某熱電廠一級除鹽系統運行惡化原因分析及處理措施

余建飛，何紅斌，張 明

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北能源綜合能源投資有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

鍋爐補給水系統是保證發電機組安全經濟運行的關鍵輔助系統之一，不僅能有效避免鍋爐結垢、腐蝕或蒸汽品質差引起的事故，而且有助于機組的穩定可靠運行。一級除鹽系統周期制水量降低不僅會增大酸堿耗、增加制水成本和工作量，而且可能存在樹脂被污染、除鹽水品質差和環保等問題［1-6］，直接影響熱電廠冬季供熱供汽期間的安全經濟運行、蒸汽品質和腐蝕結垢等［7-17］，因此如何全面、快速查找鍋爐補給水系統周期制水量降低的原因并解決問題，顯得尤為重要。

本文針對某熱電廠周期制水量逐步降低和重復再生的問題，對補給水系統進行了全面查定和試驗分析，根據試驗結果對設備進行了優化調整，取得了良好效果。

1 一級除鹽工藝流程

鍋爐補給水處理系統所用水源為湯遜湖水，經凈水站澄清處理后送至鍋爐補給水處理車間，補給水處理工藝流程為：工業水池來水→高效纖維過濾器→清水箱→陽床→除碳器→中間水箱→陰床→混床→除鹽水箱。

一級除鹽設備由3個系列組成，每個系列正常出力為150 m3/h，共用1套再生設備，每臺陽床和陰床可以組合運行，除碳器采用鼓風除碳，設計原水無次氯酸鈉加藥裝置。陽床直徑為3 000 mm，樹脂設計填裝高度為2 000 mm，內裝001×7陽樹脂；陰床直徑為3 200 mm，樹脂設計填裝高度為2 800 mm，內裝201×7 陰樹脂。陽床和陰床均采用逆流再生，陽床失效用工業鹽酸再生，陰床失效用工業燒堿再生。

2 存在的問題

該電廠于2015 年投運，從2019 年開始，陽床和陰床周期制水量逐步降低，到2021年冬季陽床有時運行不到2 h就失效，制水量不到200 t，甚至出現重復再生的情況；陰床冬季制水量顯著低于夏季。但冬季供熱供氣期間，由于補給水量大，即使出現再生不合格或出水水質已超過失效標準，一級除鹽設備仍需投入運行或繼續運行，以保證機組持續運行。

化學運行人員操作水平參差不齊，特別是在線儀表不準確時，不能判斷加藥量及再生液是否連續進入床內再生樹脂，易造成再生失敗或水處理運行周期縮短。再生時操作的隨意性比較大，酸堿用量波動大，大反洗再生時，未執行雙倍劑量再生，很少去現場觀察樹脂是否會被沖洗帶出。此外酸堿用量計量不準確，有多用少寫、少用多寫的現象，影響酸堿耗計算準確性。

3 原因分析

3.1 原水水質

武漢湯遜湖是亞洲最大的城中湖，水質多為Ⅳ類或劣Ⅳ類，表1為不同時期的原水水質分析結果，取樣點為電廠高密度沉淀池入口。自從2020年5月武漢市開始湯遜湖流域環境綜合治理后，湖水有機物含量有所降低，但仍為Ⅳ類；枯水期湖水水質差，陰陽離子含量增加。

表1 原水水質Table 1 Raw water quality

制水量與樹脂體積、預處理脫鹽效率、進水離子濃度等指標的關系如式（1）所示。

式（1）中，V為樹脂體積（m3）；E為樹脂工交容量（mol/m3）；Q為周期制水量（m3）；R為預處理脫鹽效率；C陽（陰）為進水陽（陰）離子濃度（mmol/L）。

從式（1）可以看出，假定樹脂體積、預處理脫鹽效率和樹脂工交容量不變，則周期交換容量為固定值，C陽（陰）離子濃度與周期制水量成反比，離子濃度增加，周期制水量降低，水質變差將直接使周期制水量降低［9］。

基于原水有機物含量高且無次氯酸鈉加藥裝置，對預處理系統和補給水系統設備出口水質進行有機物含量測試，結果見表2，從表中可以看出，纖維過濾器去除有機物的效果甚差，且其出口有機物含量已超出《DL/T 5068-2014 發電廠化學設計規范》規定的陽離子交換器進水CODMn要求（＜2 mg/L）［15］，未去除的有機物會進入除鹽系統，污染樹脂。當陽樹脂被有機物污染后，污染物會影響Na+與樹脂間的交換反應，陽床出水易漏鈉，當超過失效標準時，運行時間變短，制水量降低［16-18］。

表2 原水及一級除鹽系統有機物測試結果Table 2 Test results of organic matter in raw water and primary demineralizing system

3.2 再生劑質量

再生劑純度對離子交換樹脂的再生效果及再生后的出水水質有較大影響。再生液純度高、雜質含量低則樹脂的再生度高，出水水質好。從電廠酸堿入廠驗收臺賬和第3方檢測報告看，酸堿質量符合要求，再生用的酸堿來源固定，各項指標比較穩定，無不合格酸堿進入系統。鹽酸和燒堿質量抽檢分析結果見表3和表4，質量符合要求，排除酸堿質量不合格對周期制水量的影響。

表3 鹽酸質量分析結果Table 3 Analysis results of hydrochloric acid quality

表4 燒堿質量分析結果Table 4 Analysis results of NaOH quality

3.3 樹脂

由于陽床中部窺視鏡總是滿屏樹脂，無法觀察床內樹脂水平面位置和判斷是否需要補充樹脂，所以選擇先打開頻繁再生且周期制水量明顯低于另外2臺陽床的1號陽床，檢查樹脂裝載量和污染情況。

打開1 號陽床后發現樹脂流失比較嚴重，局部可見中排露出，說明工作層厚度不足。工作層厚度過低會產生以下3個問題：1） 床體樹脂裝填量少，工作容量就會降低，運行時水中鹽類易于“穿透”樹脂，失效快，周期制水量低，交換床再生頻繁；2） 樹脂高度在中排處，說明局部沒有壓脂層，無法防止逆流再生過程中樹脂亂層，亂層會使下部失效度很低的樹脂層與上部完全失效的樹脂層相混，樹脂層中的離子形態分布規律被打亂，失去逐層置換的作用，再生程度底部很高的底部交換層不能形成，使出水端樹脂的再生效果大大降低，因而失去逆流再生的優勢；3） 反洗和空氣擦洗時，運行人員從窺視鏡看不到樹脂，無法判斷反洗效果。這樣就會使出水水質變差，周期制水量降低。

將1 號陽床樹脂置換到大型塑料桶后，可見有些樹脂表層顏色發黑，下層呈棕色或深棕色，表面浮有綠藻或菌類（如圖1），陽樹脂間的懸浮物會堵塞樹脂層中的孔隙，從而增大其水流阻力和運行壓降，同時陽樹脂可能被有機物污染，會影響Na+與樹脂間的交換反應，降低樹脂的工作交換容量，說明陽床停運期間維護不當。取60 mL 樹脂裝入玻璃交換柱中，用蒸餾水反復洗滌，以除去表面附著物，直至清亮為止，取反洗干凈的樹脂50 mL，用12%鹽水振蕩10 min后，鹽水呈琥珀色，屬于有機物中度污染，也會覆蓋在樹脂顆粒表面，需對陽樹脂進行復蘇處理。由于1 號陽床存在問題多，對另外2臺陽床和3臺陰床也進行了檢查，盡管問題沒有1 號陽床嚴重，但均存在樹脂裝載量少和樹脂被有機物污染的問題。

圖1 陽樹脂宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of cation resin

此外當有機物漏過陰床和混床進入給水系統時，隨著溫度升高，有機物逐漸分解成低分子化合物及弱酸性物質，導致給水pH 下降，電導率上升，使爐水pH值低于規定的標準值，當爐水pH 值偏低時，會破壞鍋爐表面保護膜，加快金屬腐蝕，高溫高壓可能發生鍋爐爆管事故［11］。此外，低pH 值還將引起爐水中硅酸含量上升，蒸汽攜帶隨著增加，日積月累可能造成汽輪機葉片積鹽，影響汽輪機出力等［7-8］。

3.4 再生工藝

一級除鹽設備基建投運之初，再生參數主要是參考同類電廠相關資料確定，沒有根據實際情況進行再生優化。為了準確客觀地判斷化學一級除鹽設備運行情況、酸堿耗等運行成本，在一級除鹽設備運行和再生過程中，測量了設備的運行流速和再生各步驟流量，測試結果見表5?？梢钥闯?，陽床和陰床同一步驟的流量接近，小反洗和再生流量高于設計值，小反洗流量偏大，會使壓脂層樹脂逐漸流失，影響工作層高度。陽床樹脂層高比陰床低800 mm，但再生流速相同，對陽床來說，再生流量偏大，容易導致亂層。

表5 一級除鹽系統流量測試結果Table 5 Flow test results of the primary demineralizing system

離子交換樹脂工作時，分別通過陽樹脂中的H+和陰樹脂中的OH-將水中的陽離子和陰離子置換出來，這個過程是可逆的，再生即是除鹽的逆過程。離子交換樹脂對溶液中不同離子有不同的親和力，對它們的吸附有選擇性，主要規律為：高價離子通常優先吸附，而低價離子的吸附較弱；在同價的同類離子中，直徑較大的離子被吸附較強［19］。

陽床逆流再生時，底部最先置換出來的Na+往上移動，由于吸附能力弱，先置換出其上部失效樹脂中的二價陽離子，置換出的Ca2+和Mg2+等上移，置換出陽床上部失效樹脂中的三價等離子，Fe3+和Al3+等先進入再生洗脫液中，然后是Ca2+和Mg2+等二價離子，最后Na+和H+。因此再生初期，再生洗脫液中檢測不到Na+，隨著再生的進行，H+、Na+逐步上移，Na+濃度逐漸增加，達到最大值后減小，直至再生結束；而HCl濃度會逐步增加，直至與入口再生液中濃度接近。陽樹脂再生反應如下：

在一級除鹽系統再生時分批收集再生洗脫液，分析洗脫離子濃度和再生劑量，每5 min收集一次，共13個樣本，從而得出一系列再生曲線（如圖2 和圖3），判斷是否達到再生終點、排酸堿量是否大，同時在進再生液15 min 和40 min 時，在陰床和陽床入口取樣分析再生液濃度。

圖2 1號陽床優化前的再生曲線Fig.2 Regeneration curve of Cation Exchanger No.1 before the optimization

圖3 1號陰床優化前的再生曲線Fig.3 Regeneration curve of Anion Exchanger No.1 before the optimization

圖2 和圖3 為1 號陽床和1 號陰床的再生曲線，經測試陽床入口再生液HCl含量為4.23%和4.28%，陰床入口再生液NaOH含量為3.77%和3.76%。從圖2可以看出，陽床再生洗脫液Na+濃度在35 min 到達峰值，隨后的10 min，Na+濃度略有下降，而再生洗脫液HCl 含量隨著再生反應的進行進一步增加，再生結束時，再生洗脫液HCl 含量超過3%，說明陽床已達到再生終點。圖3 顯示陰床再生洗脫液Cl-濃度在45 min～50 min 到達峰值，再生結束時的洗脫液中NaOH 含量為接近2.5%，說明陰床樹脂再生50 min 左右時達到再生終點。

從陽床再生液入口濃度和洗脫液中酸含量可以看出，陽床再生液HCl 含量偏高，再生結束時，洗脫液中的HCl 含量超過3%，說明排酸量大，因而酸耗高。從理論上講，一定范圍內再生液濃度越高，再生程度越好，但酸耗量大；當濃度超過某一范圍時，再生程度不但不提高反而下降，造成再生劑的浪費；但再生液濃度太低，則再生反應不徹底，同時增加再生操作時間和自用水率［4，9］。

此外在1 號陰床再生取樣過程中，發現陰床洗脫液溫度大多數很低，個別為常溫，經測試40 min時再生液溫度為19 ℃，再生結束時為11 ℃，說明陰床入口再生液溫度低。經檢查發現電熱水箱設定溫度為40 ℃，且陰床再生過程中電熱水箱加熱器未開。而文獻［20］表明，陰樹脂再生液溫度對陰床的再生度影響很大，當進口溫度為30 ℃～40 ℃，不僅能大大提升陰樹脂再生度，減少堿用量，也能顯著提供陰床周期制水量。

4 解決措施

為解決一級除鹽設備酸堿高問題，針對上述問題，采取了以下措施：

1） 原水預處理系統清理及改造

由于原水有機物含量高，影響了后續系統出力和除鹽水水質，因此在原有原水預處理系統上加裝次氯酸鈉加藥系統，進行殺菌滅藻，加藥口設置在高密度沉淀池入口。同時利用機組檢修期間，對整個預處理系統和一級除鹽系統等進行清理，去除設備和管道內的懸浮物、青苔、綠藻和菌類等，保證設備干凈。

次氯酸鈉加藥裝置運行一段時間后，在原水進口和各設備出口取樣分析CODcr和TOC，結果見表6，從表中可以看出沉淀池出水有機物含量大大降低，且陽床、陰床和混床出水的有機物含量也大幅下降，尤其是陰床出水，其含量僅為改造前的15.84%。盡管改造后混床出水CODcr大幅降低，但其含量仍在0.5 mg/L 以上，TOC也未達到標準的規定值，應繼續根據原水有機物濃度進行調節加藥量，優化加藥控制，減少陽床和陰床運行壓力，使混床出水有機物含量合格，避免影響后續的爐水水質和蒸汽品質［10，21-27］，以防結垢和腐蝕。

表6 原水及一級除鹽系統改造后有機物測試結果Table 6 Test results of organic matter in raw water and primary demineralization system after the innovation

2） 樹脂補充和復蘇

清理碎樹脂和樹脂中的綠藻等雜質，同時補充適量新樹脂，保證樹脂層在中排上方20 cm，對受污染的樹脂進行復蘇。

3） 設備內部檢查

檢修工作人員在陰、陽床解體時，對離子交換器內部進行徹底檢查和處理，包括布水裝置（水帽）、中排裝置和襯膠，保證水流均勻分布和設備不被腐蝕。

4） 再生工藝優化

調整陰陽床小反洗和再生流量，小反洗流量從70 m3/h 調整至60 m3/h，避免流量過大帶走壓脂層樹脂；陽床再生流量從31 m3/h 調整至22 m3/h，使再生液和樹脂之間有合理的接觸時間，保證充分利用再生劑，提高再生度；陽床再生液HCl 濃度降低至2.5%，延長再生時間，多次優化后陽床再生時間為75 min。

提高電熱水箱加熱設定溫度，由45 ℃提升至80 ℃，并提前3 h 加熱至80 ℃。同時進水和排水的時候，加熱器全開。在預噴射階段開始混合冷水和熱水，使樹脂溫度提前升溫，加裝溫度在線監測裝置，根據入口溫度變化調節冷熱水比例，保證再生液進水溫度在40 ℃左右，同時再生結束后水溫不低于30 ℃，提高陰床再生效果。

大反洗時開啟進水門時，操作要緩慢，反洗一定要徹底，嚴格執行雙倍劑量再生。在反洗過程中，操作人員要隨時監測交換器內樹脂反洗膨脹高度、反洗流量，避免樹脂流失。

5） 加強運行維護和管理

為避免再次出現1號陽床內綠藻菌類等微生物滋生的情況，定期對長時間停運的離子交換器進行正洗，正洗時間為30 min，然后排氣、充水，避免設備內含較多的空氣，有效抑制設備內微生物生長和樹脂發霉；長期停運的離子交換器建議冬季每半個月正洗1 次，夏季每周正洗1次。

熱工專業人員定期校核除鹽系列再生用稀釋流量計和在線酸堿濃度計，保證再生過程稀釋水流量和酸堿濃度計量準確，便于在運行人員監控，保證再生效果，運行中準確記錄酸堿耗量。

定期檢測原水及一級除鹽設備出水有機物含量、樹脂性能和樹脂層高。

加強高效纖維過濾器的運行管理，特別是正洗和反洗，避免釋放有機物，提高對有機物的去除率，避免有機物進入后續設備。

定期組織內部或外部培訓，提高化學運行人員業務水平，嚴格按運行規程進行再生操作，準確計量，做到認真監盤、及時發現異常并能處理。

5 結語

經過一段時間的摸索和反復試驗，陽床未出現重復再生情況，陽床周期制水量上升了25%，陰床冬季制水量上升了20%，酸堿耗量大大降低，減少再生廢水排放，同時推動企業降低碳排放。但在實際生產中，除鹽是一個動態過程，受多方面的影響，基于現有成熟技術，為提高周期制水量，減低酸堿耗量，可從以下幾方面進行考慮：

1） 加強原水殺菌管理，根據來水水質和溫度，及時調整加藥量，有效去除天然水體中的有機物含量，避免后續可能引起蒸汽品質異常。

2） 定期對除鹽設備進行內部檢查，特別是出現異常情況（亂層、漏樹脂、樹脂顏色異常等），要及時處理并查找原因。

3） 條件許可時，加裝反滲透預脫鹽設備，降低除鹽水TOC含量，從根本上解決水源有機物含量高與除鹽系統運行控制的矛盾，保證除鹽水出水水質，減少水汽系統結垢和腐蝕，降低機組運行風險。