锅炉补给水处理膜法和离子交换法的技术经济比较朱民

工业用水与废水INDUSTRIALWATER＆WASTEWATERVol．45No．5Oct.，2014朱民1，陈百恒2，梁康强1，林秀军1（1.北京市环境保护科学研究院，北京100037；2.博天环境集团股份有限公司，北京100082）锅炉补给水处理膜法和离子交换法的技术经济比较水处理除盐工艺主要有离子交换、反渗透、蒸馏等，如何根据不同的原水水质特点选择最经济有效的水处理方案一直是行业关注的焦点［1－5］。在20世纪70年代到80年代末，离子交换法在我国除盐水处理领域应用广泛。该法有以下特点：预处理要求简单、工艺成熟、出水水质稳定、设备初期投入低；由于制水原理类似于用酸碱置换水中离子，所以在原水含盐量低的区域运行成本较低。但其运行操作复杂，自动化程度不高，要求操作人员有较高水平；且需要酸碱再生，再生废水需要二次处理，存在环境污染隐患；细菌易在床层中繁殖，尤其在含盐量高的区域，运行成本很高［6-7］。从20世纪80年代末开始，膜法在我国逐渐推广应用，反渗透技术作为一种新兴、高效的除盐工艺，开始备受关注［8-11］。反渗透法有以下特点：除盐高效、稳定；工艺简单、操作方便、易于自动控制、无污染、运行成本低；原水含盐量较高时对运行成本影响不大［12-13］。但反渗透膜对水的预处理要求较高，因此初期投资较大。本文针对甘肃某电厂锅炉补给水的处理，就离子交换和反渗透2种处理方法在工艺路线、占地面积、投资和运行成本等方面作基本比较。1项目概况甘肃某电厂系新建火力发电站，为了保证热力系统中有良好的水质，该电厂中必须设置锅炉水处理系统，对原水进行处理，以达到运行要求。该系统设计处理水量为2000m3／h。原水的水质全分析如表1所示。出水水质要求满足GB／T12145—2008摘要：结合电厂锅炉补给水脱盐处理工程实例，对膜法和离子交换法处理工艺进行技术经济比较。结果表明，离子交换法占地面积大、操作复杂、运行费用高，投资费用略低；膜法占地面积较小，操作自动化较高，运行费用低。选择膜法做为该电厂锅炉补给水处理工艺，无论从技术方面还是经济方面均具优越性。关键词：膜法；离子交换法；锅炉补给水；技术经济分析中图分类号：TQ085+.4文献标识码：A文章编号：%1009－2455（2014）05－0042－04TechnicalandeconomicalcomparisonbetweenmembranemethodandionexchangemethodtreatingboilerfeedwaterZHUMin1，CHENBai－heng2，LIANGKang－qiang1，LINXiu－jun1（1.BeijingMunicipalResearchAcademyofEnvironmentalProtection,Beijing100037,China;2.PotenEnvironmentGroupCo.,Ltd.,Beijing100082,China）Abstract：Combiningtheprojectcaseofboilerfeedwaterdesalinationinapowerplant,atechnicalande-conomicalcomparisonbetweenmembranemethodandionexchangemethodwerecarriedout.Theresultsshowedthat,ionexchangemethodwascharacterizedbylargeareaoccupied,complexmanipulation,highoperationcostandslightlylowerinvestment;however,membranemethodhadadvantagesofsmallareaoccupied,highlevelofautomationandlowoperationcost.Itcouldbeseenthat,membranemethodwassuperiortoionexchangemethodnotonlyintechnicalaspectbutalsoineconomicalaspect;therefore,itwasselectedforboilerfeedwaterdesali-nationofpowerplant.Keywords：membranemethod;ionexchangemethod;boilerfeedwater;technicalandeconomicalanalysis·42·原水（板式换热器）多介质过滤器超滤装置反渗透装置除碳器混合离子交换器外供图1膜法工艺流程Fig.1Flowofmembraneprocess原水多介质过滤器除碳器混合离子交换器外供活性炭过滤器阳离子交换器阴离子交换器图2离子交换法工艺流程Fig.2Flowofionexchangeprocess表1甘肃某电厂水质全分析Tab.1CharacteristicsofwaterofapowerplantinGansuprovince注：全硅、活性硅、胶体硅均以SiO2计污染物数值pH值8.25电导率／（μS·cm－1）544浊度／NTU1.94总硬度／（mmol·L－1）5.1总碱度／（mmol·L－1）3.0灼烧减量／（mg·L－1）132ρ（CODMn）／（mg·L－1）1.84污染物数值ρ（总固体）／（mg·L－1）370.5ρ（溶解性固体）／（mg·L－1）366ρ（悬浮性固体）／（mg·L－1）4.5ρ（全硅）／（mg·L－1）20.5ρ（活性硅）／（mg·L－1）6.0ρ（胶体硅）／（mg·L－1）14.5项目离子交换法膜法主要设备数量／台或套10666占地面积／m272005100运行周期／h1084周期制水量／m320000168000产水水质满足标准要求满足标准要求酸耗量（以31%HCl计）／（t·月-1）83057碱耗量（以32%NaOH计）／（t·月-1）43621其它药剂耗量／（t·月-1）阻垢剂：4.32还原剂：8.63杀菌剂：3.60表2离子交换法和膜法的主要工艺参数对比Tab.2Maintechnicalparametersofionexchangemehtodandmembranemethod《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中“锅炉补给水质量标准”的要求。2工艺选择根据水质全分析可以看出，原水含盐量较低、固体悬浮物较少，但胶体硅含量较多，硬度较大。另一方面，本项目水量相比同类项目较大。综合水质和水量，选用膜法和离子交换法做为主选工艺。2．1膜法膜法工艺流程如图1所示。正常情况下，原水进入多介质过滤器，去除较大颗粒悬浮物后进入超滤装置，进一步去除微米级的悬浮物及胶体，保护后续的反渗透膜。经超滤处理后出水浊度小于0．2NTU，满足反渗透除盐的进水要求。超滤出水经保安过滤器后进入反渗透系统，可去除水中不低于98％的溶解盐。为满足锅炉补给水的水质要求，反渗透出水还需进一步除盐。反渗透后的二级除盐目前有混合离子交换器和EDI2种工艺最为有效。针对该项目水质较好、水量大的特点，选择混合离子交换器作为二级除盐工艺。同时，为了避免水中CO2含量高影响最终出水水质，在进入混床之前加除碳器去除水中大部分CO2。经过混合离子交换器处理得到精除盐水，外供至锅炉。此工艺技术成熟，产水水质优良。设置板式换热器的目的是在冬季水温较低时，通过蒸汽或电厂的冷凝水与原水换热，提升原水的水温，避免因水温低而影响反渗透系统的脱盐率和产水量。2．2离子交换法离子交换法工艺流程如图2所示。原水经多介质过滤器去除较大颗粒悬浮物杂质后，进入活性炭过滤器去除未被多介质过滤器拦截的胶体，提高后续离子交换的效率。经过预处理后出水进入阳离子交换器，水中的大部分阳离子与树脂官能团进行交换被去除。为避免水中重碳酸根离子对阴离子交换器的冲击，阳离子交换器出水需经过除碳器将重碳酸盐转化为CO2从水中去除。除碳器出水进入阴离子交换器去除水中绝大部分阴离子。至此，水中绝大部分盐已去除。再经过混合离子交换器精除盐，即得到合格的锅炉补给水。2．3离子交换法和膜法主要工艺参数离子交换法和膜法主要工艺参数如表2所示。2种处理工艺的出水水质相差不大，都能很好地满足要求。但从以上参数对比可以看出：（1）对于这样的大水量系统，离子交换法设备数量多，装置所需占地面积远大于膜法工艺，而且离子交换设备多为立式容器，所需厂房高度也大于膜处理厂房。（2）离子交换器运行周期低于反渗透膜，相同时间段内的操作量自然大于膜法，单台（套）设备周朱民，陈百恒，梁康强，等：锅炉补给水处理膜法和离子交换法的技术经济比较·43·工业用水与废水INDUSTRIALWATER＆WASTEWATERVol．45No．5Oct.，2014项目离子交换法膜法耐冲击性原水水质波动较大时，产水周期相应变化，影响产水量。原水水质、水温波动较大时，产水水质会受到一些影响（加换热器可以避免）。运行稳定性系统稳定性较高，但化学除盐效果会受水质波动、再生不彻底等因素影响。物理高精度膜除盐，且有混床做二级除盐保证，系统稳定性很高。操作难度自动化程度一般；树脂再生操作复杂，需人工监视操作，人力投入较多。自动化程度高，易于操作，节省人力。维护需求需要定期补充树脂，维护费用较高。树脂再生酸、碱用量大，设备需要经常进行维护，防止酸、碱泄漏腐蚀。远程监控全自动化运行，维护需求少，维护费用低。仅2~3月1次的膜化学清洗需要人工操作。表3工艺可靠性对比Tab.3Comparisonofprocessreliability项目离子交换法膜法建筑工程投资1200820设备安装工程投资38005000其它费用600500总投资56006320表4投资估算对比Tab.4Comparisonofestimatedinvestment万元项目单价膜法离子交换法消耗量吨水成本／元消耗量吨水成本／元人工费3000元／（人·月）12人0.02520人0.042电费0.6元／（kW·h）1920.0kW·h／h0.5761140.0kW·h／h0.342次氯酸钠800元／t10．00kg／h0.004盐酸750元／t79.00kg／h0.0301153.00kg／h0.432氢氧化钠1500元／t29.00kg／h0.022606.00kg／h0.455柠檬酸5000元／t2.80kg／h0.007阻垢剂50000元／t6.00kg／h0.150还原剂2000元／t12.00kg／h0.012杀菌剂（非氧化性）60000元／t5.00kg／h0.150吨水直接运行成本／元0.9761.271表5运行费用对比Tab.5Comparisonofoperationcost期制水量低于膜法。（3）离子交换法所需药剂主要为酸、碱，消耗量非常大，给运输、储存带来严峻考验；膜法工艺后置混床再生仅需要消耗少量的酸、碱，另外反渗透运行需要消耗阻垢剂、还原剂、杀菌剂等药剂，但消耗量不大。3工艺对比3.1工艺可靠性对比相对于技术而言，可靠性越高，工艺无故障运行的时间越长。由于锅炉补给水是电厂发电必不可缺的一环，因此，其处理工艺的可靠性不言而喻。离子交换法和膜法工艺可靠性对比如表3所示。从表3可知，从耐冲击性、运行稳定性、操作难度和维护需求4个方面进行比较，膜法具有运行稳定、操作维护简单的优势，同时，在处理大水量系统中优势会更明显，其耐冲击性较离子交换法强，因此在工艺可靠性方面，膜法显著优于离子交换法。3．2建设投资估算对比投资是影响工程建设的一个重要参数。根据工艺路线和处理水量，同时根据经验估算，离子交换法和膜法的投资构成及投资额如表4所示。从表4可知，在建筑工程投资和其它费用上，离子交换法高于膜法，但在设备安装工程投资方面，膜法高于离子交换法。对比总投资，离子交换法稍低，这主要是因为膜法工程费用主要为膜片的购置，由于目前膜片材料的价格较高，导致膜的投资略高。3．3运行费用对比根据离子交换法和膜法工艺特点，其运行费用主要为人工费、电