鹽，對有機物的去除為相對分子質量大于200的有機物以及膠體，相對分子質量小于200 的有機物會透過反滲透膜，它是當代*的的脫鹽技術。

反滲透脫鹽必須滿足兩個基本條件：①半透膜具有透水而不透鹽的選擇透過特性。②鹽水與淡水兩室間的外加壓差大于滲透壓差。符合條件①的半透膜稱之為反滲透膜。

2 、滲透膜

（1 ）反滲透膜材料

膜得分離性能與膜材料的分子結構密切相關。人們根據脫鹽的要求，從大量的高分子材料中篩選出醋酸纖維素（CA）和芳香聚酰胺（PA）兩大類膜材料。此外，復合膜的表皮層還用到其他一些特殊材。醋酸纖維素又稱乙酰纖維素或纖維素醋酸酯。常以含纖維素的棉花、木材等為原料，經過酯化和水解反應制成醋酸纖維素，再加工成反滲透膜。聚酰胺膜材料包括脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺兩類。目前使用zui多的是芳香族聚酰胺膜，膜材料為芳香族聚酰胺、芳香族聚酰胺- 酰肼以及一些含氮芳香聚合物。

復合膜的特征是由兩種以上的材料制成，他是由很薄的致密層與多孔支撐復合而成的。多孔支撐層又稱基膜，起增強機械強度作用;致密層也稱表皮層，起脫鹽作用，故又稱脫鹽層。由單一材料制成的非對稱膜，有下列不足之處：①致密層與支撐層之間存在著易被壓密的過濾層;②表皮層厚度的zui薄極限約為1000×10-10m，很難通過減少通過膜厚度降低推動壓力;③脫鹽率與透水速度相互制約，因為同種材料很難兼具脫鹽與支撐兩者均優。復合膜較好的解決了上述問題，它可以分別對致密層的功能要求選擇一種脫鹽性能*的材料，針對支撐層的功能要求選擇一種機械強度高的材料。復合脫鹽膜可以做的很薄，有利于降低推動力;他消除了過渡區，抗壓密能力強。此外，復合膜還有以下特點：膜高脫鹽率和高透過性兼備;良好的化學穩定性和耐熱性;可干膜存放;推動壓力低;抗污染能力強。

（2 ）反滲透膜的結構

膜的結構包括宏觀結構和微觀結構。前者是指膜幾何形狀，主要有板式、管式、卷式和中空纖維式四種;后者是指膜的斷面結構和結晶狀態等。從形貌看，膜大致可分為二類：均相膜和非均相膜。非均相膜又稱非對稱結構膜。其形貌特征是在垂直與膜表面的截面上孔隙分布不均勻，由表向里孔隙漸增，表層孔隙zui小，低層孔隙zui大。目前應用的是非對稱膜。膜的非對稱結構，決定了膜的方向性。例如反滲透膜，當致密層面向高壓側時，可獲得預期的脫鹽率;反之，當多孔層面向高壓側時，膜的脫鹽率明顯變差。所以，使用膜時應注意方向。膜的致密層表面比多孔層表面比多孔層平滑有光澤。

（3 ）反滲透膜的分類

基于不同考慮，膜的分類有許多方法。

①按膜材料分。主要有芳香聚酰胺膜和醋酸纖維素膜。此外，還有聚酰亞胺膜、磺化聚砜膜、磺化聚砜醚膜等。

②按制膜工藝分。可分為溶液相轉化膜、熔融熱相轉變膜、復合膜和動力膜。目前，普遍應用的是復合膜。

③按膜結構特點分。可分為均相膜、非對稱膜和復合膜。目前常用非對稱膜和復合膜。有人將均相膜、非對稱膜和復合膜依次稱之為*代膜、第二代膜和第三代膜。

④按傳質機理分。有活性膜和被動膜之分。活性膜是在溶液透過膜的過程中，透過組分的化學性質可改變;被動膜是指溶液透過膜的前后化學性質沒有發生變化。目前所有反滲透膜都屬于被動膜。

⑤按膜出廠時的檢測壓力分為超低壓膜、低壓膜、和中壓膜。

⑥按膜的用途分為苦咸水淡化膜、海水淡化膜、抗污染膜等多個品種。

⑦按膜的形狀分。主要有板式膜、管式膜、卷式膜和中空纖維膜。本廠反滲透膜采用螺旋卷式結構，材質為聚酰胺復合材料（電中性），zui低脫鹽率99.5%，單膜水回收率15%，進水自由氯zui高濃度<0.1ppm.

（4 ）反滲透膜的性能要求

為適應水處理應用的需要，反滲透膜必須具有應用上的可靠性和形成規模的經濟性，其一般要求是：

①滲透性要大，脫鹽率要高。

②有一定的強度和堅實程度，不致因水的壓力和拉力影響而變形、破裂。膜的被壓實性盡可能zui小，水通量衰減小，保證穩定的產水量。

③結構要均勻，能制成所需要的結構。

④適應較大的壓力、溫度和水質變化。

⑤有好的耐溫、耐酸堿、耐氧化、耐水解和耐生物污染性能。

⑥用壽命要長。

⑦成本要低。

3 、反滲透裝置

反滲透應用于水處理工程，除膜本身外，還需要2 個配套部件：淡水室和濃水室（兼原水室）。所以，反滲透膜必須與其他器件一起才能組合成具有引進高壓鹽水和收集淡水功能的設備。這種具有進出水功能的脫鹽單元稱為膜元件。膜元件通常按水處理工藝需要，將多個膜元件組合起來形成一個較大的脫鹽單元，這種單元稱膜組件。多個膜組件又可進一步組合成更大的脫鹽單元，形成反滲透裝置。

廣義的講，反滲透裝置應包括所有膜組件、連接管道、閥門、儀表、以及高壓泵等相關設備，甚至可以延伸到整個反滲透系統;狹義的講，反滲透裝置僅指膜組件本身。因本廠反滲透膜采用螺旋卷式結構，故在此主要介紹此種裝置。

（1 ）螺旋卷式膜元件（膜組件）的組成

膜元件（膜組件）的基本組成包括：膜、膜的支撐物或連接物、水流通道、密封、外皮、進水口和出水口等。

①膜 膜是構成膜元件乃至反滲透系統的核心部分。

②支撐物或連接物 反滲透膜在組裝成膜元件過程上，為了固定膜使其具有一定形狀和強度，需要支撐物。螺旋卷式膜一般將隔網夾在兩膜之間，隔網既是支撐物又是水流通道。

③水流通道 從鹽水進入到濃水和淡水流出器件的全部水流空間稱為水流通道。大多數水流通道是通過膜與膜之間的支撐體、導流板或隔網來實現的。隔網普遍用于卷式反滲透膜元件，水流在隔網的間隙中流動，隔網厚度一般為0.76mm和1.1mm.良好的水流通道應該是水流分布均勻、沒有死角、流速合適、濃差極化輕、容易清洗和占用空間小。

④密封 反滲透需要在一定壓力下才能進行，為了防止濃淡水互竄，必須采取密封裝置，讓這兩股水各行其道。密封位置主要在膜與膜之間、膜與支撐物之間、膜與原件之間、以及與外界接口處等。螺旋卷式膜元件主要是將重疊的兩張膜的三邊密封形成膜袋，以及串聯膜元件中心管之間的密封。密封損壞導致脫鹽率下降是反滲透裝置運行中的常見故障之一。

⑤外皮卷式膜 元件的zui外層殼體稱為外皮，膜袋被卷成像布匹樣的圓柱體后再包上外皮。外皮材料一般為玻璃鋼（FPR ）。

⑥進水口與出水口 卷式反滲透膜元件的中心管的一端為淡水出口，膜元件兩頭的多空端或渦輪板的一頭為進水口，另一頭為濃水出口。該多孔板具有均勻布水、防止膜卷突出的作用。

（2 ）螺旋卷式膜元件（膜組件）的特點

①水流通道由隔網空隙構成，水在流動過程中被隔網反復切割匯集呈波浪狀起伏前進，提高了水流紊動強度，減少了濃差極化。

②水沿膜表面呈薄層流動，這種薄層流動的設計提高了膜的裝填密度，也有利于降低膜表面的滯流層厚度，同樣有利于減少濃差極化。

③膜的裝填密度比較高，一般為650-1600m2/m3 ，僅次于中空纖維膜組件。

④抗污染能力比中空纖維式強。

⑤水流阻力介于管式與中空纖維式之間。

（3 ）螺旋卷式膜元件（膜組件）的結構膜元件核心部分由膜、進水隔網和透過水隔網圍中心管卷繞而成。膜的脫鹽層面對進水隔網，支撐層面對透過水隔網。透過水隔網構成透過水通道，并起支撐膜的作用。進水隔網構成進水和濃水通道，并起擾動水流防止濃差極化作用。多孔中心管與透過水通道相通，收集透過水。在壓力推動下，原液在進水隔網中流動，水量不斷減少，濃度不斷增加，zui后變成濃水從下游排走。透過水在透過水隔網內流動，流量不斷增加，zui后進入中心集水管。

（4 ）使用條件 為了保證膜長期穩定安全運行，膜生產廠家規定了使用膜元件時所限制的條件，包括：操作壓力、進水流量、溫度、進水PH值范圍、進水濁度、進水SDI 、進水余氯、濃縮水與透過水量的比例和壓力損失等。運行時必須將反滲透純水設備控制在這些條件所規定范圍內。