化学水处理反渗透除盐系统

      一、超临界机组对水质的要求

      直流锅炉没有进行水汽分离的气包，给水一次性通过锅炉的预热、蒸发、
过热等受热面后全部转化成过热蒸汽，并输送到汽轮机中推动汽轮机做功。直流
锅炉没有水的循环，不能进行炉内加药处理。给水带进锅炉的盐量一部分被蒸汽
溶解带走，进入汽轮机，其余的沉积在锅炉各蒸发受热面上形成水垢。水垢的导
热系数很低，结垢导致管闭温度上升，严重时可能出现超温爆管。另外，锅炉水
质还是控制水冷壁腐蚀破坏关键因素。因此，为了确保锅炉受热面安全，给水质
量必须满足超临界直流锅炉的水质要求。

      蒸汽从锅炉带出的盐份进入汽轮机后，由于盐类在蒸汽中的溶解度随着蒸
汽压力的降低而下降，所以参数越低，如果蒸汽带盐达到一定限度，超出相应压
力、温度下蒸汽的溶盐能力，就会析出并沉积在喷嘴和叶片上，使叶片通流截面
减小，导致汽轮机效率降低，轴向推力增大，严重时还会影响转子的平衡而造成
更大事故。因此锅炉产生的蒸汽不仅要符合设计规定的压力和温度，而且还要达
到规定的蒸汽质量。

      二、化学工作的重要性

      1 、内容

      在火力发电厂中，水是传递能量的工质。水进入锅炉后，吸收燃料燃烧放
出的热能转变为蒸汽，导入汽轮机。在汽轮机中，蒸汽的热能转变为机械能，发
电机将机械能转变为电能，送至电网。为了保证机组的正常运行，对锅炉用水的

      质量有严格的要求，而且机组的蒸汽参数愈高，其要求也愈严格。

      蒸汽在汽轮机内做功后进入凝汽器，被冷却为凝结水。凝结水由凝结水泵
送到低压加热器，加热后送入除氧器，再由给水泵将已除去氧的水经高压加热器
加热后送入锅炉。

      在上述系统中，水汽虽是循环的，但运行中总不免有些损失。为了保持发
电厂热力系统的水汽平衡，保证正常水汽循环运行，就要随时向锅炉补充合格的
水来弥补其损失，这部分水称为补给水。凝汽式电厂在正常运行情况下，补给水
不超过锅炉额定蒸发量的2 ％～4 ％。

      热力系统中的水质是影响火力发电厂热力设备（锅炉、汽机等）安全、经
济运行的重要因素之一。没有经过净化处理的原水，其中含有许多杂质，这种水
是不允许进入热力设备中的水汽循环系统的，必须经过适当的净化处理，达到标
准后，才能保证热力设备的稳定运行。如果品质不良的水进入水汽循环系统，就
会造成以下几方面的危害：

      （1 ）热力设备的结垢

      如果进入锅炉或其他热交换器的水质不良，则经过一段时间的运行后，在
和水接触的受热面上，会生成一些固体附着物，这些固体附着物称为水垢，这种
现象称为结垢。结垢的速度与锅炉的蒸发量成正比。因此，如果品质不良的水进
入高参数、大容量机组的水汽循环系统，就有可能在短时间内造成更大的危害。
因为水垢的导热性能比金属的差几百倍，这些水垢又易形成在热负荷很高的锅炉
炉管中，这样会使结垢部位的金属管壁温度过热，引起金属强度下降，在管内压
力作用下，就会发生管道局部变形，产生鼓包，甚至引起爆管等严重事故。

      结垢不仅危害到锅炉的安全运行，而且会影响发电厂的经济效益。另外，
在汽轮机凝汽器内结垢，会导致凝汽器真空度降低，使汽轮机达不到额定出力，
热效率下降；加热器结垢会使水的加热温度达不到设计值，以致整个热力系统的
经济性降低。而且热力设备结垢后还必须及时进行清洗，因此增加了机组的停运
时间，减少了发电量，增加了清洗、检修的费用，以及增加了环保工作量等。

      （2 ）热力设备的腐蚀

      热力设备的运行常以水作为介质。如果水质不良，则会引起金属的腐蚀。
由于金属材料与环境介质反应而引起金属材料的破坏叫做金属的腐蚀。火力发电
厂的给水管道，各种加热器，锅炉的省煤器、水冷壁、过热器和汽轮机凝汽器都
会因水中含有溶解性气体和腐蚀介质而引起腐蚀。腐蚀不仅会缩短金属的使用寿
命，而且由于金属腐蚀产物转入给水中，使给水杂质增多，从而又缩短了在热负
荷高的受热面上的结垢过程，结成的垢又会促进锅炉管壁的垢下腐蚀。这种恶性
循环，会迅速导致爆管事故的发生。

      （3 ）过热器和汽轮机的积盐

      如果锅炉使用的水质不良，就不能产生高纯度的蒸汽，随蒸汽带出的杂质
就会沉积在蒸汽流通部分，例如过热器和汽轮机里，这种现象称为积盐。过热器
管内积盐会引起金属管壁过热，甚至爆管；汽轮机内积盐会大大降低汽轮机的出
力和效率。特别是对于高温、高压的大容量汽轮机，它的高压蒸汽通流部分的截
面积很小，所以少量的积盐就会大大增加蒸汽流通的阻力，使汽轮机的出力下降。
当汽轮机积盐严重时，还会使推力轴承负荷增大，隔板弯曲，造成事故停机。

      水中杂质对水处理设备和热力设备影响见下表1-1.

      表1-1 水中杂质对设备的有害影响

      序号杂质名称对设备影响

      1 悬浮物污染树脂，降低其交换性能，尤其对逆流再生设备影响较大。

      2 有机物1 、使阴离子交换树脂污染老化，降低交换容量及使用寿命；

      2 、进入锅炉后能造成汽水共腾，恶化蒸汽品质。

      3 游离氯是氧化剂，能形成树脂的不可逆膨胀而使树脂损坏。

      4 溶解氧可造成水处理系统和给水系统的腐蚀，但在高纯给水中进行中性
水加氧处理，可形成一层保护膜，减缓对给水系统的腐蚀。

      5 硅酸化合物易在热力系统结垢，在汽轮机叶片上结垢析出，影响机组出
力。

      6 碳酸盐化合物在加热后能分解出二氧化碳，在给水系统造成二氧化碳腐
蚀。

      7 钙镁盐类能在强受热面上结出坚硬的水垢。

      8 钾钠盐类能在过热器、汽轮机叶片上结盐。

      9 铜铁垢进入离子交换树脂内不易再被交换出来；在锅炉水冷壁管上结垢
又能造成溃疡性垢下腐蚀，严重影响锅炉安全运行。

      10氨和铵盐适量的氨对抑制系统中的二氧化碳腐蚀有好处，但量大后能促
使对铜的腐蚀。

      11硝酸、亚硝酸盐能形成水冷壁及过热器的腐蚀。

      因此，火力发电厂化学水处理工作主要担负着以下任务：

      （1 ）净化原水：制备热力系统所需要的补给水工艺，包括除去原水中的
悬浮物和胶体颗粒的澄清、过滤等预处理，除去水中全部溶解性盐类的除盐处理。
制备补给水的处理通常称为炉外水处理。

      （2 ）给水处理：对于给水，进行除去水中溶解氧或加氧、提高PH值等加
药处理，以保证给水的质量。

      （3 ）凝结水处理：对直流炉机组及高参数机组，要进行汽轮机凝结水的
除铁、除盐等净化处理。

      （4 ）冷却水处理：对于直流冷却的循环水，要采用加药的方式进行防止
微生物滋生等的处理，也叫循环水处理。

      （5 ）水汽监督：对热力系统各部分、各阶段的水汽质量进行监督，并在
水汽质量劣化时进行的处理，也是水处理工作的内容之一。

      （6 ）机组停运保养：随着机组容量的增加和参与调峰，机组停运保养工
作愈显重要，而且它与水处理工作也密切相关。它包括机组停运前对热力系统进
行加药处理等工作。

      （7 ）化学清洗：当锅炉水冷壁结垢量超过部颁标准时，必须对锅炉本体
进行化学清洗。在化学清洗过程中，要求在不同阶段提供不同质量的水，因此水
处理工作是保证化学清洗效果的重要因素之一。

      除此之外，火力发电厂水处理工作还包括发电机冷却水处理、发电机转子
氢冷系统供氢和来自各种渠道的废水处理等。

      2 、化学的主要分工及作用

      净化站：主要对原水中的悬浮物和胶体颗粒等进行澄清、过滤，以除去原
水中的悬浮物和部分胶体的预处理系统。

      补给水处理：主要完成水中溶解性盐类的除盐处理系统。

      给水、凝结水加药系统：主要进行给水、凝结水加氧、提高PH值、机组启
动或异常时的除氧及停炉保养等的各种加药处理，以保证给水的质量。

      凝结水精处理：进行汽轮机凝结水的除铁、除盐等净化处理系统。

      机组水汽及凝结水检漏系统监督：对热力系统各部分、各阶段的水汽质量
进行监督，确保水汽质量满足机组正常运行的要求。

      废水处理站：将全厂各种排至废水站的废水分别处理合格后排放，符合环
保要求。

      加氯站：分别向循环冷却水及净化站来原水中投加氯，防止水中微生物滋
生。

      供氢站：向发电机氢冷系统提供纯度、湿度合格和一定压力的氢气，以满
足发电机正常运行的需要。

      另外，化学实验班组主要负责日常的汽、水、煤、油、气等监督和查定及
化学清洗工艺配合等工作。

      反渗透预脱盐系统

      1 、原理

      水从稀溶液一侧通过半透膜自然向浓溶液一侧流动的过程叫水渗透。

      人们制造了一种膜，它只允许水分子通过，溶液中的盐类则不能通过，这
种膜叫半透膜。

      反渗透是利用半透膜透水不透盐的特性，去除水中的盐份。在反渗透膜的
原水侧加压，使原水中的一部分纯水沿与膜垂直方向透过膜，水中的盐类和胶体
物质在膜表面浓缩，剩余部分原水沿与膜平行的方向将浓缩的物质带走。透过膜
的水中仅残余少量盐份，收集利用透过水，即达到了脱盐的目的。

      反渗透可除去水中98% 的无机盐，对有机物的去除为相对分子质量大于200
的有机物以及胶体，相对分子质量小于200 的有机物会透过反渗透膜，它是当代
公认的最先进的脱盐技术。

      反渗透脱盐必须满足两个基本条件：①半透膜具有透水而不透盐的选择透
过特性。②盐水与淡水两室间的外加压差大于渗透压差。符合条件①的半透膜称
之为反渗透膜。

      2 、渗透膜

      （1 ）反渗透膜材料

      膜得分离性能与膜材料的分子结构密切相关。人们根据脱盐的要求，从大
量的高分子材料中筛选出醋酸纤维素（CA）和芳香聚酰胺（PA）两大类膜材料。
此外，复合膜的表皮层还用到其他一些特殊材。

      醋酸纤维素又称乙酰纤维素或纤维素醋酸酯。常以含纤维素的棉花、木材
等为原料，经过酯化和水解反应制成醋酸纤维素，再加工成反渗透膜。

      聚酰胺膜材料包括脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺两类。目前使用最多的是
芳香族聚酰胺膜，膜材料为芳香族聚酰胺、芳香族聚酰胺- 酰肼以及一些含氮芳
香聚合物。

      复合膜的特征是由两种以上的材料制成，他是由很薄的致密层与多孔支撑
复合而成的。多孔支撑层又称基膜，起增强机械强度作用；致密层也称表皮层，
起脱盐作用，故又称脱盐层。

      由单一材料制成的非对称膜，有下列不足之处：①致密层与支撑层之间存
在着易被压密的过滤层；②表皮层厚度的最薄极限约为1000×10-10m，很难通过
减少通过膜厚度降低推动压力；③脱盐率与透水速度相互制约，因为同种材料很
难兼具脱盐与支撑两者均优。复合膜较好的解决了上述问题，它可以分别对致密
层的功能要求选择一种脱盐性能最优的材料，针对支撑层的功能要求选择一种机
械强度高的材料。复合脱盐膜可以做的很薄，有利于降低推动力；他消除了过渡
区，抗压密能力强。此外，复合膜还有以下特点：膜高脱盐率和高透过性兼备；
良好的化学稳定性和耐热性；可干膜存放；推动压力低；抗污染能力强。

      （2 ）反渗透膜的结构

      膜的结构包括宏观结构和微观结构。前者是指膜几何形状，主要有板式、
管式、卷式和中空纤维式四种；后者是指膜的断面结构和结晶状态等。

      从形貌看，膜大致可分为二类：均相膜和非均相膜。非均相膜又称非对称
结构膜。其形貌特征是在垂直与膜表面的截面上孔隙分布不均匀，由表向里孔隙
渐增，表层孔隙最小，低层孔隙最大。目前应用最为广泛的是非对称膜。膜的非
对称结构，决定了膜的方向性。例如反渗透膜，当致密层面向高压侧时，可获得
预期的脱盐率；反之，当多孔层面向高压侧时，膜的脱盐率明显变差。所以，使
用膜时应注意方向。膜的致密层表面比多孔层表面比多孔层平滑有光泽。

      （3 ）反渗透膜的分类

      基于不同考虑，膜的分类有许多方法。

      ①按膜材料分。主要有芳香聚酰胺膜和醋酸纤维素膜。此外，还有聚酰亚
胺膜、磺化聚砜膜、磺化聚砜醚膜等。

      ②按制膜工艺分。可分为溶液相转化膜、熔融热相转变膜、复合膜和动力
膜。目前，普遍应用的是复合膜。

      ③按膜结构特点分。可分为均相膜、非对称膜和复合膜。目前常用非对称
膜和复合膜。有人将均相膜、非对称膜和复合膜依次称之为第一代膜、第二代膜
和第三代膜。

      ④按传质机理分。有活性膜和被动膜之分。活性膜是在溶液透过膜的过程
中，透过组分的化学性质可改变；被动膜是指溶液透过膜的前后化学性质没有发
生变化。目前所有反渗透膜都属于被动膜。

      ⑤按膜出厂时的检测压力分为超低压膜、低压膜、和中压膜。

      ⑥按膜的用途分为苦咸水淡化膜、海水淡化膜、抗污染膜等多个品种。

      ⑦按膜的形状分。主要有板式膜、管式膜、卷式膜和中空纤维膜。

      本厂反渗透膜采用螺旋卷式结构，材质为聚酰胺复合材料（电中性），最
低脱盐率99.5％，单膜水回收率15％，进水自由氯最高浓度＜0.1ppm.

      （4 ）反渗透膜的性能要求

      为适应水处理应用的需要，反渗透膜必须具有应用上的可靠性和形成规模
的经济性，其一般要求是：

      ①渗透性要大，脱盐率要高。

      ②有一定的强度和坚实程度，不致因水的压力和拉力影响而变形、破裂。
膜的被压实性尽可能最小，水通量衰减小，保证稳定的产水量。

      ③结构要均匀，能制成所需要的结构。

      ④适应较大的压力、温度和水质变化。

      ⑤有好的耐温、耐酸碱、耐氧化、耐水解和耐生物污染性能。

      ⑥用寿命要长。

      ⑦成本要低。

      3 、反渗透装置

      反渗透应用于水处理工程，除膜本身外，还需要2 个配套部件：淡水室和
浓水室（兼原水室）。所以，反渗透膜必须与其他器件一起才能组合成具有引进
高压盐水和收集淡水功能的设备。这种具有进出水功能的脱盐单元称为膜元件。
膜元件通常按水处理工艺需要，将多个膜元件组合起来形成一个较大的脱盐单元，
这种单元称膜组件。多个膜组件又可进一步组合成更大的脱盐单元，形成反渗透
装置。

      广义的讲，反渗透装置应包括所有膜组件、连接管道、阀门、仪表、以及
高压泵等相关设备，甚至可以延伸到整个反渗透系统；狭义的讲，反渗透装置仅
指膜组件本身。因本厂反渗透膜采用螺旋卷式结构，故在此主要介绍此种装置。

      （1 ）螺旋卷式膜元件（膜组件）的组成

      膜元件（膜组件）的基本组成包括：膜、膜的支撑物或连接物、水流通道、
密封、外皮、进水口和出水口等。

      ①膜

      膜是构成膜元件乃至反渗透系统的核心部分。

      ②支撑物或连接物

      反渗透膜在组装成膜元件过程上，为了固定膜使其具有一定形状和强度，
需要支撑物。螺旋卷式膜一般将隔网夹在两膜之间，隔网既是支撑物又是水流通
道。

      ③水流通道

      从盐水进入到浓水和淡水流出器件的全部水流空间称为水流通道。大多数
水流通道是通过膜与膜之间的支撑体、导流板或隔网来实现的。隔网普遍用于卷
式反渗透膜元件，水流在隔网的间隙中流动，隔网厚度一般为0.76mm和1.1mm.良
好的水流通道应该是水流分布均匀、没有死角、流速合适、浓差极化轻、容易清
洗和占用空间小。

      ④密封

      反渗透需要在一定压力下才能进行，为了防止浓淡水互窜，必须采取密封
装置，让这两股水各行其道。密封位置主要在膜与膜之间、膜与支撑物之间、膜
与原件之间、以及与外界接口处等。螺旋卷式膜元件主要是将重叠的两张膜的三
边密封形成膜袋，以及串联膜元件中心管之间的密封。

      密封损坏导致脱盐率下降是反渗透装置运行中的常见故障之一。

      ⑤外皮

      卷式膜元件的最外层壳体称为外皮，膜袋被卷成像布匹样的圆柱体后再包
上外皮。外皮材料一般为玻璃钢（FPR ）。

      ⑥进水口与出水口

      卷式反渗透膜元件的中心管的一端为淡水出口，膜元件两头的多空端或涡
轮板的一头为进水口，另一头为浓水出口。该多孔板具有均匀布水、防止膜卷突
出的作用。

      （2 ）螺旋卷式膜元件（膜组件）的特点

      ①水流通道由隔网空隙构成，水在流动过程中被隔网反复切割汇集呈波浪
状起伏前进，提高了水流紊动强度，减少了浓差极化。

      ②水沿膜表面呈薄层流动，这种薄层流动的设计提高了膜的装填密度，也
有利于降低膜表面的滞流层厚度，同样有利于减少浓差极化。

      ③膜的装填密度比较高，一般为650-1600m2/m3 ，仅次于中空纤维膜组件。

      ④抗污染能力比中空纤维式强。

      ⑤水流阻力介于管式与中空纤维式之间。

      （3 ）螺旋卷式膜元件（膜组件）的结构

      膜元件核心部分由膜、进水隔网和透过水隔网围中心管卷绕而成。

      膜的脱盐层面对进水隔网，支撑层面对透过水隔网。透过水隔网构成透过
水通道，并起支撑膜的作用。进水隔网构成进水和浓水通道，并起扰动水流防止
浓差极化作用。多孔中心管与透过水通道相通，收集透过水。在压力推动下，原
液在进水隔网中流动，水量不断减少，浓度不断增加，最后变成浓水从下游排走。
透过水在透过水隔网内流动，流量不断增加，最后进入中心集水管。

      （4 ）使用条件

      为了保证膜长期稳定安全运行，膜生产厂家规定了使用膜元件时所限制的
条件，包括：操作压力、进水流量、温度、进水PH值范围、进水浊度、进水SDI 、
进水余氯、浓缩水与透过水量的比例和压力损失等。运行时必须将反渗透装置控
制在这些条件所规定范围内。