鍋爐補(bǔ)給水除鹽系統(tǒng)周期制水量降低的原因分析及處理
【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】通過(guò)分析測(cè)量準(zhǔn)確性、設(shè)備、樹(shù)脂再生、水質(zhì)、樹(shù)脂性能等影響因素，確定陰樹(shù)脂受到有機(jī)物污染是造成某電廠鍋爐補(bǔ)給水一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水量降低的直接原因。提出并實(shí)施了三種處理方案，均不同程度地提高了周期制水量。比較并分析了三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)和效果差異的原因，堿性氯化鈉復(fù)蘇法的效果最佳，酸堿交替處理法可作為短期應(yīng)急方案。分析了陰樹(shù)脂受有機(jī)物污染的根本原因，提供了一個(gè)較為完整的除鹽系統(tǒng)周期制水量降低原因分析思路，提出了改善或解決樹(shù)脂受有機(jī)物污染問(wèn)題的措施。
本文針對(duì)某電廠鍋爐補(bǔ)給水一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水量降低問(wèn)題，從各方面影響因素分析了其主要原因，提出并實(shí)施了三種處理方案，解決了周期制水量降低問(wèn)題，并比較了三種處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)陰樹(shù)脂受有機(jī)物污染問(wèn)題分析了原因并提出了建議措施和研究方向，對(duì)該問(wèn)題的改善及解決具有一定的參考價(jià)值。
01 周期制水量異常降低情況簡(jiǎn)介
華中區(qū)域某電廠水源為江水，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)工藝流程為：原水→機(jī)械加速澄清池（僅投加聚合氯化鋁）→無(wú)閥濾池→機(jī)械過(guò)濾器→活性炭過(guò)濾器→陽(yáng)床→除二氧化碳器→陰床→混床→除鹽水箱。
鍋爐補(bǔ)給水一級(jí)除鹽系統(tǒng)（陽(yáng)床+陰床）共有三列，陽(yáng)樹(shù)脂均為001×7強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，陰樹(shù)脂均為201×7強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂。運(yùn)行時(shí)以陰床出水電導(dǎo)率超過(guò)5 μS/cm或二氧化硅含量超過(guò)100 μg/L為標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行樹(shù)脂再生程序。2019年12月，一級(jí)除鹽系統(tǒng)三列的周期制水量均持續(xù)為1 400～1500 m³左右，較往年同期的2 700～3000 m³有較大幅度下降，且陰床失效時(shí)二氧化硅高于100 μg/L，但電導(dǎo)率仍未到達(dá)5 μS/cm，周期制水量大幅度降低導(dǎo)致樹(shù)脂再生頻繁，除鹽水產(chǎn)量低，存在機(jī)組除鹽水補(bǔ)水量不足的風(fēng)險(xiǎn)。
02 周期制水量異常降低原因分析
通常，導(dǎo)致鍋爐補(bǔ)給水一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水量下降的原因主要有失效判定指標(biāo)測(cè)量的準(zhǔn)確性、設(shè)備、再生、水質(zhì)、季節(jié)變化、樹(shù)脂等方面。為此，從這六方面進(jìn)行了原因排查。
2.1 失效判定指標(biāo)測(cè)量的準(zhǔn)確性
一級(jí)除鹽系統(tǒng)通常以陰床出水電導(dǎo)率、二氧化硅含量和陽(yáng)床鈉離子含量作為失效判定標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)的準(zhǔn)確性直接影響失效終點(diǎn)的判斷，進(jìn)而影響周期制水量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。該電廠以一級(jí)除鹽系統(tǒng)陰床出水電導(dǎo)率、二氧化硅含量作為其失效判定標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)在線電導(dǎo)率表和硅表進(jìn)行校驗(yàn)、采用經(jīng)檢定的便攜式電導(dǎo)率表進(jìn)行比對(duì)、不同人員手工分析二氧化硅含量，確認(rèn)指標(biāo)測(cè)量準(zhǔn)確，可排除失效判定指標(biāo)測(cè)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致周期制水量統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確的可能。
2.2 設(shè)備因素
影響周期制水量降低的設(shè)備因素有：閥門(mén)內(nèi)漏、管道外漏、離子交換器內(nèi)部缺陷引起偏流等。通過(guò)排查，未發(fā)現(xiàn)與運(yùn)行及再生相關(guān)的閥門(mén)及管道存在內(nèi)漏、外漏現(xiàn)象，運(yùn)行時(shí)樹(shù)脂界面平整，無(wú)偏流。因此，可以排除一級(jí)除鹽系統(tǒng)設(shè)備本身問(wèn)題的影響。
2.3 再生因素
影響周期制水量的再生因素主要包括再生工藝和再生液質(zhì)量，具體為：再生方式（順流、逆流、動(dòng)態(tài)、靜態(tài)）、再生時(shí)間、再生液濃度、再生液流速、再生溫度、再生劑質(zhì)量。經(jīng)確認(rèn)，樹(shù)脂再生步序參數(shù)與往年相同，再生操作均按照規(guī)程進(jìn)行，周期制水量降低期間再生液的溫度雖然較其他時(shí)間低，但與往年同期相當(dāng)。而且每批次再生所用酸堿的入廠驗(yàn)收結(jié)果顯示酸堿質(zhì)量符合要求，且其各項(xiàng)驗(yàn)收指標(biāo)無(wú)明顯變化，因此可排除再生因素對(duì)周期制水量的影響。
2.4 水質(zhì)因素
電廠取水水源固定，查閱電廠近三年的原水水質(zhì)全分析報(bào)告，其中的部分指標(biāo)如表1所示。可見(jiàn)，每年12月份原水的含鹽量較6月份高，但每年同期的原水含鹽量無(wú)明顯變化，但有機(jī)物含量（COD）呈上漲趨勢(shì)。檢測(cè)活性炭過(guò)濾器出水的COD為6 mg/L左右（見(jiàn)表2），已超出《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL 5068—2014）規(guī)定的陽(yáng)離子交換器進(jìn)水COD要求（＜2 mg/L）。因此可排除原水含鹽量因素對(duì)周期制水量的影響，但有機(jī)物含量升高這一因素可能導(dǎo)致離子交換器樹(shù)脂受到污染而影響周期制水量。
2.5 季節(jié)因素
季節(jié)主要影響原水水質(zhì)和再生溫度，由于本次周期制水量降低是與往年同時(shí)期相比較，通過(guò)上述再生因素和水質(zhì)因素的分析，可排除季節(jié)因素造成本次周期制水量異常降低的可能。
2.6 樹(shù)脂因素
樹(shù)脂的性能會(huì)直接影響周期制水量，為此取一級(jí)除鹽系統(tǒng)第一列的陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂進(jìn)行檢測(cè)分析。目視陽(yáng)樹(shù)脂為金黃色，較出廠初始顏色無(wú)明顯加深；陰樹(shù)脂為深棕色，較初始顏色嚴(yán)重加深。將陰樹(shù)脂用堿性氯化鈉（4%NaOH+10%NaCl）溶液浸泡后，溶液呈棕褐色（見(jiàn)圖1）。
參照《火力發(fā)電廠水處理用001×7強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 673—2015）和《火力發(fā)電廠水處理用201×7強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂報(bào)廢技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 807—2019），對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行了檢測(cè)分析，結(jié)果如表3所示。陽(yáng)樹(shù)脂各項(xiàng)指標(biāo)正常，但陰樹(shù)脂的有機(jī)物含量（以CODMn計(jì)）高達(dá)7 914.9 mg/L，已達(dá)到DL/T 807-2019中“CODMn≥2 500 mg/L”的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。
陰樹(shù)脂被有機(jī)物污染后，一般呈現(xiàn)以下特征：
①樹(shù)脂顏色加深，由最初的淡黃色或乳白色變?yōu)樯钭厣⒆睾稚蛘吆诤稚?/p>
②再生時(shí)正洗用水量增加，周期制水量降低；
③出水電導(dǎo)率升高、pH下降；
④出水中硅含量增大，陰床提前漏硅；
⑤工作交換容量下降。
將該電廠一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水量下降后的特征與上述特征進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂顏色、浸泡液顏色、出水水質(zhì)變化、有機(jī)物含量等方面與陰樹(shù)脂受有機(jī)物污染后的特征基本一致。
2.7 小結(jié)
通過(guò)上述各方面影響因素分析，確定陰樹(shù)脂受到有機(jī)物污染是導(dǎo)致該電廠一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水量下降的直接原因。
03 陰樹(shù)脂受有機(jī)物污染原因分析
天然水中能引起陰樹(shù)脂污染的有機(jī)物主要是腐植酸和富里酸兩類物質(zhì)，結(jié)構(gòu)上帶有許多苯環(huán)、羧基和羥基等，屬于羧酸類混合物，分子尺寸大小不一。當(dāng)含有機(jī)物的水通過(guò)陰樹(shù)脂時(shí)會(huì)發(fā)生以下三種相互作用：
①陰樹(shù)脂對(duì)有機(jī)物的關(guān)卡作用，主要為尺寸較大的有機(jī)物經(jīng)過(guò)樹(shù)脂內(nèi)部孔道較小的部位時(shí)被卡住。
②陰樹(shù)脂對(duì)有機(jī)物的離子交換作用，有機(jī)陰離子與樹(shù)脂內(nèi)部的功能基團(tuán)以化學(xué)鍵結(jié)合在樹(shù)脂內(nèi)部。
③陰樹(shù)脂對(duì)有機(jī)物的物理吸附作用，基于相似相容原理，目前廣泛使用的苯乙烯系陰樹(shù)脂與水中有機(jī)物的疏水性芳環(huán)之間存在較強(qiáng)的范德華引力和離子力。
根據(jù)文獻(xiàn)可知，混凝澄清對(duì)懸浮態(tài)有機(jī)物的去除效果較好，但對(duì)溶解態(tài)有機(jī)物的去除率極低，活性炭對(duì)天然水中有機(jī)物的去除率為20%左右，但活性炭吸附的吸附能力隨著使用會(huì)逐步降低直至無(wú)效，活性炭如果不更新或者再生，最終其對(duì)有機(jī)物幾乎無(wú)去除能力。該電廠采用混凝和活性炭過(guò)濾器預(yù)處理工藝，對(duì)有機(jī)物具有一定的去除效果，但活性炭已使用近4年時(shí)間，未更換，只定期反洗。由活性炭過(guò)濾器出水COD測(cè)試數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）可知，活性炭過(guò)濾器出水COD較原水僅稍有降低，去除有機(jī)物效果較差，未被去除的有機(jī)物會(huì)與陰樹(shù)脂發(fā)生上述3種相互作用，而且原水有機(jī)物含量逐年上漲，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行累積，越來(lái)越多的有機(jī)物會(huì)存于陰樹(shù)脂中，最終導(dǎo)致陰樹(shù)脂受有機(jī)物污染，且常規(guī)再生方法不能將其恢復(fù)至正常水平。
04 三種處理方案及效果對(duì)比
針對(duì)受有機(jī)物污染的陰樹(shù)脂，可對(duì)其進(jìn)行復(fù)蘇處理來(lái)恢復(fù)其原有的性能，常見(jiàn)的復(fù)蘇方法有：堿性氯化鈉復(fù)蘇法、氧化劑復(fù)蘇法、有機(jī)溶劑復(fù)蘇法等，其中以堿性氯化鈉復(fù)蘇法最為常見(jiàn)。由于該電廠一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水量下降近一半，存在機(jī)組除鹽水供應(yīng)不足的風(fēng)險(xiǎn)。而堿性氯化鈉復(fù)蘇法中氯化鈉需要采購(gòu)周期，且水處理車間無(wú)專用復(fù)蘇設(shè)備，為盡快提高周期制水量，保障除鹽水供應(yīng)，對(duì)一級(jí)除鹽系統(tǒng)的三列陰樹(shù)脂先后分別進(jìn)行了以下處理方案：再生工藝改進(jìn)法、酸堿交替處理法、堿性氯化鈉復(fù)蘇法。
4.1 再生工藝改進(jìn)法
再生強(qiáng)堿陰樹(shù)脂時(shí)，提高再生劑用量、再生時(shí)間（樹(shù)脂與再生劑的接觸時(shí)間）和再生液溫度可以改善除硅效果，提高樹(shù)脂的再生度和工作交換容量。由于該廠地處華中地區(qū)，水處理車間未配備熱水罐，無(wú)法加熱再生液，故采用“提高再生劑的用量和再生時(shí)間”的改進(jìn)再生工藝進(jìn)行處理，具體為：陰樹(shù)脂再生時(shí)再生液NaOH溶液的濃度由此前的3.0%提高至4.5%，再生液輸送完畢進(jìn)行置換步驟之前，增加靜置浸泡6 h，使再生液與陰樹(shù)脂充分接觸。采用改進(jìn)后的再生工藝再生、運(yùn)行2個(gè)周期后恢復(fù)至正常的再生工藝。
4.2 酸堿交替處理法
酸堿交替處理法步驟類似于新陰樹(shù)脂使用前的預(yù)處理工藝，通過(guò)酸堿交替處理使樹(shù)脂轉(zhuǎn)型時(shí)的體積漲縮將樹(shù)脂孔徑內(nèi)的有機(jī)物釋放出來(lái)。酸堿交替處理法的主要步驟如下：
（1）對(duì)陰樹(shù)脂進(jìn)行反洗，去除雜物和細(xì)小的樹(shù)脂顆粒，直到反洗出水澄清止。
（2）通入4.5%的NaOH溶液，流量15 m³/h，當(dāng)出口濃度接近4%時(shí)，停止通入并浸泡8 h以上，然后用陽(yáng)床出水或除鹽水沖洗至出水pH為7～8。
（3）通入4.5%的HCl溶液，流量15 m³/h，當(dāng)出口濃度接近4%時(shí)，停止通入并浸泡8 h以上，然后用陽(yáng)床出水或除鹽水沖洗至出水pH為7左右。
（4）按照樹(shù)脂再生工藝對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生，其中再生液NaOH溶液的濃度由日常運(yùn)行再生時(shí)的3.0%提高至4.5%。
（5）樹(shù)脂處理完畢后投入運(yùn)行，此后樹(shù)脂失效后的再生按照正常再生工藝進(jìn)行。
4.3 堿性氯化鈉復(fù)蘇法
堿性氯化鈉復(fù)蘇法一般采用4%NaOH+10%NaCl混合液在溫度40～45 ℃下對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)蘇。該方法利用鹽和堿對(duì)樹(shù)脂中有機(jī)物的溶解和交換作用，將有機(jī)物洗脫下來(lái)。由于該電廠水處理車間未配備熱水罐，只能采用常溫（除鹽水水溫約10 ℃）進(jìn)行復(fù)蘇，主要步驟如下：
（1）將樹(shù)脂儲(chǔ)存罐作為溶藥罐，用于配制4%NaOH+10%NaCl混合液，從溶藥罐人孔門(mén)加入NaOH、NaCl的同時(shí)進(jìn)除鹽水，并接入壓縮空氣攪拌溶解均勻。
（2）對(duì)陰樹(shù)脂進(jìn)行反洗，去除雜物和細(xì)小的樹(shù)脂顆粒，直到反洗出水澄清止。
（3）利用臨時(shí)管路和加藥泵將復(fù)蘇液輸送至陰床中，當(dāng)復(fù)蘇液上升到中視孔中上部位置時(shí)停加藥泵，樹(shù)脂在復(fù)蘇液中浸泡12 h后排空復(fù)蘇液，并用2倍陰床體積的沖洗水沖洗樹(shù)脂。
（4）考慮到復(fù)蘇液溫度較低，為提高復(fù)蘇效果，重復(fù)上述步驟2和步驟3，再進(jìn)行一次復(fù)蘇處理，完畢后直接用陽(yáng)床出水沖洗陰床至陰床出水電導(dǎo)率小于5 μS/cm。
（5）按照樹(shù)脂再生工藝對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生，其中再生液NaOH溶液的濃度由日常運(yùn)行再生時(shí)的3.0%提高至4.5%。
（6）樹(shù)脂處理完畢后投入運(yùn)行，此后樹(shù)脂失效后的再生按照正常再生工藝進(jìn)行。
4.4 三種處理方案的效果對(duì)比及分析
受有機(jī)物污染后的一級(jí)除鹽三列陰樹(shù)脂分別先后采用上述三種處理方法后，運(yùn)行7個(gè)周期后，其周期制水量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。
由表3可知，相對(duì)于處理前的周期制水量1 400～1 500 m³，三種處理方案均可不同程度地提高周期制水量，其中堿性氯化鈉復(fù)蘇法的處理效果最佳，周期制水量可恢復(fù)至3 000～3 200 m³，并且已略微超過(guò)往年同期水平（2 700～3 000 m³）。
根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，影響樹(shù)脂中有機(jī)物洗脫效果的主要因素為樹(shù)脂體積變化和洗脫液的酸堿性。首先，樹(shù)脂收縮程度越高，有機(jī)物的去除效果越好。當(dāng)樹(shù)脂顆粒收縮時(shí)，周圍離子向樹(shù)脂內(nèi)部的滲透壓降低，憑借范德華力吸附在樹(shù)脂上的有機(jī)物在擠壓的作用下被剝離下來(lái)，因此通過(guò)調(diào)整復(fù)蘇液的組成使樹(shù)脂發(fā)生膨脹與收縮可提高有機(jī)物的洗脫效果。其次，在堿性環(huán)境下，一方面樹(shù)脂骨架上結(jié)合的有機(jī)物可被氫氧根交換下來(lái)，另一方面大分子有機(jī)物（弱有機(jī)酸）可被轉(zhuǎn)化為離子態(tài)有機(jī)物，其可移動(dòng)性增加，因此提高NaOH的濃度可降低有機(jī)物與樹(shù)脂的結(jié)合強(qiáng)度，從而改善有機(jī)物的洗脫效果。
對(duì)于上述三種復(fù)蘇方案，再生工藝改進(jìn)法通過(guò)提高NaOH的濃度來(lái)改善有機(jī)物的洗脫效果，周期制水量有所提升。酸堿交替處理法在此基礎(chǔ)上增加了一次樹(shù)脂轉(zhuǎn)型時(shí)的溶脹、收縮過(guò)程，處理效果進(jìn)一步改善。而堿性氯化鈉復(fù)蘇法則又增加了無(wú)數(shù)次的溶脹、收縮過(guò)程，當(dāng)樹(shù)脂浸泡在堿性氯化鈉復(fù)蘇液中時(shí)，除了離子交換作用，還通過(guò)NaOH和NaCl的無(wú)數(shù)次交替作用，在反復(fù)收縮和膨脹過(guò)程中產(chǎn)生擠壓力，破壞有機(jī)污染物和樹(shù)脂骨架之間的范德華力，從而使有機(jī)物從樹(shù)脂內(nèi)部擠壓出，大大提高了有機(jī)物的洗脫效果，因此其效果較其余兩種方案更好。
就三種處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)而言，堿性氯化鈉復(fù)蘇法的效果最佳，但需要額外采購(gòu)藥劑、安裝臨時(shí)管路和加藥泵，工作量較其余兩種方案更大；酸堿交替處理法的效果適中，該方法可直接利用現(xiàn)有的設(shè)備和藥品，操作更為簡(jiǎn)捷，可作為應(yīng)對(duì)有機(jī)物污染導(dǎo)致陰樹(shù)脂周期制水量降低的應(yīng)急使用方案。
05 結(jié) 語(yǔ)
隨著天然水體水質(zhì)惡化、城市中水和廠內(nèi)廢水回用比例逐步增大，有機(jī)物污染已成為離子交換樹(shù)脂應(yīng)用所面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。本文針對(duì)鍋爐補(bǔ)給水一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水量降低問(wèn)題，通過(guò)各方面影響因素的分析，查明了陰樹(shù)脂受到有機(jī)物污染是直接原因，原水有機(jī)物含量逐年上漲且預(yù)處理工藝對(duì)有機(jī)物的去除率低是根本原因。通過(guò)采取三種處理方案，均不同程度地提高了周期制水量，其中堿性氯化鈉復(fù)蘇法的效果最佳。
雖然通過(guò)定期樹(shù)脂復(fù)蘇可恢復(fù)樹(shù)脂部分性能，但未徹底解決樹(shù)脂有機(jī)物污染問(wèn)題。對(duì)于不同類型有機(jī)物污染的樹(shù)脂，同一復(fù)蘇液配方的效果可能存在較大差異，因此實(shí)際中可能還需要進(jìn)行篩選試驗(yàn)對(duì)復(fù)蘇液配方進(jìn)行調(diào)整，或者輔助專門(mén)的化學(xué)藥劑進(jìn)行處理。為改善樹(shù)脂受有機(jī)物污染問(wèn)題，基于現(xiàn)有成熟技術(shù)，可從以下幾方面進(jìn)行考慮：
①在離子交換器前的預(yù)處理工藝中增加氧化處理、絮凝處理、活性炭、膜系統(tǒng)等可以部分去除有機(jī)物的工藝；
②水處理車間增加再生用熱水罐，并每年對(duì)強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂復(fù)蘇1次；
③使用抗有機(jī)物污染更強(qiáng)的樹(shù)脂，例如丙烯酸系強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂。而研發(fā)高效去除補(bǔ)給水中有機(jī)物的新型工藝、研究合成抗有機(jī)物污染強(qiáng)的新型樹(shù)脂，可作為一個(gè)研究方向，從而徹底解決樹(shù)脂的有機(jī)物污染問(wèn)題。
作者：王 浩；作者單位：中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗(yàn)研究院。
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