王令兆，王讀福，管廷江，李成龍，林蒙蒙，牟少燕

(山東濰焦控股集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262404)

2016年，我國(guó)火力發(fā)電在全部類型發(fā)電中占比達(dá)74.4%[1]。顯然，以燃煤鍋爐為主的的火力發(fā)電仍是我國(guó)最主要的發(fā)電方式。傳統(tǒng)燃煤鍋爐，是指經(jīng)過(guò)燃煤在爐膛中燃燒釋放熱量，把熱媒水或其它有機(jī)熱載體(如導(dǎo)熱油等)加熱到一定溫度(或壓力)的熱能動(dòng)力設(shè)備。水在其中擔(dān)負(fù)著傳遞能量的重要作用，同時(shí)還向附近企業(yè)和住宅區(qū)提供生產(chǎn)或取暖用蒸汽或熱水，也擔(dān)負(fù)著冷卻介質(zhì)的作用。為保證鍋爐的正常運(yùn)行，原水需經(jīng)過(guò)一系列的凈化處理后，達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求(GB 12145-2016)，才能滿足鍋爐給水要求。

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，大容量的高壓、超高壓和亞臨界蒸汽鍋爐不斷出現(xiàn)，對(duì)鍋爐的水汽質(zhì)量提出了更高的要求，來(lái)與之相適應(yīng)。近年來(lái)鍋爐補(bǔ)給水的水處理技術(shù)也有了很大的發(fā)展。從離子交換樹(shù)脂類化學(xué)法到膜法處理，大大降低了水處理工藝中化學(xué)藥品的使用量，減少了廢水排放量。而全膜法工藝更是以設(shè)備占地面積小、現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量小、化學(xué)藥品用量少、無(wú)污染物排放、運(yùn)行操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、自動(dòng)化程度高、設(shè)備運(yùn)行成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得膜法成為當(dāng)今世界各國(guó)電廠鍋爐補(bǔ)給水的主流工藝。

1 全膜法工藝

全膜法水處理工藝，它將不同的膜工藝有機(jī)地組合在一起，以常規(guī)水源或經(jīng)生化、過(guò)濾等常規(guī)處理后達(dá)標(biāo)排放的市政污水、工業(yè)廢水為進(jìn)水，采用“超濾+反滲透+EDI”的組合工藝，達(dá)到高效去除污染物以及深度脫鹽的目的，滿足各種用途的水質(zhì)要求。

1.1 預(yù)處理

工業(yè)上，通常將鍋爐給水水源稱為原水，原水中的雜質(zhì)，主要可分為三大類：懸浮物、膠體和溶解物。在北方地區(qū)多以黃河水為主的地表水為原水，懸浮物比較多，而且水中富含細(xì)菌、微生物、藻類等雜質(zhì)，經(jīng)膜處理前，必須經(jīng)想相應(yīng)的預(yù)處理工序，過(guò)濾除掉。

1.1.1 機(jī)械過(guò)濾

多介質(zhì)過(guò)濾器是在一定的壓力下把濁度較高的水通過(guò)一定厚度的石英砂和無(wú)煙煤，從而有效的除去懸浮雜質(zhì)使水澄清的過(guò)程，多介質(zhì)過(guò)濾器選擇合適級(jí)配的填料及較低的運(yùn)行濾速，濾除原水帶來(lái)的細(xì)小顆粒、懸浮物、膠體等雜質(zhì)。

1.1.2 超濾

目前，許多水處理系統(tǒng)運(yùn)行不好的主要原因是預(yù)處理不達(dá)標(biāo)，從而影響了反滲透的性能，進(jìn)而影響了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定[2]。常規(guī)預(yù)處理主要采用混凝、沉淀、機(jī)械過(guò)濾等方法，但存在占地面積大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展，用超濾膜法工藝對(duì)鍋爐補(bǔ)給水預(yù)處理己得到越來(lái)越多廣泛的應(yīng)用。

1.1.2.1 基本原理：

超濾采用的是一種加壓膜分離技術(shù)，以機(jī)械物理篩分原理為基礎(chǔ)，以膜兩側(cè)壓差為驅(qū)動(dòng)力，即在一定的壓力下，使小分子溶質(zhì)和溶劑穿過(guò)一定孔徑的特制的薄膜，而使大分子溶質(zhì)不能透過(guò)，留在膜的一邊。因此機(jī)械過(guò)濾處理不完全的微粒、膠體、有機(jī)物，以及部分細(xì)菌、病毒和原生動(dòng)植物等都會(huì)被超濾去除，從而使水得到進(jìn)一步凈化。

1.1.2.2 超濾技術(shù)特點(diǎn)

超濾是一種節(jié)能、環(huán)保的過(guò)濾分離技術(shù)，其作用機(jī)理主要分為兩個(gè)方面：一是膜表面膜孔大小與形狀的限制，大分子溶質(zhì)和微粒被截留在超濾膜一側(cè)，溶劑和小分子溶質(zhì)則可以通過(guò)膜孔到達(dá)超濾膜另一側(cè)。二是在超濾進(jìn)行穩(wěn)定時(shí)，膜表面形成厚度穩(wěn)定的濾餅層，濾餅層能有效阻止大分子透過(guò)。相對(duì)于?？椎慕亓糇饔?，濾餅層的截留作用更顯著。來(lái)水經(jīng)泵加壓進(jìn)入超濾系統(tǒng)時(shí)，與超濾膜形成錯(cuò)流，在膜兩側(cè)壓力差的驅(qū)動(dòng)下，水在膜表面發(fā)生分離，大分子溶質(zhì)和微粒被截留，其他小分子溶質(zhì)和溶劑則穿過(guò)超濾膜，從而達(dá)到分離、提純和濃縮的目的。

超濾裝置最核心的部件是超濾膜。超濾膜的類型主要有平板超濾膜、管式超濾膜、毛細(xì)式超濾膜、中空纖維超濾膜和多孔超濾膜。其中，中空纖維超濾膜是是一種很薄的聚合材料，由聚砜(PS)，聚醚砜(PES)，PVDF或聚丙烯腈(PAN)制成并帶有非對(duì)稱的微孔結(jié)構(gòu)。不對(duì)稱超濾膜擁有一層極光滑極薄(0.1μm)的孔徑在0.002～0.1μm間的內(nèi)表面，此內(nèi)表面由孔徑大到15μm的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)海面體支撐結(jié)構(gòu)支撐。這種小孔徑光滑膜表面合較大孔徑支撐材料的結(jié)合使得過(guò)濾微小顆粒的流動(dòng)阻力很小并不易堵塞，是超濾膜中最受歡迎一種膜類型。

超濾膜多為不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，由一層極薄(通常小于1μm)、具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚(通常小于125μm)、具有海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成。前者起分離作用，后者超起支撐作用。

超濾裝置的過(guò)濾范圍，主要在于超濾膜的孔徑大小，一般在0.001～0.1μm范圍內(nèi)，商品化的超濾膜多用截留分子量相適應(yīng)的孔徑的大小來(lái)表示膜的性能，這種表示方法雖不能完全代表膜的實(shí)際性能，但可作為用戶選擇膜的一個(gè)重要指標(biāo)。超濾技術(shù)的操作壓力低，設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低，無(wú)相變，能耗低，可有效分離水中的懸浮物、膠體、有機(jī)物等雜質(zhì)。通過(guò)超濾，產(chǎn)水水質(zhì)要明顯好于傳統(tǒng)的多介質(zhì)過(guò)濾，即使來(lái)水是水質(zhì)很差的廢水，超濾產(chǎn)水的 SDI 甚至可以穩(wěn)定在 2以下，這樣就大大延長(zhǎng)了下游反滲透膜的壽命，保證了整個(gè)水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 預(yù)脫鹽-反滲透RO

反滲透(RO) 又叫逆滲透，是以自然滲透相反的過(guò)程而命名，如圖1。反滲透是利用半透膜的選擇透過(guò)性，以壓力差作為推動(dòng)力，在膜的一側(cè)施加施以比自然滲透壓力更大的壓力，使?jié)B透向相反方向進(jìn)行，促使原液里的溶劑穿過(guò)半透膜到膜另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離、提純和濃縮。該技術(shù)具有效率較高、維護(hù)成本低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)[3]。

圖1 自然滲透與反滲透

1.2.1 基本原理

水處理預(yù)除鹽反滲透系統(tǒng)，是利用反滲透膜的選擇通過(guò)性，在壓力的作用下，原水從膜的一側(cè)流向另一側(cè)，其中，水分子選擇性透過(guò)反滲透膜，從原水側(cè)到達(dá)另一側(cè)，而其它的離子則留在原來(lái)一側(cè)。隨著原水的流程逐漸增長(zhǎng)，水分子不斷從原水中流走，匯集為產(chǎn)水。留在原來(lái)一側(cè)的含鹽量不斷增大，并且逐步得到濃縮，最終成為濃水。

1.2.2 反滲透技術(shù)特點(diǎn)

反滲透體系主要起到脫鹽的功能。利用反滲透膜的基本特性來(lái)除去水中大部分可溶性鹽分、膠體、有機(jī)物及微生物。典型的系統(tǒng)是由保安過(guò)濾器、高壓泵、反滲透組件、反滲透清洗系統(tǒng)，以及分配進(jìn)水和收集產(chǎn)水的管路和閥門組成。原水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后達(dá)到反滲透膜的進(jìn)水要求，在高壓泵的強(qiáng)大壓力下進(jìn)入裝有反滲透膜的壓力容器，通過(guò)高壓泵的壓力大于滲透壓的原理，水分子和一小部分小分子有機(jī)物通過(guò)半透膜進(jìn)入產(chǎn)水側(cè)，通過(guò)產(chǎn)水收集管收集后進(jìn)入反滲透產(chǎn)水箱中間水箱。剩余的含有大量鹽分的濃水收集后進(jìn)入濃水處理系統(tǒng)。

目前常用的反滲透膜分為纖維素類和非纖維素類，纖維素類最常用的是醋酸纖維素分離膜，非纖維素類有芳香族聚酰胺膜和薄膜復(fù)合膜等。芳香族聚酰胺膜是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的膜[4]。雖然這種膜幾乎可以適用于任何進(jìn)水水質(zhì)，但在實(shí)際操作過(guò)程中，反滲透膜具有復(fù)雜性和精密性的特點(diǎn)，極易受到污染和堵塞，一旦受到輕微的機(jī)械損傷也會(huì)對(duì)其實(shí)際效能帶來(lái)較大的影響，因此在利用反滲透技術(shù)進(jìn)行水處理過(guò)程中，需要對(duì)進(jìn)水水質(zhì)嚴(yán)格要求，并要預(yù)先對(duì)原水進(jìn)行有效處理，確保SDI在5以下，pH值在4～10。溫度在0～40℃以內(nèi)[5]，以此來(lái)提高水處理過(guò)程中反滲透裝置的高效性。

當(dāng)進(jìn)水惡化或?qū)Ξa(chǎn)水要求比較高時(shí)，尤其是在北方地區(qū)，黃河水補(bǔ)充地表水，水質(zhì)波動(dòng)明顯，對(duì)于單級(jí)反滲透產(chǎn)水不能滿足水質(zhì)要求的情況下，可以設(shè)置兩級(jí)反滲透，可以獲得更高的脫鹽率。

1.3 精脫鹽-電除鹽EDI

連續(xù)電除鹽裝置又稱為EDI，是一種把電滲析和離子交換的特點(diǎn)巧妙結(jié)合起來(lái)的工藝，是利用離子交換能深度脫鹽來(lái)克服電滲析極化而脫鹽不徹底，又利用電滲析極化而發(fā)生水電離產(chǎn)生H+和OH-離子實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂自再生來(lái)克服樹(shù)脂失效后通過(guò)化學(xué)藥劑再生的缺陷[6]。在越來(lái)越多的水處理工藝中，已開(kāi)始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰陽(yáng)離子交換床進(jìn)行深度除鹽，是近十年發(fā)展起來(lái)的新工藝[7]。

1.3.1 基本原理

電除鹽EDI是一種將電滲析技術(shù)和離子交換技術(shù)融為一體的深度除鹽技術(shù)，如圖2。EDI系統(tǒng)包括陰、陽(yáng)離子極板，離子交換膜，陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，直流電源等。

圖2 EDI結(jié)構(gòu)及基本原理

EDI的基本原理主要有以下幾個(gè)過(guò)程[8]:

(1)電滲析過(guò)程：陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜交替排列于正負(fù)兩個(gè)電極之間，并用隔板將其隔開(kāi)，組成淡化室和濃縮室。當(dāng)原水流入隔室后，在外電場(chǎng)作用下，陽(yáng)離子向負(fù)極遷移，陰離子向正極遷移，但由于離子交換膜的選擇透過(guò)性(陽(yáng)離子只能透過(guò)陽(yáng)離子交換膜，陰離子只能透過(guò)陰離子交換膜)，從而使淡室中的鹽水淡化，濃室中鹽水被濃縮，實(shí)現(xiàn)脫鹽目的。

(2)離子交換過(guò)程：靠離子交換樹(shù)脂對(duì)水中電解質(zhì)離子的交換作用，去除水中的離子。

(3)電化學(xué)再生過(guò)程：利用滲析的極化過(guò)程產(chǎn)生的H+和OH-和及樹(shù)脂本身的水解作用對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行電化學(xué)再生。其中前兩個(gè)過(guò)程都對(duì)提高出水水質(zhì)起正面作用，而再生過(guò)程由于離子交換會(huì)使水質(zhì)變壞，所以必須選擇適宜的工作環(huán)境，才能既達(dá)到出水水質(zhì)的要求，又能實(shí)現(xiàn)再生的目的。

1.3.2 EDI技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的深度除鹽系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的復(fù)床+混床工藝，此工藝是利用離子交換樹(shù)脂能夠從水溶液中吸著某種(類)離子，而把本身所具有的另外一種相同電荷符號(hào)的離子等摩爾量地交換到水溶液中去[9]。由于離子交換劑交換容量有限，當(dāng)交換完畢后，需用帶有本身離子的再生劑再生，以恢復(fù)其交換功能。因此，這一系統(tǒng)需要消耗大量的酸、堿溶液去再生離子交換樹(shù)脂，從而產(chǎn)生一定量的酸、堿性廢水，污染環(huán)境，運(yùn)行成本較高。

EDI技術(shù)的最大特點(diǎn)是用電場(chǎng)和離子膜取代離子交換樹(shù)脂的化學(xué)再生，EDI在運(yùn)行過(guò)程中，樹(shù)脂分為交換區(qū)和新生區(qū)，在運(yùn)行過(guò)程中，雖然樹(shù)脂不斷進(jìn)行離子交換，但電流連續(xù)不斷的使樹(shù)脂再生，從而形成了一種動(dòng)態(tài)平衡；EDI模塊內(nèi)將能始終保持一定空間的新生區(qū)；這樣EDI內(nèi)的樹(shù)脂也就不再需要化學(xué)藥品的再生，且其產(chǎn)水品質(zhì)也得到了較高的保證。

EDI與混床相比其主要特點(diǎn)如下：

(1)混床運(yùn)行時(shí)間歇式，在運(yùn)行一段時(shí)間后，樹(shù)脂會(huì)被穿透，此時(shí)產(chǎn)水率下降，需要對(duì)混床進(jìn)行停機(jī)再生。而EDI運(yùn)行是連續(xù)性的，EDI在運(yùn)行過(guò)程中即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的離子消耗和再生，從而持續(xù)不斷的進(jìn)行產(chǎn)水；

(2)EDI系統(tǒng)不需使用酸堿溶液對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生，克服了樹(shù)脂化學(xué)再生造成的廢水污染；

(3)EDI排放的濃水可直接回到二級(jí)反滲透RO前再利用，這樣EDI單元可以做到?jīng)]有廢水排放；

(4)EDI無(wú)需酸堿再生，使純水系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，占地面積小，操作簡(jiǎn)化，運(yùn)行費(fèi)用更低。

2 山東濰焦控股集團(tuán)鍋爐補(bǔ)給水全膜法工藝

山東濰焦控股集團(tuán)現(xiàn)有鍋爐配套建設(shè)120 t/h的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，采用全膜法工藝。通過(guò)充分論證其一次性投資、運(yùn)行費(fèi)用、設(shè)備的工藝穩(wěn)定性，結(jié)合帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題，與其他方案進(jìn)行了多方位的比較。最后確定選用全膜法工藝。

2.1 主工藝流程

原水→原水箱→原水泵→原水加熱器→絮凝劑加藥、殺菌劑加藥→多介質(zhì)過(guò)濾器→超濾裝置→超濾產(chǎn)水箱→一級(jí)反滲透給水泵→(還原劑、阻垢劑)→一級(jí)保安過(guò)濾器→一級(jí)加壓泵→一級(jí)反滲透裝置→中間水箱→中間水泵→二級(jí)保安過(guò)濾器→二級(jí)加壓泵→二級(jí)反滲透裝置→淡水箱→淡水泵→EDI保安過(guò)濾器→EDI電除鹽裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→除鹽水主管。

一級(jí)反滲透濃水匯集，可作為反洗多介質(zhì)過(guò)濾器用。

二級(jí)反滲透裝置濃水回收至超濾產(chǎn)水箱。

EDI裝置濃水回收至中間水箱。

2.2 流程示意圖

圖3 鍋爐補(bǔ)給水全膜法工藝流程

其中，超濾系統(tǒng)采用 44 個(gè)膜元件組成的超濾裝置，超濾膜選用北京賽諾SMT600-P80中空纖維素膜，出力為 2×100 m3/h。一套裝置分兩組并聯(lián)，單組裝置分兩列布置，膜元件安裝在一個(gè)框架上，架上配備全部管道及接頭，還包括所有的支架、緊固件、夾具及其它附件。

反滲透系統(tǒng)采用一、二雙級(jí)兩套反滲透串聯(lián)裝置，均反滲透膜選用美國(guó)DOW BW30-400膜，一級(jí)反滲透裝置正常出力2×74 m3/h，二級(jí)反滲透裝置正常出力2×67 m3/h。反滲透裝置包括2臺(tái)一級(jí)高壓泵和2套一級(jí)反滲透膜組件，2臺(tái)二級(jí)高壓泵和2套二級(jí)反滲透膜組件。每套反滲透膜組件為兩段排列，第一套共計(jì)168支反滲透膜；第二套66支反滲透膜，兩套共計(jì)132支反滲透膜。

電除鹽EDI系統(tǒng)采用 24 個(gè)膜塊組成的EDI裝置，EDI膜選用美國(guó)GE E-CEll-3X膜，出力為 2×60 m3/h。一套裝置分兩組并聯(lián)，單組裝置上下兩層布置。

3 展望

全膜法鍋爐給水處理工藝，其出水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)良，完全能滿足電廠鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)的要求。與傳統(tǒng)的離子交換處理技術(shù)相比，全膜法因其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)在電廠中應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

隨著科技的發(fā)展，全膜法工藝也將不斷地得到改進(jìn)，筆者認(rèn)為主要在以下三個(gè)方面：

一是濃水回用，全膜法工藝中，二級(jí)反滲透和EDI濃水都能夠?qū)崿F(xiàn)回用，但一級(jí)反滲透的濃水，只作為反洗機(jī)械過(guò)濾器的反洗水，可增加濃水深度處理裝置進(jìn)行再提取，倪國(guó)強(qiáng)等[10]提出根據(jù)反滲透濃水的特點(diǎn)，可加入阻垢劑，如濃水中某貴重離子含量較高，可對(duì)該離子進(jìn)一步濃縮提純，再回用反滲透系統(tǒng)，調(diào)節(jié)濃水和進(jìn)水比例，達(dá)到循環(huán)利用；詹金坤[11]還驗(yàn)證了反滲透濃水作為超濾反洗水的可行性，也是一種反滲透濃水利用的新方法。

二是開(kāi)發(fā)新的膜材料，研究開(kāi)發(fā)低壓超薄、抗污染、長(zhǎng)壽面、易清洗、高截留和高水通量的新型膜材料，從根本上解決全膜法水處理應(yīng)用中存在的問(wèn)題；

三是實(shí)現(xiàn)“超濾+反滲透+EDI”聯(lián)用，滿足一套設(shè)備從進(jìn)水到出水的一機(jī)多功能操作。實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)化連續(xù)運(yùn)行。簡(jiǎn)化操作，提高水利用率。

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