反渗透膜在工业锅炉补给水中的应用试验研究

李玉英 周建兴 莫家国 何星基 蔡国华 李盛好 苏小建 胡卫朋 罗习

【摘 要】文章介绍了目前工业锅炉补给水处理的方法及离子交换法与反渗透法处理锅炉补给水的现状，本项目采用反渗透膜处理工业锅炉补给水的工艺及关键技术和技术创新点，以及根据工业锅炉补给水特点设计制作的一套反渗透膜处理设备并进行1个月的连续应用试验。试验的结果可为反渗透膜在工业锅炉补给水中膜处理设备的小型、集成和工业化设计提供一定的参考。

【关键词】反渗透膜；锅炉补给水；应用试验

【中图分类号】TK227.8 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）10-0039-04

锅炉水处理的主要任务就是通过水质处理，防止因水汽品质不良而造成锅炉汽水系统腐蚀、结垢、积盐和污堵等现象的发生，提高锅炉的传热效率，确保锅炉安全、经济运行[1]。当水垢约1 mm时，就要多消耗5%的燃料；当水垢约4 mm时，就要多消耗12%的燃料；当水垢约7 mm时，燃料消耗增加到30%[2]。因此，锅炉补给水处理的好坏直接影响着锅炉的工作效率，只有做好锅炉的水质处理，进行水处理技术的不断革新，才能不断提高锅炉的工作效率，提升企业的经济效益。本文介绍了反渗透技术处理工业锅炉补给水的连续性试验研究结果，可以为反渗透膜在工业锅炉补给水中膜处理设备的工业化设计提供一定的参考。

1 工业锅炉补给水处理现状

1.1 工业锅炉补给水处理方法

工业锅炉补给水处理方法目前比较成熟的主要有反渗透法、阴阳离子交换除盐法、钠离子交换软化法、锅内加药法等。水处理方式选择不当会增加对环境污水的排放量。解决这一问题的对策就是采用更先进、合理的水处理方法。在较大的蒸汽锅炉中采用反渗透或部分反渗透加离子交换法的方法，减少或降低离子交换法处理的比例，从而达到减少再生液排放量的目的[3]。

1.2 工业锅炉补给水处理存在的问题

目前应用最为广泛的炉外水处理方法是离子交换器法，离子交换器可分为固定床离子交换器、浮动床离子交换器及移动床离子交换器等[4]。固定床离子交换的缺点是交换剂层再生前，上层交换剂早已呈失效状态，因此增大了交换剂的使用量，而且交换器不是连续运行的，不能始终保证水质良好。移动床离子交换的缺点是移动床对水质和水量变化的适应性差，只能在水量大且水质稳定的情况下才能使用，树脂在使用过程中反复磨损，容易损坏。流动床离子交换的缺点是设备高度较高，必须保证足够的空间，只适合在水质稳定的情况下使用，适用范围受到局限[5]。

反渗透是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。微滤膜、超滤膜、纳滤膜所截留的只是水中的某几种物质，而反渗透膜截留的对象是所有的离子，让水透过膜，出水为无离子水，可以直接应用于对水质要求高的生产线[1]。反渗透系统与传统离子交换系统比较，其优点是无需用酸碱再生，无再生废水；工人劳动强度降低；无需酸碱储备和酸碱稀释、运送设施、设备，降低了运行和维修成本；安装简单、安装费用较低；缺点是一次性投资较大[6]。

本项目对反渗透膜在工业锅炉补给水中的应用试验进行了研究。

2 反渗透膜处理工业锅炉补给水工艺试验

2.1 工艺流程

反渗透膜处理工业锅炉补给水工艺如图1所示。

锅炉补给水从调节阀V1进入水箱Ⅰ，当水位高于高水位时，调节阀V1自动关闭，当水位低于低水位时，调节阀V1重新启动；锅炉补给水中大颗粒物及不溶性物质在水箱Ⅰ中可以自由沉淀，通过调节阀V2进入排污管道排出。水箱Ⅰ中的锅炉补给水通过不锈钢多级泵的作用力进入到反渗透膜系统中，锅炉补给水在膜系统中进行选择性透过，渗透液通过渗透管道及流量计进入水箱Ⅱ中，水箱Ⅱ配有液位自动控制器，当渗透液过多、过量注入水箱Ⅱ时，水位高于高水位时，多功能泵将停止工作，当渗透液过少注入水箱Ⅱ时，水位低于低水位时，多功能泵将重新启动，达到锅炉用水标准的渗透水，通过调节控制阀V3进入锅炉供水管道。反渗透膜中不能透过的物质被截留将通过回流管道进入水箱Ⅰ中。

2.2 处理设备

反渗透膜处理工业锅炉补给水设备主要配件见表1，实样图如图2所示。

2.3 连续性试验

采用设计制作的反渗透膜处理设备对锅炉补给水进行1个月的连续性试验，测定水样通过反渗透膜处理设备的水质指标前后变化。

2.3.1 反渗透膜处理水样效果

试验数据见表2。

硬度、总碱度、浊度、电导率及pH都是表征水样水质的重要指标。硬度是指水样中钙镁离子的含量，钙镁离子含量大将引起水垢和水渣。总碱度及pH表征水样的酸碱特性指标。浊度表示溶液浑浊的程度和相对澄清度，是一种光学效应，它的大小由水样中固体悬浮物的浓度决定。电导率是衡量水中含盐量的主要指标，决定水溶液电导率的是溶液中离子的性质和浓度、溶液的温度和黏度等因素。由表2结果可知，锅炉补给水通过反渗透膜后，硬度、总碱度、浊度及电导率都有了一定的去除，去除率分别为98.96%、88.24%、56.18%、99.77%，溶液pH呈中性，处理后水样能达到工业锅炉水质相应的标准。因此可知，反渗透膜具有较好地处理和净化水质的特性，对溶液中的硬度、总碱度、浊度及電导率的去除起到良好的效果。

2.3.2 不同压力下对水样的处理效果

研究不同压力下反渗透膜处理锅炉补给水，处理后渗透水水质变化及反渗透膜对原水硬度、总碱度、浊度、电导率的去除率变化。实验结果见表3和图3。

由表3和图3可知，硬度、浊度和电导率随着反渗透膜压力的增大而降低。在压力为1.0 MPa的条件下，硬度、浊度和电导率的去除率分别达到99.37%、97.83%和99.89%。由此可知，利用反渗透膜基本可以去除水中的盐分及其他离子，去除效果显著。同时，反渗透膜对水质总碱度的去除率也很明显，去除率达94%，随着反渗透膜压力的增大，去除率没有很显著的变化。

2.3.3 反滲透膜处理设备最佳条件下对水样的处理效果

实验采用了反渗透膜对锅炉补给水进行处理，研究了反渗透膜处理锅炉补给水的最佳操作条件的选择，具体条件如下：压力为1.5～1.6 MPa，温度为35 ℃±1 ℃。实验结果见表4。

由表4可得，在温度为35 ℃±1 ℃下，压力P=1.6 MPa和P=1.5 MPa的水质处理效果基本一致，锅炉补给水的硬度、总碱度、浊度及电导率的去除率分别可达99.64%、94.12%、97.83%和99.90%，基本可以截留水样中的钙镁离子、盐分及微小颗粒。考虑到反渗透膜处理设备运行的经济性，在温度为35 ℃±1 ℃下，选择1.5 MPa的压力作为反渗透膜处理设备最佳运行压力。

2.3.4 反渗透膜处理设备连续运行中产水率、产水量对膜污染的情况

在膜处理设备连续运行中，随着产水量的增加，若循环水箱的水不向外排出，其循环水硬度将不断增加，膜会很快受到污染，产水速率下降，膜处理后的产水硬度也升高，产水水质降低，最后产水水质不能达标。因此，连续运行中产水率、产水量对膜污染影响很大。表5反映了反渗透膜处理设备连续运行中产水率、产水量对膜污染的情况。

从表5可看出，产水率在85.55%～98.00%时，达标的产水量在131.5～54.59 m3，反渗透膜处理设备连续运行天数不到10 d。产水率在79.12%～81.20%时，达标的产水量在478.7～415.0 m3，设备连续运行天数可到30 d。因此，控制产水率在80%，循环水排水率控制在20%，反渗透膜处理设备连续运行15 d后，对反渗透膜处理设备进行一次清洗，即反渗透膜处理设备每月清洗2次，可保证设备产水量在1 m3/h的状态下连续运行。

2.3.5 反渗透膜处理设备的清洗及其效果

由于反渗透膜处理设备连续运行是在碳酸钙地区进行，设备连续运行后反渗透膜上的污染物主要是碳酸钙垢，通常可选择酸洗方式除去膜上的污染物。试验中分别选择了2.0%盐酸和柠檬酸溶液清洗膜，但采用2.0%盐酸溶液清洗膜的效果不佳，而采用2%左右柠檬酸溶液清洗膜的效果很好。因此，试验中当产水硬度接近0.03 mmol/L时，用3.5～4.0 kg的柠檬酸溶解于200 L水中，用泵循环清洗膜1 h，再用自来水将循环水洗达pH为7左右，此时反渗透膜处理设备产水量的恢复率可至99%以上。

3 投资及运行费用比较

根据电厂锅炉给水处理系统中膜处理系统与离子交换处理系统投资和运行的统计分析，膜处理系统的1 t/h投资为4.13万元，离子交换处理系统的1 t/h投资为3.2万元，膜系统投资较离子交换系统高1.3倍。按照水处理系统每年运行7 000 h计算，膜处理系统处理1 t水的运行费用为0.59元；离子交换处理系统处理1 t水的运行费用为2.7元，膜系统运行费用仅是离子交换系统的0.22倍。

膜处理系统虽然一次性投资比离子交换处理系统的高，但是年运行费用要比离子交换处理系统的低很多，膜处理系统约8个月节约的运行费用即可收回初期多投部分的投资。因此，工业锅炉补给水中膜处理系统的推广应用具有显著的经济效益。

4 反渗透膜处理工业锅炉补给水工艺的关键技术及创新点

4.1 关键技术

4.1.1 选择最佳反渗透膜组件材料

实际工业锅炉补给水处理中选取膜材料时，可以综合考虑以下几方面因素：补给水的组成成分、所处理水的温度与pH值、膜材料构成的反渗透膜的机械强度与化学特性等。本项目选择确定具有低压、高通量和高抗污染特征的膜材料，作为反渗透膜为核心的工业锅炉补给水处理系统的主要部件，确保设备能够实现水质良好稳定、经济实用和节能的功能。

4.1.2 解决膜压自动控制及水质自动检测的控制方式

采用压敏在线检测和调频控制方式实现自动控制膜压及电导在线检测和出水旁路阀门控制方式实现水质自动控制，确保设备能够实现水质良好稳定。

4.2 技术创新点

选用低压、高通量和高抗污染特征的反渗透膜为核心的工业锅炉补给水处理系统，采用压敏在线检测和调频控制方式实现自动控制膜压及电导在线检测和出水旁路阀门控制方式实现水质自动控制，确保设备水质良好稳定、经济实用和节能的功能。

5 结语

采用反渗透膜处理工业锅炉补给水工艺应用试验研究列入桂林市科学研究与技术开发计划项目“工业锅炉补给水中的节能型膜处理设备研制”（项目合同编号：20120203）。应用该工艺及设备对工业锅炉补给水进行了1个月的连续试验，在最佳操作条件下，锅炉补给水的硬度、总碱度、浊度及电导率的去除率分别为99.64%、94.12%、97.83%和99.90%，水质处理效果显著，处理后的水质满足工业锅炉补给水要求。反渗透膜上的碳酸钙污垢，经柠檬酸溶液和水清洗后，产水量可恢复至99%以上。控制产水率在80%，循环水排水率控制在20%，反渗透膜处理设备连续运行15 d后，对反渗透膜处理设备进行一次清洗，即反渗透膜处理设备每月清洗2次，可保证设备产水量在1 m3/h的状态下连续运行。

采用反渗透技术处理工业锅炉补给水，可获得优质除盐水，完全满足锅炉水质的要求并且减少了再生用酸碱数量，有利于环保。本试验的结果可为反渗透膜在工业锅炉补给水中膜处理设备的小型、集成和工业化设计提供参考。

参 考 文 献

[1]陈勤华.探究锅炉水处理技术应用与进展[J].中国科技纵横，2013（13）.

[2]崔锦，亓海峰，杨洪斌，等.工业锅炉水处理检验与节能[J].中国质量技术监督，2016（2）.

[3]王利飞.锅炉水处理在节能减排中的重要作用[J].中外企业家，2015（14）.

[4]陈川，王国庆.工业锅炉水处理方法现状及发展趋势分析[J].科技致富向导，2014（36）.

[5]马欣.锅炉水处理方法的分析和比较[J].信息与电脑（理论版），2014（7）.

[6]蔡巧燕.反渗透技术在工业锅炉水处理中的应用[J].新疆有色金属，2015（A2）.

[责任编辑：陈泽琦]