反滲透后離子除鹽系統(tǒng)中除碳器設(shè)置必要性探討

PAGE4-反滲透后離子除鹽系統(tǒng)中除碳器設(shè)置必要性探討張鳳琴東北電力設(shè)計院（吉林長春130012）[摘要]：針對反滲透裝置對游離態(tài)CO2幾乎沒有去除能力的情況，以反滲透+離子交換除鹽工藝為基礎(chǔ)，分析了游離態(tài)CO2對陰離子交換器運(yùn)行的影響，并通過計算，求得了為提高除鹽系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性而需設(shè)置除碳器時的最低游離態(tài)CO2濃度，為設(shè)計和系統(tǒng)分析提供了一定的依據(jù)。[關(guān)鍵詞]：反滲透游離態(tài)CO2除碳器陰離子交換器Discussthenecessaryforsettingde-carbonatorinion-exchangeseriesafterreverseosmosisequipmentZhangFeng-QinNorthEastElectricPowerDesignInstitute（JinLinChangChun130012）[Abstract]：Sincereverseosmosis(RO)equipmenthasnoabilitytoremovalfreecarbondioxide，basedonthereverseosmosis(RO)+ion-exchange-desalttechnical,analyzingtheinfluencerunperiodofanion-exchangerissuedbyfreecarbondioxide,andbycalculation,foundoutthejustvalueofthelowestconcentrationoffreecarbondioxidewhichneedtoset-upde-carbonatorwhenconsideradvancingtheeconomyofdesalt-system.Itwilloffersomeconsultfordesignandanalysisofdesalt-system.[Keyword]：reverse-osmosis(RO)freecarbondioxidede-carbonatoranion-exchanger0前言隨著膜技術(shù)的不斷發(fā)展，反滲透在水處理領(lǐng)域的優(yōu)勢越來越突出。反滲透+一級離子交換+混床工藝越來越多被用于電廠鍋爐補(bǔ)給水處理工藝，但是反滲透裝置對游離態(tài)CO2幾乎沒有去除能力，原水中的游離態(tài)CO2全部轉(zhuǎn)入產(chǎn)品水中，對后續(xù)陽、陰離子交換器（以下簡稱陽床、陰床）運(yùn)行有較大的影響，同時發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的擴(kuò)大卻對補(bǔ)給水水質(zhì)及系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有更高的要求，因此對反滲透漏過的游離態(tài)CO2的去除就顯得很重要。1不同反滲透系統(tǒng)下的CO2除去方式1.1多級反滲透系統(tǒng)在電廠補(bǔ)給水處理工藝中，處理單元選擇的基本原則是每個處理單元的出水必須滿足下一個處理單元的進(jìn)水水質(zhì)要求。對于同一反滲透組件，隨著運(yùn)行時間的進(jìn)行，產(chǎn)品水的品質(zhì)不斷發(fā)生變化，但是產(chǎn)品水中游離態(tài)CO2幾乎與進(jìn)水CO2含量相等。在多級反滲透裝置中，為保證最終產(chǎn)水品質(zhì)以及每級裝置都有較高的脫鹽率，常選擇在一級反滲透出水中投加強(qiáng)堿，使游離態(tài)CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3ˉ，從而在下一級裝置中除去，另外加堿也有利于SiO2、TOC的去除。根據(jù)pH與HCO3ˉ、CO2的關(guān)系，投加的強(qiáng)堿量以保證下一級裝置進(jìn)水中pH在8.3左右，這時水中CO2幾乎都轉(zhuǎn)變成HCO3ˉ。某電廠調(diào)節(jié)二級反滲透進(jìn)水pH在8.3左右，二級裝置出水中游離態(tài)CO2僅為進(jìn)水的1%～2%，這樣CO2殘余濃度對后續(xù)工藝影響不大了，繼續(xù)增加堿量則使出水電導(dǎo)率增大。1.2單級反滲透系統(tǒng)當(dāng)前，鍋爐補(bǔ)給水處理采用預(yù)處理+反滲透+一級離子交換+混床工藝時，一個壓力容器內(nèi)常裝膜元件在6-7個，這樣單級多段反滲透系統(tǒng)中都不會設(shè)置加堿單元，因?yàn)閱渭壏礉B透系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)逐漸濃縮，且系統(tǒng)對離子的脫除率是一定的，加堿后其他離子的去除率則會降低，這樣就很不經(jīng)濟(jì)，同時單級反滲透進(jìn)水加堿可能增大因LSI增加、鐵及碳酸鈣等的溶解度降低而導(dǎo)致的污染與結(jié)垢的幾率。因此除碳器設(shè)置的必要性以單級系統(tǒng)為討論基礎(chǔ)。2除碳器工作原理不論何種除碳器，其工作原理都是相同的，即在一定溫度下，任何氣體在溶液中的溶解度與溶液面上該氣體的分壓成正比。根據(jù)大氣中二氧化碳的含量可知：大氣中CO2分壓約占大氣壓力的0.03%～0.04%，此時在此分壓下水中對應(yīng)的游離態(tài)CO2在0.5～1.0mg/L左右[1]。只要除碳器正常工作，除二氧化碳效率都在95%以上，出水中游離態(tài)CO2都在5mg/L左右。3除碳器設(shè)置的必要性3.1游離CO2的影響當(dāng)水的pH小于4.3時，水中游離CO2占水中全部碳酸化合物總量的99%以上[1]，即pH小于4.3時，游離CO2濃度幾乎不對pH產(chǎn)生直接影響，陽床進(jìn)水游離CO2濃度對陽床運(yùn)行影響不大，但卻會對出水酸度的變化產(chǎn)生了一定的緩沖，游離CO2濃度越高，對酸度變化的緩沖能力越強(qiáng)。如果陽床出水不經(jīng)過除碳器，直接進(jìn)入陰床，水流在陰床中進(jìn)行離子交換，pH不斷升高，游離CO2就會向HCO3ˉ形式轉(zhuǎn)換，HCO3ˉ會消耗陰床的交換容量，甚至?xí)绊懙疥幋渤栊?。根?jù)CO2轉(zhuǎn)換HCO3ˉ的過程可知，有多少摩爾CO2就要消耗多少摩爾陰床的交換容量。以下分析計算按原水總陰離子量為4.14moL/m3（其中HCO3ˉ濃度為2.12moL/m3）、逆流再生陰床直徑為2米、填料高度為2米、出力為100m3/h，陰樹脂(強(qiáng)堿Ⅱ型)工交容量為500moL/m3，反滲透產(chǎn)水中陰離子總量為0.05moL/m3（其中HCO3ˉ濃度為0.026moL/m總費(fèi)用為不設(shè)置除碳器時的約3.18倍。一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用母管制方式時，雖然運(yùn)行周期、周期制水量都為單元制方式時的1.1倍，但有、無除碳器時陰床運(yùn)行周期之比與游離二氧化碳濃度的增量成線性關(guān)系，因此只要設(shè)置除碳器時的再生周期為不設(shè)置時的3.18倍就能夠帶來經(jīng)濟(jì)效益，即無除碳器時一年中陰床再生次數(shù)為25×3.18次（80次），再生周期為5500/80h（69h），周期制水量為6900m3，陰床進(jìn)水中陰離子總交換量為0.455moL/m3，這時可以得出進(jìn)水游離二氧化碳含量約在17.8mg/L。因此，一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用母管制方式時，受運(yùn)行成本影響當(dāng)原水游離二氧化碳含量大于17.8圖1原水中不同二氧化碳含量下，陰床在有、無除碳器時運(yùn)行周期之比通過比較可以得出，反滲透系統(tǒng)后一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用母管制連接方式時，相同參數(shù)的陰床運(yùn)行周期、周期制水量均為單元制時的1.1倍，同時可使系統(tǒng)允許的原水中游離二氧化碳最高含量從10.12mg/L提高到17.8mg/L。另外也可使陰、陽床的樹脂裝填量、運(yùn)行控制及再生時間的選擇更加獨(dú)立。當(dāng)然，實(shí)際上設(shè)置除碳器時具有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢還沒有在上述分析、計算中得到完全囊括，如引起系統(tǒng)設(shè)備及樹脂利用率提高、樹脂損耗降低等帶來的經(jīng)濟(jì)效益。對于采用地下水作為原水的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，由于有機(jī)物質(zhì)降解，水中游離CO2濃度有時可高達(dá)上百毫克/升[2]，此時無論一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用何種方式，都勿需從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面考慮了，為保證除鹽水水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定、可靠，必須設(shè)置除碳器。5結(jié)論單級反滲透系統(tǒng)由于工藝限制，一般不采用加堿處理方式，游離態(tài)二氧化碳全部進(jìn)入產(chǎn)品水，不設(shè)置除碳器時，雖然對反滲透后除鹽系統(tǒng)制水周期內(nèi)出水水質(zhì)幾乎沒有任何影響（最終除鹽水水質(zhì)仍能滿足設(shè)計要求），但是卻對運(yùn)行周期、周期制水量等重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生很大的影響，因此反滲透系統(tǒng)后是否設(shè)置除碳器應(yīng)該由有無除碳器時游離二氧化碳含量對運(yùn)行成本的影響決定。通過計算得出：a．一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)采用單元制方式時且原水游離CO2濃度大于10mg/L時和采用母管制方式且原水游離CO2濃度大于17.8mg/L時，就應(yīng)該設(shè)置除碳器，這樣制水成本便可維持在較低的水平上，同時如果采用真空除碳器還有利于降低補(bǔ)給水中的含氧量；CO2濃度越高，反滲透+陽床+除碳器+陰床工藝的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性相對于反滲透+陽床+陰床工藝越顯著。b．為充分發(fā)揮反滲透單元的高除鹽性能、提高后續(xù)陰、陽床利用率及運(yùn)行周期，反滲透單元后一級復(fù)床除鹽系統(tǒng)宜采用母管制連接方式。c．文中的計算分析是以特定的原水水質(zhì)及工藝系統(tǒng)為例進(jìn)行的，當(dāng)然，原水水質(zhì)的不同及工藝系統(tǒng)參數(shù)的選擇將對進(jìn)水游離二氧化碳的允許含量產(chǎn)生一些影響，因此，反滲透后離子交換系統(tǒng)是否設(shè)置除碳器必須通過運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較計算確定。筆者通過選取另一電廠的原水水質(zhì)及工藝設(shè)備，用同樣方法計算，從兩個計算結(jié)果比較得出：不管單元制還是母管制連接方式的進(jìn)水游離二氧化碳含量兩次的差值都較小，這主要是由于系統(tǒng)出力不同時除碳器的風(fēng)機(jī)運(yùn)行電費(fèi)變化引起的，而系統(tǒng)出力會受到各設(shè)備出力