1、- 1 -反渗透后离子除盐系统中除碳器设置必要性探讨张凤琴东北电力设计院 （吉林 长春 130012）摘 要 ：针对反渗透装置对游离态 CO2 几乎没有去除能力的情况，以反渗透+离子交换除盐工艺为基础，分析了游离态 CO2 对阴离子交换器运行的影响，并通过计算，求得了为提高除盐系统运行的经济性而需设置除碳器时的最低游离态 CO2 浓度，为设计和系统分析提供了一定的依据。 关键词：反渗透 游离态 CO2 除碳器 阴离子交换器Discuss the necessary for setting de-carbonator in ion-exchange series after reverse os
2、mosis equipmentZhang Feng-Qin North East Electric Power Design Institute（JinLin ChangChun 130012）Abstract：Since reverse osmosis(RO) equipment has no ability to removal free carbon dioxide，based on the reverse osmosis(RO) + ion-exchange-desalt technical, analyzing the influence run period of anion-ex
3、changer issued by free carbon dioxide, and by calculation, found out the just value of the lowest concentration of free carbon dioxide which need to set-up de-carbonator when consider advancing the economy of desalt-system. It will offer some consult for design and analysis of desalt-system.Keyword：
4、reverse-osmosis(RO) free carbon dioxide de-carbonator anion-exchanger0 前 言 随着膜技术的不断发展，反渗透在水处理领域的优势越来越突出。反渗透+一级离子交换+混床工艺越来越多被用于电厂锅炉补给水处理工艺，但是反渗透装置对游离态 CO2几乎没有去除能力，原水中的游离态 CO2全部转入产品水中，对后续阳、阴离子交换器（以下简称阳床、阴床）运行有较大的影响，同时发电机组单机容量的扩大却对补给水水质及系统运行经济性有更高的要求，因此对反渗透漏过的游离态 CO2的去除就显得很重要。1 不同反渗透系统下的 CO2除去方式- 2 -1.
5、1 多级反渗透系统在电厂补给水处理工艺中，处理单元选择的基本原则是每个处理单元的出水必须满足下一个处理单元的进水水质要求。对于同一反渗透组件，随着运行时间的进行，产品水的品质不断发生变化，但是产品水中游离态 CO2几乎与进水 CO2含量相等。在多级反渗透装置中，为保证最终产水品质以及每级装置都有较高的脱盐率，常选择在一级反渗透出水中投加强碱，使游离态 CO2转变为 HCO3，从而在下一级装置中除去，另外加碱也有利于SiO2、TOC 的去除。根据 pH 与 HCO3、CO 2的关系，投加的强碱量以保证下一级装置进水中pH 在 8.3 左右，这时水中 CO2几乎都转变成 HCO3。某电厂调节二级反
6、渗透进水 pH 在 8.3左右，二级装置出水中游离态 CO2 仅为进水的 1%2%， 这样 CO2残余浓度对后续工艺影响不大了，继续增加碱量则使出水电导率增大。1.2 单级反渗透系统当前，锅炉补给水处理采用预处理+反渗透+一级离子交换+混床工艺时，一个压力容器内常装膜元件在 6-7 个，这样单级多段反渗透系统中都不会设置加碱单元，因为单级反渗透系统内水质逐渐浓缩，且系统对离子的脱除率是一定的，加碱后其他离子的去除率则会降低，这样就很不经济，同时单级反渗透进水加碱可能增大因 LSI 增加、铁及碳酸钙等的溶解度降低而导致的污染与结垢的几率。因此除碳器设置的必要性以单级系统为讨论基础。2 除碳器工作
7、原理不论何种除碳器，其工作原理都是相同的，即在一定温度下，任何气体在溶液中的溶解度与溶液面上该气体的分压成正比。根据大气中二氧化碳的含量可知：大气中 CO2分压约占大气压力的 0.03%0.04%，此时在此分压下水中对应的游离态 CO2在 0.51.0 mg/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，出水中游离态 CO2都在5mg/L 左右。 3 除碳器设置的必要性3.1 游离 CO2的影响当水的 pH 小于 4.3 时，水中游离 CO2占水中全部碳酸化合物总量的 99%以上 1，即pH 小于 4.3 时，游离 CO2浓度几乎不对 pH 产生直接影响，阳床进水游离 CO2
8、浓度对阳床运行影响不大，但却会对出水酸度的变化产生了一定的缓冲，游离 CO2浓度越高，对酸度变化的缓冲能力越强。如果阳床出水不经过除碳器，直接进入阴床，水流在阴床中进行离子交换，pH 不断升高，游离 CO2就会向 HCO3形式转换，HCO 3会消耗阴床的交换容量，甚至会影响到阴床除硅效率。根据 CO2转换 HCO3的过程可知，有多少摩尔 CO2就要消耗多少- 3 -摩尔阴床的交换容量。以下分析计算按原水总阴离子量为 4.14 moL/m3（其中 HCO3浓度为2.12 moL/m3） 、逆流再生阴床直径为 2 米、填料高度为 2 米、出力为 100m3/h，阴树脂(强碱型)工交容量为 500m
9、oL/m3，反渗透产水中阴离子总量为 0.05moL/m3（其中 HCO3浓度为 0.026 moL/m3）进行。对于采用单元制运行方式的一级复床工艺，为保证水质监督的准确性，正常阴床容量比阳床容量大 10%1，那么阴床在一个制水周期内最多能交换阴离子量为6.285000.90moL。当原水游离 CO2浓度为 15mg/L 时，除碳器正常工作时出口游离 CO2含量为 5mg/L，因此阴床需要交换的阴离子总量为 0.05-0.026 +CO2moL/m3，即 0.138 moL/m3，此时阴床进水碳酸化合物量约占需交换总阴离子量的 82.4%，理论上阴床周期制水量为 20478m3，再生周期为
10、204h；不设置除碳器时，阴床需要交换的阴离子总量0.05+CO2moL/m3，即 0.391moL/m3，此时阴床进水碳酸化合物量约占需交换总阴离子量的 93.83%，阴床周期制水量为 7227m3，运行周期为 72h。不设置除碳器时单位体积阴树脂进水中需交换总量是设置除碳器时的 2.83 倍。天然水中游离 CO2含量多在 2030mg/L 左右 2，假定其他条件均与上面所述相同，那么不设置除碳器时，阴床周期制水量为38605596m 3，运行周期为 38h56h，仅是常规预处理+二级离子除盐系统中阴床运行周期的 2.03.0 倍，并未较好地体现反渗透单元的高除盐性能。对于采用母管制运行方式
11、的一级复床系统，阳、阴床再生原则遵循哪床失效再生哪床。那么设置除碳器时，理论上阴床周期制水量为 22753m3，再生周期为 227h；不设置除碳器时，理论阴床周期制水量为 8030m3，运行周期为 80h。根据以上可看出反渗透产品水水质较好，对于阴床来说，因此需交换的阴离子极少量增加，就会大大降低其再生周期及周期制水量，这不符合增加反渗透单元为延长离子交换器的再生周期及周期制水量、降低离子交换器自用水耗及运行费用、提高树脂利用率等目的。不设置除碳器时，虽然对反渗透后除盐系统制水周期内出水水质没有任何影响（最终除盐水水质仍能满足设计要求） ，但是却对运行周期、周期制水量等重要运行经济指标有着很大
12、的影响。3.2 原水含盐量对二氧化碳去除的影响原水含盐量越大，反渗透出水含盐量也越大，由于阴树脂交换可近似看作呈交换层逐渐下移形式进行，且不同价态离子交换之间存在“竞争脱除”现象，对碳酸氢根、硅酸根选择交换能力较差。原水含盐量大、不设置除碳器时，碳酸化合物占阴床总需交换离子量的绝大部分，碳酸氢根、硅酸根穿透的可能增加；另一方面，也应考虑到反渗透元件在运行 3 年后，除盐率将下降 1%2%而引起的不利影响。没有设置除碳器时，原水含盐量越大，阴离子交换器高度也应适当增加，这样可以保持对碳酸氢根、硅酸根的较高交换能力，但树脂高度的增加受到床体流速限制；设置除碳器时，只要反渗透装置正常工作，原水含盐量
13、变化及反渗透性能的正常下降而导致的不利影响就很小了。- 4 -4 CO2 含量与设置除碳器的关系在没有反渗透单元时，通常认为是否设置除碳器的重要条件是原水碱度大小。由于反渗透正常运行时，对碱度的脱除率较高，其出水残余碱度占碳酸化合物总量 10%以下，所以反渗透系统后是否设置除碳器应该由游离二氧化碳含量对有、无除碳器时系统运行成本的影响决定。4.1 单元制工艺一级复床除盐系统采用单元制方式连接，阳、阴床需同时再生，一次再生费用为阳、阴床再生费用之和，一次阳、阴再生费用约 620 元（未计入树脂损耗） 。除碳器的设备投资 12 万（按 30 年计，年利用时间按 5500h 计） ，那么年均投资为
14、6370 元。设置除碳器时，一年再生次数为 5500/204 次（26 次） ，那么每周期运行总费用为设备投资（周期均值）+除碳器运行电费+一次阴、阳再生费用之和，共 1289 元，即设置除碳器时一个运行周期的总费用为不设置除碳器时的约 2.07 倍。有、无除碳器时对阴床运行情况的影响，见表 1（理论值） 。原水中不同二氧化碳含量下，阴床在有、无除碳器时运行周期之比，见图 1 。表 1 有、无除碳器时对阴床运行情况的影响有除碳器 无除碳器CO2含量/mgL-1理论运行周期/h理论周期制水量/m3理论运行周期/h理论周期制水量/m3有、无除碳器时阴床运行周期之比7 204 20478 135 1
15、3521 1.58 204 20478 121 12181 1.6810 204 20478 102 10202 212 204 20478 86 8642 2.3715 204 20478 72 7227 2.8318 204 20478 61 6155 3.3420 204 20478 56 5600 3.67从表 1 可以看出，只要设置除碳器时的再生周期为不设置时的 2.07 倍就能够带来经济效益。无除碳器时一年中阴床再生次数为 262.07 次（54 次） ，再生周期为5500/54h（101h） ，周期制水量为 10100 m3，阴床进水中阴离子总交换量 0.28 moL/m3，这时
16、可以得出进水游离二氧化碳含量约在 10.12mg/L。由于实际运行中，即使设置了除碳器，阴交换器运行周期也小于运行周期的理论值 204h，因此允许原水游离二氧化碳含量可略大于计算值，但是另一方面，考虑得残余碱度以及反渗透脱盐率下降等因素，因此当原水游离二氧化碳含量大于 10mg/L 就需考虑设置除碳器。4.2 母管制工艺- 5 -与一级复床除盐系统采用单元制方式相比，采用母管工艺时的再生费用只需考虑阴再生费用（310 元，未计入树脂损耗） 。设置除碳器时每周期运行总费用为设备投资（周期均值）+除碳器运行电费+一次阴再生费用之和，共 988 元，即设置除碳器时一个运行周期的总费用为不设置除碳器时
17、的约 3.18 倍。一级复床除盐系统采用母管制方式时，虽然运行周期、周期制水量都为单元制方式时的 1.1 倍，但有、无除碳器时阴床运行周期之比与游离二氧化碳浓度的增量成线性关系，因此只要设置除碳器时的再生周期为不设置时的3.18 倍就能够带来经济效益，即无除碳器时一年中阴床再生次数为 253.18 次（80 次） ，再生周期为 5500/80h（69h） ，周期制水量为 6900 m3，阴床进水中阴离子总交换量为0.455 moL/m3，这时可以得出进水游离二氧化碳含量约在 17.8mg/L。因此，一级复床除盐系统采用母管制方式时，受运行成本影响当原水游离二氧化碳含量大于 17.8mg/L 就
18、需考虑设置除碳器。1.52.02.53.03.54.0681012141618202原水中二氧化碳含量（mg/L）有 、 无 除 碳 器 时 ， 阴 床 运 行 周 期 之 比图 1 原水中不同二氧化碳含量下，阴床在有、无除碳器时运行周期之比通过比较可以得出，反渗透系统后一级复床除盐系统采用母管制连接方式时，相同参数的阴床运行周期、周期制水量均为单元制时的 1.1 倍，同时可使系统允许的原水中游离二氧化碳最高含量从 10.12mg/L 提高到 17.8mg/L。另外也可使阴、阳床的树脂装填量、运行控制及再生时间的选择更加独立。当然，实际上设置除碳器时具有的经济优势还没有在上述分析、计算中得到完
19、全囊括，如引起系统设备及树脂利用率提高、树脂损耗降低等带来的经济效益。对于采用地下水作为原水的锅炉补给水处理系统，由于有机物质降解，水中游离 CO2- 6 -浓度有时可高达上百毫克/升 2，此时无论一级复床除盐系统采用何种方式，都勿需从运行经济性方面考虑了，为保证除盐水水质指标稳定、可靠，必须设置除碳器。5 结论 单级反渗透系统由于工艺限制，一般不采用加碱处理方式，游离态二氧化碳全部进入产品水，不设置除碳器时，虽然对反渗透后除盐系统制水周期内出水水质几乎没有任何影响（最终除盐水水质仍能满足设计要求） ，但是却对运行周期、周期制水量等重要经济指标产生很大的影响，因此反渗透系统后是否设置除碳器应该
20、由有无除碳器时游离二氧化碳含量对运行成本的影响决定。通过计算得出：a一级复床除盐系统采用单元制方式时且原水游离 CO2浓度大于 10mg/L 时和采用母管制方式且原水游离 CO2浓度大于 17.8mg/L 时，就应该设置除碳器，这样制水成本便可维持在较低的水平上，同时如果采用真空除碳器还有利于降低补给水中的含氧量；CO 2浓度越高，反渗透+阳床+除碳器+阴床工艺的运行经济性相对于反渗透+阳床+阴床工艺越显著。b为充分发挥反渗透单元的高除盐性能、提高后续阴、阳床利用率及运行周期，反渗透单元后一级复床除盐系统宜采用母管制连接方式。c文中的计算分析是以特定的原水水质及工艺系统为例进行的，当然，原水水
21、质的不同及工艺系统参数的选择将对进水游离二氧化碳的允许含量产生一些影响，因此，反渗透后离子交换系统是否设置除碳器必须通过运行经济性比较计算确定。笔者通过选取另一电厂的原水水质及工艺设备，用同样方法计算，从两个计算结果比较得出：不管单元制还是母管制连接方式的进水游离二氧化碳含量两次的差值都较小，这主要是由于系统出力不同时除碳器的风机运行电费变化引起的，而系统出力会受到各设备出力的限制，因此原水水质的不同及工艺系统参数的选择对二氧化碳的允许含量产生影响不会太大。另外反渗透除盐率下降也会引起系统运行经济性下降，而一般反渗透除盐率在三年内都不会小于98%，因此这种影响也较小。参考文献 1 华东电业管理局.电厂化学技术问答 （M）.北京：中国电力出版社，1998.82 李培元等.火力发电厂水处理及水质控制 （M）.北京：中国电力出版社，1999.11谢 谢
