回顧了粉末樹脂過濾器在我國的發展過程,對幾年來使用中出現的問題及其原因進行了分析,認為粉末樹脂過濾器的除鹽能力很低,在凝結水處理中主要是作為除鐵過濾器使用。提出了粉末樹脂過濾器在濕冷和空冷機組上的使用條件及其改進意見。
粉末樹脂覆蓋過濾技術已經在我國火力發電廠中大量使用,通過總結數年的應用經驗,對該系統的優缺點有了較為全面的了解,本文對粉末樹脂覆蓋過濾技術的應用及其存在問題進行探討。
1 粉末樹脂過濾器在我國的發展過程
20世紀70年代,我國曾翻譯了多篇介紹粉末樹脂覆蓋過濾技術的文獻。
1978年,中國電機工程學會火電設計赴日考察實習組在考察報告的“前置過濾器”部分,介紹了覆蓋過濾器和粉末樹脂過濾器在日本的使用情況。20世紀80年代,認為粉末樹脂過濾器不適合我國電廠使用,因此該過濾器未能在國內進行研究和推廣使用。20世紀90年代初,機械電子工業部組織的凝結水處理赴美考察團在“大型電廠凝結水精處理赴美技術考察報告”中介紹了凝結水精處理的狀況,并詳細介紹了粉末樹脂過濾器的性能、特點及其使用,從美國引進了有關的技術。1999年11月,國家電力公司電力規劃設計總院召開了對粉末樹脂覆蓋過濾設備的評審會,提出了如下的評審意見:
(1)粉末樹脂覆蓋過濾設備具有系統簡單、基建投資省、設備占地面積小、有較好的除鐵和除硅效果、無酸堿廢液的排放等優點;
(2)可作為火電廠正常運行時的凝結水處理、機組起動時的除鐵除硅、直接空冷機組的凝結水除鐵除二氧化碳等處理的比選方案;
(3)無錫鍋爐廠從美國引進的粉末樹脂覆蓋過濾系統的設計及設備制造技術,在國內處于領先地位;
(4)粉末樹脂覆蓋過濾設備的生命力在于國產化,建議通過和外商合作生產,加速實現國產化,不斷完善與提高,增強市場的競爭能力。
1999年,Ｒ.Ｋｕｎｉｎ和Ｅｌｉｓａｌｅｍ在我國介紹了粉末樹脂覆蓋過濾器的性能、優點以及美國多家電廠和我國某電廠的使用情況。2003年,作者曾發表文章[10]討論了粉末樹脂過濾器的機理和應用。此后,有些新建電廠的凝結水處理采用了粉末樹脂過濾器。
2 粉末樹脂覆蓋過濾器存在的問題
粉末樹脂覆蓋過濾器是從紙粉覆蓋過濾器發展而來,利用粉末樹脂替代紙粉作為過濾材料。使用粉末樹脂替代紙粉的目的是希望該設備具有過濾除鐵和除鹽的雙重作用,達到前置過濾和混床的雙重效果。但是,在實際應用中出現了下列問題:
(1)如此細的樹脂粉末無法進行再生和重復使用,失效的粉末樹脂必須棄去,大大增加了運行費用。
(2)由于所覆蓋的粉末樹脂數量少,離子交換量低,凝結水中的氨可使氫型陽樹脂粉末迅速變為銨型(約4ｈ～8ｈ),樹脂直接與高ｐＨ值的凝結水接觸,失去除鹽能力。
(3)氫型陽樹脂轉為銨型時,顆粒體積縮小,造成樹脂覆蓋層的體積收縮,出現裂縫。有的設備為了防止樹脂覆蓋層裂縫,用銨型陽樹脂粉替代了氫型樹脂粉,雖然解決了覆蓋層的裂縫問題,但失去了4ｈ～8ｈ的除鹽能力。
(4)由于粉末樹脂要與高ｐＨ值凝結水接觸,并與水中的離子達到平衡,因此必須具有很高的再生度(在深床工藝的氫型混床中,不需要如此高的再生度)。要達到此再生度,必須消耗大量的酸堿,同時產生大量的廢酸堿。因這部分廢酸堿在粉末樹脂的制造廠排放,對環境的污染可能增大。
(5)由于該設備在大部分的運行時間內沒有除鹽作用,即使在凝汽器發生微小泄漏時,也難以維持鍋爐給水的質量,因此失去了對熱力設備的保護作用。
(6)雖然樹脂在電廠不進行再生,可以不使用酸堿,從而減少了酸堿貯存的設備和廢液處理的麻煩,但是存在廢棄粉末樹脂的處理問題。
3 問題分析
(1)從上述出現的問題可以看出,以氫型陽樹脂鋪膜的粉末樹脂覆蓋過濾器能夠發揮除鹽作用的時間只占運行周期的1.67%(按照美國某公司提供的運行周期為20天,能夠除鹽的時間為8ｈ計算),而其它運行時間沒有除鹽作用。使用銨型粉末陽樹脂則完全沒有除鹽作用。粉末樹脂覆蓋過濾器只是用粉末樹脂作為過濾材料的覆蓋過濾器,與紙粉覆蓋過濾器的效果相似,但使用粉末樹脂比紙粉容易爆膜[5]。
(2)顆粒很細的樹脂粉末對運行水流必將產生很大的阻力,影響設備出力。為了防止濾層的水流阻力過大,除了減低覆蓋層厚度外,國外有關專家認為:可以利用陽、陰樹脂粉末混合時產生的“空間效應”(即陽、陰樹脂混合后的體積大于二者之和)使濾層的水流阻力降低。但是,在運行中的水流作用下,此效應迅速消失,水流阻力又會增大。再者,銨型陽樹脂與氫氧型陰樹脂的空間效應明顯小于氫型陽樹脂與氫氧型陰樹脂。
(3)粉末樹脂覆蓋過濾器在大部分運行時間內失去了除鹽作用,其出水的電導率和含鹽量也與進水近似或相同。
(4)粉末樹脂覆蓋過濾器的作用主要是對凝結水中腐蝕產物和懸浮物的去除。近年來,淘汰了20世紀80年代曾使用的梯形繞絲濾元,而改用管式過濾器作為濾元。由于管式過濾器本身就具有過濾除鐵的作用,覆蓋粉末樹脂后,其過濾作用可進一步提高。
(5)由于粉末樹脂覆蓋過濾器基本上沒有除鹽作用,因此其失效終點也不應根據出水漏過的離子含量確定,而是以進出水壓差或出水含鐵量超標作為失效終點。如按照運行周期為20天計算運行費用[9],又按照鋪膜后(4ｈ～8ｈ)內的出水水質與長時間能夠除鹽的深床除鹽進行比較是不科學的。當凝汽器存在微小泄漏時,應立即停止運行進行爆膜,用氫型陽樹脂和氫氧型陰樹脂粉末重新進行鋪膜,但其除鹽時間最多能夠維持(4～8)ｈ(取決于凝結水中的含氨量和凝汽器的泄漏率)。
4 粉末樹脂覆蓋過濾器的使用
4.1 濕冷機組
(1)粉末樹脂覆蓋過濾器可以作為去除凝結水中的腐蝕產物和懸浮物的前置過濾器使用,也可用于凝結水含鹽量低、不需要除鹽時使用;
(2)如果使用銨型陽樹脂粉末作為過濾介質,即已失去除鹽作用,可以考慮省去價格昂貴的粉末樹脂,改用其它覆蓋材料,這樣既能保持除鐵效率,又能節省運行費用。
4.2 空冷機組
粉末樹脂過濾器適用于空冷機組的凝結水精處理使用,這是基于粉末樹脂在過濾器內是一次性使用,不必考慮溫度超過60℃出現的陰樹脂降解問題。實際上,更高的凝結水溫對強堿樹脂的降解和去除二氧化硅的能力是有影響的。
水溫超過65℃時,強堿陰樹脂的降解速度明顯增大。考慮到粉末樹脂覆蓋過濾器本身幾乎不具有除鹽能力,則可以不使用耐溫性能差的強堿陰樹脂,而單獨使用銨型陽樹脂與纖維素作為覆蓋材料。這樣,既保證了對凝結水中懸浮雜質(包括腐蝕產物和非活性硅等)的去除,又解決了高溫情況下粉末樹脂過濾器退出運行的問題。使用銨型陽樹脂粉末,運行中樹脂體積不存在轉型收縮,覆蓋層不會出現裂縫,同時陽樹脂具有價格低、運行周期長等一系列優點。
空冷機組初投運期間,由于龐大的空冷系統在安裝過程中帶入的灰塵、沙土和基建垃圾不能徹底清除,在機組起動過程中大量的鐵、鹽類雜質和硅的化合物會穿過粉末樹脂覆蓋過濾器進入熱力系統,造成機組投運過程中水汽品質不合格。同時,由于大量雜質進入粉末樹脂覆蓋過濾器造成頻繁爆膜,運行費用大大增加。
空冷機組正常運行后,雖然凝結水中的溶解鹽類比較少,但仍然應該考慮漏入的空氣使凝結水中ＣＯ2和ＳｉＯ2含量升高的問題。對給水質量要求高的直流爐和核電站,應考慮在粉末樹脂覆蓋過濾器后設置氫離子交換器混床或陽陰陽的分床系統,以達到去除離子雜質的目的。
5 幾點看法
(1)粉末樹脂覆蓋過濾器由于鋪膜的樹脂量少,幾乎不具備除鹽能力,建議用銨型陽樹脂粉末為過濾介質,作為覆蓋過濾器使用,達到去除腐蝕產物和懸浮物的作用。
(2)當鍋爐給水水質要求高時(如直流爐或核電站),可以在粉末樹脂覆蓋過濾器后設置氫離子交換器混床或陽陰陽的分床系統,以達到去除離子雜質的目的。
(3)在機組凝結水精處理系統設計時,應充分評估粉末樹脂覆蓋過濾器的實際效果和對機組安全經濟運行的影響。
粉末樹脂覆蓋過濾技術已經在我國火力發電廠中大量使用,通過總結數年的應用經驗,對該系統的優缺點有了較為全面的了解,本文對粉末樹脂覆蓋過濾技術的應用及其存在問題進行探討。
1 粉末樹脂過濾器在我國的發展過程
20世紀70年代,我國曾翻譯了多篇介紹粉末樹脂覆蓋過濾技術的文獻。
1978年,中國電機工程學會火電設計赴日考察實習組在考察報告的“前置過濾器”部分,介紹了覆蓋過濾器和粉末樹脂過濾器在日本的使用情況。20世紀80年代,認為粉末樹脂過濾器不適合我國電廠使用,因此該過濾器未能在國內進行研究和推廣使用。20世紀90年代初,機械電子工業部組織的凝結水處理赴美考察團在“大型電廠凝結水精處理赴美技術考察報告”中介紹了凝結水精處理的狀況,并詳細介紹了粉末樹脂過濾器的性能、特點及其使用,從美國引進了有關的技術。1999年11月,國家電力公司電力規劃設計總院召開了對粉末樹脂覆蓋過濾設備的評審會,提出了如下的評審意見:
(1)粉末樹脂覆蓋過濾設備具有系統簡單、基建投資省、設備占地面積小、有較好的除鐵和除硅效果、無酸堿廢液的排放等優點;
(2)可作為火電廠正常運行時的凝結水處理、機組起動時的除鐵除硅、直接空冷機組的凝結水除鐵除二氧化碳等處理的比選方案;
(3)無錫鍋爐廠從美國引進的粉末樹脂覆蓋過濾系統的設計及設備制造技術,在國內處于領先地位;
(4)粉末樹脂覆蓋過濾設備的生命力在于國產化,建議通過和外商合作生產,加速實現國產化,不斷完善與提高,增強市場的競爭能力。
1999年,Ｒ.Ｋｕｎｉｎ和Ｅｌｉｓａｌｅｍ在我國介紹了粉末樹脂覆蓋過濾器的性能、優點以及美國多家電廠和我國某電廠的使用情況。2003年,作者曾發表文章[10]討論了粉末樹脂過濾器的機理和應用。此后,有些新建電廠的凝結水處理采用了粉末樹脂過濾器。
2 粉末樹脂覆蓋過濾器存在的問題
粉末樹脂覆蓋過濾器是從紙粉覆蓋過濾器發展而來,利用粉末樹脂替代紙粉作為過濾材料。使用粉末樹脂替代紙粉的目的是希望該設備具有過濾除鐵和除鹽的雙重作用,達到前置過濾和混床的雙重效果。但是,在實際應用中出現了下列問題:
(1)如此細的樹脂粉末無法進行再生和重復使用,失效的粉末樹脂必須棄去,大大增加了運行費用。
(2)由于所覆蓋的粉末樹脂數量少,離子交換量低,凝結水中的氨可使氫型陽樹脂粉末迅速變為銨型(約4ｈ～8ｈ),樹脂直接與高ｐＨ值的凝結水接觸,失去除鹽能力。
(3)氫型陽樹脂轉為銨型時,顆粒體積縮小,造成樹脂覆蓋層的體積收縮,出現裂縫。有的設備為了防止樹脂覆蓋層裂縫,用銨型陽樹脂粉替代了氫型樹脂粉,雖然解決了覆蓋層的裂縫問題,但失去了4ｈ～8ｈ的除鹽能力。
(4)由于粉末樹脂要與高ｐＨ值凝結水接觸,并與水中的離子達到平衡,因此必須具有很高的再生度(在深床工藝的氫型混床中,不需要如此高的再生度)。要達到此再生度,必須消耗大量的酸堿,同時產生大量的廢酸堿。因這部分廢酸堿在粉末樹脂的制造廠排放,對環境的污染可能增大。
(5)由于該設備在大部分的運行時間內沒有除鹽作用,即使在凝汽器發生微小泄漏時,也難以維持鍋爐給水的質量,因此失去了對熱力設備的保護作用。
(6)雖然樹脂在電廠不進行再生,可以不使用酸堿,從而減少了酸堿貯存的設備和廢液處理的麻煩,但是存在廢棄粉末樹脂的處理問題。
3 問題分析
(1)從上述出現的問題可以看出,以氫型陽樹脂鋪膜的粉末樹脂覆蓋過濾器能夠發揮除鹽作用的時間只占運行周期的1.67%(按照美國某公司提供的運行周期為20天,能夠除鹽的時間為8ｈ計算),而其它運行時間沒有除鹽作用。使用銨型粉末陽樹脂則完全沒有除鹽作用。粉末樹脂覆蓋過濾器只是用粉末樹脂作為過濾材料的覆蓋過濾器,與紙粉覆蓋過濾器的效果相似,但使用粉末樹脂比紙粉容易爆膜[5]。
(2)顆粒很細的樹脂粉末對運行水流必將產生很大的阻力,影響設備出力。為了防止濾層的水流阻力過大,除了減低覆蓋層厚度外,國外有關專家認為:可以利用陽、陰樹脂粉末混合時產生的“空間效應”(即陽、陰樹脂混合后的體積大于二者之和)使濾層的水流阻力降低。但是,在運行中的水流作用下,此效應迅速消失,水流阻力又會增大。再者,銨型陽樹脂與氫氧型陰樹脂的空間效應明顯小于氫型陽樹脂與氫氧型陰樹脂。
(3)粉末樹脂覆蓋過濾器在大部分運行時間內失去了除鹽作用,其出水的電導率和含鹽量也與進水近似或相同。
(4)粉末樹脂覆蓋過濾器的作用主要是對凝結水中腐蝕產物和懸浮物的去除。近年來,淘汰了20世紀80年代曾使用的梯形繞絲濾元,而改用管式過濾器作為濾元。由于管式過濾器本身就具有過濾除鐵的作用,覆蓋粉末樹脂后,其過濾作用可進一步提高。
(5)由于粉末樹脂覆蓋過濾器基本上沒有除鹽作用,因此其失效終點也不應根據出水漏過的離子含量確定,而是以進出水壓差或出水含鐵量超標作為失效終點。如按照運行周期為20天計算運行費用[9],又按照鋪膜后(4ｈ～8ｈ)內的出水水質與長時間能夠除鹽的深床除鹽進行比較是不科學的。當凝汽器存在微小泄漏時,應立即停止運行進行爆膜,用氫型陽樹脂和氫氧型陰樹脂粉末重新進行鋪膜,但其除鹽時間最多能夠維持(4～8)ｈ(取決于凝結水中的含氨量和凝汽器的泄漏率)。
4 粉末樹脂覆蓋過濾器的使用
4.1 濕冷機組
(1)粉末樹脂覆蓋過濾器可以作為去除凝結水中的腐蝕產物和懸浮物的前置過濾器使用,也可用于凝結水含鹽量低、不需要除鹽時使用;
(2)如果使用銨型陽樹脂粉末作為過濾介質,即已失去除鹽作用,可以考慮省去價格昂貴的粉末樹脂,改用其它覆蓋材料,這樣既能保持除鐵效率,又能節省運行費用。
4.2 空冷機組
粉末樹脂過濾器適用于空冷機組的凝結水精處理使用,這是基于粉末樹脂在過濾器內是一次性使用,不必考慮溫度超過60℃出現的陰樹脂降解問題。實際上,更高的凝結水溫對強堿樹脂的降解和去除二氧化硅的能力是有影響的。
水溫超過65℃時,強堿陰樹脂的降解速度明顯增大。考慮到粉末樹脂覆蓋過濾器本身幾乎不具有除鹽能力,則可以不使用耐溫性能差的強堿陰樹脂,而單獨使用銨型陽樹脂與纖維素作為覆蓋材料。這樣,既保證了對凝結水中懸浮雜質(包括腐蝕產物和非活性硅等)的去除,又解決了高溫情況下粉末樹脂過濾器退出運行的問題。使用銨型陽樹脂粉末,運行中樹脂體積不存在轉型收縮,覆蓋層不會出現裂縫,同時陽樹脂具有價格低、運行周期長等一系列優點。
空冷機組初投運期間,由于龐大的空冷系統在安裝過程中帶入的灰塵、沙土和基建垃圾不能徹底清除,在機組起動過程中大量的鐵、鹽類雜質和硅的化合物會穿過粉末樹脂覆蓋過濾器進入熱力系統,造成機組投運過程中水汽品質不合格。同時,由于大量雜質進入粉末樹脂覆蓋過濾器造成頻繁爆膜,運行費用大大增加。
空冷機組正常運行后,雖然凝結水中的溶解鹽類比較少,但仍然應該考慮漏入的空氣使凝結水中ＣＯ2和ＳｉＯ2含量升高的問題。對給水質量要求高的直流爐和核電站,應考慮在粉末樹脂覆蓋過濾器后設置氫離子交換器混床或陽陰陽的分床系統,以達到去除離子雜質的目的。
5 幾點看法
(1)粉末樹脂覆蓋過濾器由于鋪膜的樹脂量少,幾乎不具備除鹽能力,建議用銨型陽樹脂粉末為過濾介質,作為覆蓋過濾器使用,達到去除腐蝕產物和懸浮物的作用。
(2)當鍋爐給水水質要求高時(如直流爐或核電站),可以在粉末樹脂覆蓋過濾器后設置氫離子交換器混床或陽陰陽的分床系統,以達到去除離子雜質的目的。
(3)在機組凝結水精處理系統設計時,應充分評估粉末樹脂覆蓋過濾器的實際效果和對機組安全經濟運行的影響。
