摘 要

锅炉系统是电厂不可或缺的一个组成部分，它对发电的质量和效率都有着很大的影响。其中，如果锅炉水中含有杂质过多会使锅炉结垢或者对锅炉产生腐蚀，从而影响传热效率和锅炉性能。因此需要做好锅炉化学水的处理工作。在传统的锅炉水处理方式即离子交换法存在着部分矿物离子无法有效分离、对锅炉炉体腐蚀性与污染性大、造成浪费与成本提高等突出问题，因此在锅炉水处理中已经逐步被生产企业淘汰，而取而代之的是反渗透水处理技术。反渗透水处理技术具有在常温下操作、无相变、能耗低、设备结构紧凑、占地少、自动化程度高等特点，在诸多水处理技术中被认为是最先进的方法之一。本文对现有的电厂锅炉化学水的处理工艺进行了分析，并在预处理、反渗透膜及工艺流程等方面提出了优化方案。同时本文利用电厂具体案例的运行数据，得到反渗透装置处理化学水的效果数据和经济效益等方面的分析结果，说明反渗透装置方案水处理效果较离子交换法更环保，科学，危险性低，同时成本低，经济效益好。

关键词：反渗透；化学水处理；预处理；工艺优化

Abstract

Boiler system is an indispensable part of power plant, which has a great impact on the quality and efficiency of power generation. Among them, if there are too many impurities in the boiler water, the boiler will scale or corrode the boiler, thus affecting the heat transfer efficiency and boiler performance. Therefore, the boiler chemical water treatment work needs to be done well. In the traditional boiler water treatment method, ion-exchange method, there are some prominent problems, such as the failure of effective separation of mineral ions, the corrosion and pollution of the boiler body, the waste and cost increase, etc., so the boiler water treatment has been gradually eliminated by manufacturers, and the reverse osmosis water treatment technology has been replaced. Reverse osmosis water treatment technology has the characteristics of normal temperature operation, no phase change, low energy consumption, compact equipment structure, small footprint, high degree of automation, and is considered to be one of the most advanced methods in many water treatment technologies. In this paper, the existing chemical water treatment technology of power plant boiler is analyzed, and the optimization scheme of pretreatment, reverse osmosis membrane and process flow is put forward. At the same time, this paper USES the operation data of specific cases of the power plant to get the analysis results of the data and economic benefits of the reverse osmosis treatment of chemical water, indicating that the reverse osmosis treatment is more environmentally friendly, scientific and less dangerous than ion exchange method, at the same time, the cost is low and the economic benefits are good.

Key Words：Reverse osmosis；Boiler chemical water treatment；pretreatment；Process

目录

第1章 绪论 7

1.1电厂用水概况 7

1.2电厂化学水处理的意义 8

1.3电厂化学水处理的基本内容 9

1.4课题研究意义 10

1.5国内外研究现状 10

第2章 离子交换法水处理技术 12

2.1 离子交换法原理 12

2.2 离子交换树脂 12

2.3离子交换法的工艺流程 13

2.4 离子交换法的缺点 13

第3章 反渗透水处理理论基础 14

3.1 膜分离处理技术 14

3.1.1膜科学技术的历史 14

3.1.2 膜分离技术的分类 14

3.2 反渗透的基本原理 16

3.2.1 渗透与渗透压 16

3.2.2反渗透 17

3.3 反渗透膜 17

3.3.1反渗透膜的性能要求与指标 17

3.3.2 膜运行条件的影响因素 19

3.3.3膜的材料和结构特点 19

3.3.4膜表面的浓差极化 20

3.3.5膜污染及清洗 20

第4章 反渗透水处理系统 22

4.1 反渗透预处理 22

4.1.1预处理的目的 22

4.1.2预处理的方法 22

4.1.3 预处理的优化设计 22

4.2 反渗透系统工艺流程 23

4.2.1 混凝剂加入装置 23

4.2.2 多介质过滤器 23

4.2.3 阻垢剂加入系统 23

4.2.4 保安过滤器 24

4.2.5 反渗透装置 24

4.2.6 化学清洗系统 24

4.2.7 除碳器 24

4.2.8 混合离子床装置 24

4.2.9 混合离子床再生装置 24

4.3 反渗透系统的运行 25

4..4渗透系统的优化 27

4.4.1预处理的优化 27

4.4.2反渗透装置优化 27

4.5 反渗透水处理技术与离子交换法经济对比 28

4.5.1 工艺流程对比 28

4.5.2 工艺可靠性对比 29

4.5.3 建设投资对比 30

4.5.4 运行成本对比 30

第5章 结论 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1电厂用水概况

不论中国还是外国，电厂用水量都是十分巨大的，一座装机容量在一千兆瓦的火电厂一天可以耗水约十万吨，差不多相当于一个中小型城市一天的用水量。在上世纪九十年代，我国电厂平均耗水量在1.64m³/(S·G·W)，相比于国外电厂平均耗水量仅为0.9m³/(S·G·W)的水平，是偏高的。而随着技术的向前迈进，如今我们国家电厂耗水量有所降低，但是与发达国家仍有不小的差距。我国的水资源尤其是在北方地区是比较稀少的，而随着国家的经济发展，用水量每年都在大幅增加。因此，许多北方地区甚至在地表水资源较丰富的南方沿海地区都在不断的没有规划的开采地下水资源，这直接引起了地面沉降和土地沙漠化等诸多问题。而在我国东部及南部地区大部分电厂直接取水自河流，但由于目前环境污染严重，河流的水质也受到严重影响并有恶化的倾向，这直接导致电厂水处理的技术难度不断增大，甚至需要直接废弃水源的引用。海水由于含盐量高，只能用作冷却水，无法引用为工业用水和生活用水。因此，水质问题已经成为电力生产的一个重要影响因素^[1]。

在热电厂中，锅炉水吸收热量转变为可以对外做功的蒸汽，被导入汽轮机内做工，推动发电机转动将机械能转变成为电能。因此在发电过程中，水是非常重要的介质，在锅炉中水传递了热能，而在汽轮机中水有需要作为冷却工具使用，同时还有洗涤用水等其他用途。不同的工艺对水质的要求也不尽相同，因此对水处理的要求也不同。而在使用之后水也会掺杂入各种杂质、污染物，使水质发生变化，此时也可以通过水处理工艺回收废水来进行重新利用，节约用水。

根据电厂里水的用途不同，可以将其分为冷却水、锅炉补给水、冲渣水、生活用水和其他用水等几部分。

1. 冷却水。在冷却设备中运用的系统成为冷却水系统。热电厂冷却水可以分为直流冷却水系统、敞开式循环冷却水系统和密闭式循环冷却水系统。一般沿海或大江大河沿岸的电厂才会采用直流冷却水系统。因此，我国大部分电厂采用的是敞开式循环冷却水系统。这种冷却水系统中汽轮机凝汽器用水量是最多的，可以占到总用水量的70%。而除了凝汽器之外，冷油器、空气冷却器、空调设备等的耗水量也是十分可观的。使用之后的冷却水水质基本不会发生变化，它的温度对于系统过来说基本没有影响，可以经过冷却塔的降温操作之后重新再利用，同时在降温时会有蒸发、渗漏及飞溅等造成水量损失。而冷却水循环过程中的盐分也会不断地积累，因此需要排出盐量过高的污水补充一定的清水来防止盐在设备的表面析出固体。循环冷却水系统的节水方案一般考虑两个方向：一是采取一些措施使冷却水系统不那么容易结垢，提高浓缩倍率；二是对派出的污水进行重新处理利用，生产的谁作为补充水或锅炉补给水系统的水。循环水系统的损失主要由蒸发、风吹荷排污导致，蒸发损失无法避免，不可回收，二风吹损失已通过技术逐步降低，因此电厂冷却水循环系统的排污水回收利用成为了节水方案的关键部分。
2. 冲灰水。这部分水通常占到电厂的用水量的五分之一到五分之二，其关键在于灰水的比例，一般的电厂多在1：10以上，比较多的在1：15作呕，有的可以达到1：20甚至可以更高。而随着大型的机组投入运行，配置了浓缩灰浆泵除灰，近年来电厂的灰水比可以达到1：2.5，因此冲灰水的用量也可以大大的降低。但是由于灰水比小，管道会结垢且磨损严重，污染物浓度增大^[2]。对水质要求较低，可以用排污水来作为水源达到节水的目的。
3. 锅炉补给水。锅炉用水供给锅炉生产蒸汽，其包括回用的补充水和冷凝水。这中间含有制取高纯的锅炉补充水所用到的谁，约占电厂总用水量的3%。锅炉补给水的处理又可称为炉外水处理，主要的工艺包括对原水的预处理，除去水中的悬浮物、胶体杂质和有机物等杂质，并对净化的水进行脱盐脱气处理。当代热电厂的设计运行的过程中，一个不可缺少的部分就是为高参数大容量的锅炉制备高纯补给水。传统预处理方法有混凝澄清、机械过滤等。纯水的制备工艺方法一般是离子交换法、化学除盐法等或者将其结合。如今工业发展迅速，耗水量也越来越大，然而没有足够的满足要求的水源提供生产，因此部分电厂被迫采用杂质含量更高的水源。这样使得离子交换树脂被污染或者直接降解，大大降低了设备的除盐能力，增加的总的酸碱消耗量，成本大幅上升。因此目前的解决办法是采用反渗透水处理系统，其被认为是一种节能环保的高效水处理方法。
4. 生活用水。其包括厂区的生活用水、生活区的生活用水以及厂区绿化灌溉等公共设施的用水。

1.2电厂化学水处理的意义

热电厂的不断发展是人们意识到，水的品质是影响电厂热备安全与经济运行的重要因素之一。当没有经过处理的天然水或处理不到位的水进入循环系统之后，因为各种杂质的存在会引起许多危害^[3]。

1. 热力设备的结垢。如果水质低劣，在其机内锅炉等热交换器设备后，运行一段时间便会在受热面上生成水垢。它不仅危害设备安全运行，有一定的危险性，也会对锅炉的传热性能也有一定的影响，燃料燃烧的热量无法很好的传递给锅炉，同时烟气会带走一部分热量，这就使得排烟热损增加，对于锅炉的出力和蒸汽品质产生了一定的影响，大大降低了电厂发电的经济性。根据相关调查研究的结果，我们了解到当锅炉受热面的水垢厚度达到1mm的时候，会消耗8~10%的燃料所产生的热量，此时不仅无法提高资源的使用效率，更对于工作的质量也有影响。水垢的产生会使得锅炉运行的出力和热效率都发生变化。为了使锅炉达到原有的工作效率，电厂一般会采取加大燃料用量和引风风量的措施来提高炉膛温度使得换热可以更加有效。相关的研究数据表明，到1MPa运行压力时的锅炉水冷壁结构厚度达到3mm的时候，壁温会从280℃提高至580℃，这其中的温度差会使得钢材抗拉强度降低到1000MPa。在正常工作中的锅炉管应用温度是不会超过350℃，一旦温度过高，对于整个锅炉的安全运作会产生一定的影响，因为当锅炉应用温度超过450℃的时候会出现蠕变的现象，最终会出现锅炉反复爆管的现象，这使得整个工作都会受到一定的影响。
2. 热力设备腐蚀。热力发电厂的设备、压力容器、压力管道的金属内壁、部件经常会与水接触，如果水质不好，很容易金属被腐蚀。腐蚀不仅会让设备、容器、管道泄漏物料，缩短使用期限，造成经济损失，并且由于金属腐蚀产生的杂质会进入水中，使高热负荷受热面上的水垢更容易生成，生成的水垢又会加剧压力容器、压力管道的腐蚀，形成恶性循环。
3. 汽轮机的积盐。水质比较差的情况下不仅会使锅炉产生大量杂质，并且会沉积在蒸汽通过的各个部位，比如在汽轮机通流部分这种现象称为积盐。汽轮机通流部分积盐会大大降低汽轮机的做功能力和热效率，也会导致汽轮机推力瓦温度升高，严重时轴向位移保护动作，必须故障停机。为了保证热力系统中有良好的水质，必须对水进行正确净化处理和严格监督汽水质量^[4]。

1.3电厂化学水处理的基本内容

电厂化学水处理是为了保证水的良好品质，使其在进入热力系统时不会导致设备和设备间的管道结水垢、被腐蚀或积盐。所以在电厂中，化学水的处理工作是十分重要的，其不仅可以保证电厂运行安全更可以是电厂更加经济地运行。化学水处理工作主要包括以下内容：

1. 净化原水。预处理操作，即除去水源中的悬浮物、胶体杂质、固体杂质等；软化处理，即除去水中溶解的钙、镁等离子；除盐处理，即除去水中所有溶解的盐。
2. 对补给水进行除氧和加药等处理。
3. 对锅炉水进行加药处理并排污。
4. 对汽轮机的凝结水进行净化处理。
5. 对循环使用的返回水进行除油除铁等净化处理。
6. 对冷却水进行防垢、防腐和去除有机物等处理。

1.4课题研究意义

随着科技的不断进步，我国的发电事业也在大步迈进得发展。大部分发电厂均为热电厂，因此对锅炉化学水处理技术的研究是十分重要的。化学水的水质对锅炉运行的安全和经济性造成不小的影响，如果没有及时将水质处理好，可能会在后期的工作中出现一些问题，造成一些不必要的损失。

在传统的电厂锅炉水处理运行中，锅炉化学水处理的常用技术为离子交换技术。但这种传统方法存在着部分矿物离子无法有效分离、对锅炉炉体腐蚀性与污染性大、造成浪费与成本提高等突出问题。正因为离子交换技术在使用中具有以上的问题，因此在锅炉水处理中已经逐步被生产企业淘汰。取而代之的是反渗透水处理技术。本文对反渗透技术进行了一定的研究分析，了解到反渗透过滤技术与传统钠离子交换技术相比较，具有以下的的数据优势。一是反渗透技术95——98%的净化效果远远高于钠离子交换技术，且这一技术可以对水质中的各种离子进行有效净化，净化效果远远高于钠离子交换技术。二是由于反渗透技术净化效果较好，进而减少了水垢、水腐蚀等问题的产生，提高了锅炉运行效率，降低了其维护成本。三是水质净化效果的提升，可以锅炉的排污率降至1%以下，进而减少了生产中的污染性^[5]。

因此，反渗透水处理技术可以充分利用水资源，达到节水减排的目的，对环境保护，电厂的经济性都具有重要的意义。

1.5国内外研究现状

从1950年美国佛罗里达大学的Reid和Hassler等人提出了反渗透海水淡化，1953年在实验室证实了醋酸纤维素膜的脱盐能力后，于1960年，美国加利福尼亚大学的Leob和Sourirajan研制出了世界上第一张不对称醋酸纤维素膜，从而使反渗透膜应用于工业制水成为可能。而上世纪七十年代，美国的加利福尼亚21世纪水厂便将反渗透技术应用于污水处理中。1974年日本也建成了处理能力为100m³/d的反渗透试验厂，验证了反渗透技术的一种回收污水的有效方法。

随着科技发展，电厂工艺水平逐渐提高，对水质的要求也越来越高，因此反渗透技术也逐渐应用到了电厂化学水的处理中。我国于20世纪60年代也开始研制反渗透膜，并于70年代后期首次应用于电厂水处理中，之后便越来越广泛地推广应用。大连泰山热电厂生产用水通过对马栏河污水处理厂排放的水进行澄清、过滤、超滤、反渗透等深度处理后，用作电厂的循环冷却水和锅炉补给水。同时其采用全膜法代替离子交换技术处理锅炉补给水，取得了工业生产和环境保护的效益，其每天节约水约两万吨，无污染物排放，十分环保。

纵观发展趋势，反渗透技术的发展方兴未艾，前景十分远大。

第2章 离子交换法水处理技术

2.1 离子交换法原理

离子交换法水处理技术是将水中溶解的盐离子与离子交换树脂进行离子交换反应，从而除去大部分的离子态杂质，其是发生在固态树脂与溶液基础界面之间的可逆反应。水中含有的阳离子大部分与阳离子交换树脂反应之后，水中便只含阳离子交换树脂上的一种阳离子；同理，当水中的阴离子与阴离子交换树脂进行反应滞后，水中也只存在阴离子交换树脂交换下来的一种阴离子^[6]。例如：

RNa Ca² →R₂Ca 2Na

反应之后水中的钙离子被吸附到了离子交换树脂上，同时树脂上的钠离子进入水中，这样便出去了水中的钙离子。离子交换树脂在使用之后，还可以用钠盐溶液再生再利用，因此离子交换法也有很高的使用价值。而如果阳离子交换树脂是氢型的，阴离子树脂是氢氧型的，则交换下来的的氢离子和氢氧根离子便可以结合成水，从而几乎完全除去水中的离子，生产高纯水。离子交换水处理技术发展早，工艺成熟，应用十分广泛。

2.2 离子交换树脂

离子交换树脂是一种透明或半透明的高分子材料，他能显示离子交换功能，有在交联结构的高分子基体上以化学键结合着交换基团的固定离子及以离子键与固定离子结合的符号相反的离子组成。反离子在溶液中可以离解，并在一定条件下可以与其他符号的离子进行交换，所以是可逆过程，其在一定条件下可以解吸，是离子交换树脂恢复到原来的离子式，所以离子交换树脂可以反复再生使用。

目前大多数离子交换树脂是苯乙烯系大孔离子交换树脂。以苯乙烯-二乙烯苯共聚体和丙烯酸及其衍生物与二乙烯苯的共聚体为基体。高分子基体中必须加入一定量的起交联作用的交换剂，才能保证离子交换树脂在加热、酸、碱、有机物等条件下不溶解。在高分子基体引入可交换的基团后，即可得到离子交换树脂^[7]。

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