湯 興

(安徽省電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230022)

1 概 述

隨著火力發(fā)電機(jī)組容量和參數(shù)的不斷提高,也給鍋爐給水的水質(zhì)提出了更高的要求。凝結(jié)水流量占了鍋爐給水流量的70%～75%,所以凝結(jié)水水質(zhì)在很大程度上決定了給水水質(zhì)。凝結(jié)水中的雜質(zhì),主要來源于凝汽器泄漏和機(jī)組腐蝕產(chǎn)物。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)不僅能有效去除凝結(jié)水中的金屬腐蝕產(chǎn)物和微量的溶解性鹽,而且還能改善機(jī)組啟動時給水的水質(zhì),縮短機(jī)組啟動時間。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)與樹脂的分離、再生有著直接關(guān)系。高塔分離作為凝結(jié)水精處理的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),已在新建的超臨界直流機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。

超(超)臨界直流鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)決定了其對給水水質(zhì)的要求較高,一般均應(yīng)在機(jī)組中設(shè)置凝結(jié)水精處理系統(tǒng),這種水處理系統(tǒng)由前置過濾器和空氣擦洗高速混床組成。現(xiàn)以國電蚌埠發(fā)電有限公司的(以下簡稱蚌埠電廠)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)為例,著重介紹高塔分離法的設(shè)備和工藝流程,并針對其特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

2 凝結(jié)水處理系統(tǒng)

蚌埠電廠2×600MW超臨界燃煤直流機(jī)組的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)系由國內(nèi)某公司設(shè)計(jì)并提供設(shè)備。全部凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)備(2臺機(jī)組配置)由2套2×50%前置過濾器和3×50%凝結(jié)水量的高速混床系統(tǒng)、1套公用的體外再生系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成,具體設(shè)備規(guī)格見表1。

表1 凝結(jié)水處理系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格

正常運(yùn)行工況下,2臺混床運(yùn)行,1臺混床備用,每臺混床處理50%的凝結(jié)水流量。高速混床運(yùn)行總壓差設(shè)計(jì)值不大于350kPa,最高允許運(yùn)行溫度為55℃。當(dāng)溫度、總壓差超過設(shè)定值或者少于2臺混床運(yùn)行時,凝結(jié)水精處理系統(tǒng)電動旁路閥自動打開,以便保護(hù)設(shè)備和機(jī)組的安全運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行中的混床四項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)(累計(jì)流量、電導(dǎo)率、Na+、SiO2)中,有某一項(xiàng)超標(biāo)時,該混床自動退出運(yùn)行。失效樹脂送到再生系統(tǒng)進(jìn)行體外再生。與之配套的為高塔分離再生系統(tǒng)(常壓3塔體外再生系統(tǒng)),由樹脂分離塔(SPT)、陰樹脂再生塔(ART)、陽樹脂再生兼樹脂貯存塔(CRT)以及與之配套的酸堿系統(tǒng)、廢水排放系統(tǒng)、羅茨風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成,系統(tǒng)布置見圖1所示。

3 再生工藝過程分析

長期運(yùn)行的高速混床出水水質(zhì)要達(dá)到高純度的要求,除了選用高質(zhì)量的樹脂、控制混床的進(jìn)水水質(zhì)、提高再生劑的質(zhì)量外,關(guān)鍵還在于選擇合適的再生設(shè)備和設(shè)計(jì)合理的再生程序。

3.1 失效樹脂輸送

高速混床中的失效樹脂能否徹底輸送干凈,關(guān)系到凝結(jié)水精處理系統(tǒng)能否高效運(yùn)行?；齑仓幸咽У臉渲?要盡可能地輸送干凈,否則失效樹脂會污染再生后的樹脂,嚴(yán)重影響混床出水水質(zhì)和制水周期?；齑步?jīng)過長期運(yùn)行后,樹脂被壓得非常緊實(shí),部分樹脂甚至結(jié)成了塊狀。這給樹脂順利輸出和輸送干凈都帶來了很大困難。高塔分離法的失效樹脂導(dǎo)出是用壓縮空氣從混床再循環(huán)門進(jìn)入,依次經(jīng)過水帽和樹脂層,最后壓縮空氣聚集在混床的頂部,將水和樹脂的混合物從混床底部的樹脂出口門慢慢“擠”出,當(dāng)大部分樹脂都輸送完時,再從混床上部進(jìn)水,進(jìn)行氣、水共同輸送。這種從底部進(jìn)壓縮空氣的樹脂輸送方法起到了三個非常好的作用。一是壓縮空氣穿過樹脂,攪動了被壓實(shí)的樹脂層,起到讓樹脂松動的作用,使樹脂能被順利輸出。二是壓縮空氣使水帽附近的樹脂都流動起來,水帽板上的樹脂更加容易流動到樹脂出口,使樹脂能徹底輸送干凈。三是壓縮空氣體儲能比較大,在輸送過程中能保持壓力穩(wěn)定。此外,混床的水帽布置在一曲面鋼板上,樹脂在這種曲面鋼板比在平面鋼板上更易流動。在實(shí)際運(yùn)行中,可通過混床窺視鏡進(jìn)行觀察,也可打開混床人孔直接察看,從底部進(jìn)氣的輸送方法,可將混床內(nèi)的樹脂輸送得很干凈,失效樹脂的殘留率均小于0.1%。

圖1 高塔分離法系統(tǒng)圖

3.2 失效樹脂分離

失效樹脂的分離是保證樹脂再生效果、精處理出水水質(zhì)及制水周期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。蚌埠電廠的樹脂分離塔結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn):樹脂分離塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特,分離塔采用了下窄上寬,倒錘體細(xì)長型的筒身。下部是圓柱型,頂部為倒置的圓臺型,垂直高度達(dá)5600 mm,有效分離高度為5580 mm,底部柱體直徑為1600mm,上部最寬處直徑為2400mm。細(xì)長的圓柱十分有利于反洗時均勻的柱狀流動;反洗、沉降及輸送樹脂時,將內(nèi)部擾動減小到最小,且分離塔內(nèi)沒有會產(chǎn)生攪動的中間集管裝置。將分離塔的橫截面積設(shè)計(jì)成較小,不僅優(yōu)化了高度與直徑的比例,而且使陰陽樹脂過渡區(qū)高度增大到1000 mm,有效地降低了樹脂交叉污染的可能性。塔體采用變徑設(shè)計(jì)后,水流在SPT底部能保持較高的水流速度,而到達(dá)頂部時,因塔體截面增大,流速減緩,避免了密度較小的陰樹脂堵塞反洗出口的水帽。該設(shè)計(jì)也有效地增加了樹脂分離時反洗空間,樹脂反洗膨脹率能達(dá)到100%。

3.3 樹脂分離塔內(nèi)的分離流程

(1)空氣擦洗

首先,將樹脂分離塔(SPT)中的水排放至樹脂上方100～200mm。然后啟動羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng),對混脂進(jìn)行空氣擦洗,目的在于松動樹脂和初步去除樹脂表面附著的金屬氧化物等污染物。

(2)反洗分層

采用能使樹脂 100%膨脹的反洗流量進(jìn)行反洗,同時要保證反洗時不跑樹脂。在實(shí)際操作過程中,大流量通過SPT底部的反洗進(jìn)水主、副調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)。在反洗初期,同時開啟這2個閥門,此時反洗流量達(dá)到最大值(60～70m3/h),使混合樹脂層得到充分地膨脹,盡可能減少陰樹脂留在罐底的機(jī)會。然后慢慢關(guān)閉副調(diào)節(jié)閥門,維持主調(diào)節(jié)閥流量在24m3/h,整個過程耗時約15～20min。緊接著,緩慢調(diào)小主調(diào)節(jié)閥門流量至12 m3/h,持續(xù)10min左右,直至最后到4m3/h,穩(wěn)定反洗20min。在整個過程中陰、陽樹脂逐步分離,均勻沉降,可達(dá)到理想的分離效果。這種可調(diào)流量的反洗控制,充分考慮到反洗開始時陰、陽樹脂幾乎完全混合的因素,采用大流量的反洗。隨著陰樹脂的上浮,陽樹脂的沉降,呈現(xiàn)出一定的界面層時,降低反洗流速,可使樹脂層平穩(wěn)沉降,減少因過大的水流擾動而造成小顆粒的陽樹脂被水流摻雜帶入上部的陰樹脂層中。因此,逐步降低流速就顯得非常有效。

(3)陰、陽樹脂輸出

沉降分離后,混脂層上部的陰樹脂先通過一個位于SPT中部的陰樹脂管道輸送至ART中。輸送陰樹脂時,SPT頂部和底部同時進(jìn)水,上部進(jìn)水流量一般維持在30～35 m3/h,下部進(jìn)水流量一般維持在1～2m3/h,當(dāng)樹脂下降到SPT陰樹脂輸送管道口時,陰樹脂輸出結(jié)束。陰陽樹脂之間留有高度0.8～1.0m的混脂層,陰陽樹脂交界面在SPT陰樹脂輸送管道口下方0.4～0.5 m處,遠(yuǎn)離SPT陰樹脂輸送口。這樣就有效阻止了陰樹脂輸送過程中的夾帶。經(jīng)過測量,ART中陽樹脂含量都在0.1%以下,其多為細(xì)小樹脂和破碎樹脂,這種陽樹脂在反洗時較難分層。

陰樹脂輸送至ART后,陽樹脂并沒有直接送往CRT,而是在SPT內(nèi)進(jìn)行第二次水力分離。這一次反洗因?yàn)榻^大多數(shù)陰樹脂已經(jīng)送出,所以騰出了更為廣闊的分離空間,樹脂膨脹率大大提高了,所以樹脂的分離就較徹底。陽樹脂中陰樹脂攜帶量也將直接影響到再生好的整套樹脂的使用周期。

同輸送陰樹脂操作步驟一樣,輸送陽樹脂時SPT也是頂部和底部同時進(jìn)水,但對進(jìn)水流量要求更加嚴(yán)格。SPT頂部、底部進(jìn)水流量直接關(guān)系到輸送到CRT中陽樹脂的純度。為此,我們做了兩個試驗(yàn),先將SPT下部進(jìn)水流量控制在5 m3/h,改變SPT上部進(jìn)水流量,通過測量CRT中陽樹脂含量,確定最佳SPT下部進(jìn)水流量;同理,再保持SPT上部進(jìn)水流量不變,改變SPT下部進(jìn)水流量,確定SPT下部最佳進(jìn)水流量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 SPT下部進(jìn)水流量為5m3/h時CRT中陽樹脂含量

表3 SPT上部進(jìn)水流量為30m3/h時CRT中陽樹脂含量

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用較大的頂部進(jìn)水流量時,大水流作用于整個樹脂層的力量較大,局部樹脂(尤其是SPT底部出脂口處)輸送速度過快,導(dǎo)致整個樹脂層上部的樹脂會發(fā)生相對下移,這樣上部的陰樹脂有可能進(jìn)入陽樹脂層中,陰樹脂層很快形成“漏斗”;當(dāng)頂部進(jìn)水流量較小時,由于底部進(jìn)水流量相對加大,樹脂內(nèi)部可能再次紊動,平衡遭到破壞,在陰、陽樹脂層界面出現(xiàn)犬牙交錯的現(xiàn)象,這樣也會使部分陰樹脂隨陽樹脂進(jìn)入CRT中。只有在合適的SPT頂部、底部進(jìn)水流量下,各層的樹脂才能保持相對靜止,樹脂呈理想的“活塞”狀整體下降。通過反復(fù)試驗(yàn),觀察發(fā)現(xiàn)SPT上部進(jìn)水流量控制在30～35m3/h,下部進(jìn)水流量控制在3.5～4.0 m3/h輸送效果最佳,能夠達(dá)到陽樹脂中陰樹脂含量小于0.1%的指標(biāo)。

在SPT下部的窺視鏡上裝有光電開關(guān)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到陰陽樹脂界面時,向計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出信號,此時陽樹脂輸送結(jié)束。

3.4 陰、陽樹脂的再生

陰、陽樹脂的再生分別在ART、CRT中進(jìn)行。ART和 CRT都設(shè)計(jì)成圓柱形,ART直徑 1600 mm,高4500mm;CRT因要兼做樹脂貯存,所以尺寸較大,直徑1800mm,高5000mm,再生塔的中部設(shè)有中排裝置。再生主要包括:空氣擦洗,進(jìn)酸堿、置換,再生后空氣擦洗。

陰、陽樹脂被輸送到ART和CRT之后,首先分別進(jìn)行擦洗。因?yàn)樵赟PT中樹脂比較多,擦洗的效果并不十分理想,而在陰陽再生塔中,空間相對較大,擦洗氣量大,效果好。擦洗次數(shù)可以根據(jù)樹脂受污染的程度來決定。通過擦洗可以減少吸附在樹脂表面的金屬污染物、油污等,這樣在下一步進(jìn)酸堿再生時,氫離子和氫氧根離子更容易擴(kuò)散到樹脂交換基團(tuán)上。

進(jìn)酸、進(jìn)堿和置換完畢后,分別對陰陽樹脂進(jìn)行數(shù)次的空氣擦洗。因?yàn)樵跇渲蛛x和再生之前,雖經(jīng)數(shù)次擦洗,粘附于樹脂顆粒表面的污物也基本沖洗干凈。但在用再生劑進(jìn)行離子交換反應(yīng)之后,樹脂顆粒內(nèi)部網(wǎng)孔中的雜質(zhì)會向外擴(kuò)散出來,由于靜電吸引,重新集結(jié)于樹脂表面。而通過轉(zhuǎn)型后,樹脂顆粒的體積已發(fā)生變化,吸附力也隨之變小,此時再經(jīng)過空氣擦洗,則能更加有效地去除這部分雜質(zhì),清潔樹脂時可縮短后續(xù)水沖洗的時間。

再生好的陰陽樹脂在進(jìn)行混脂前進(jìn)行充分地淋洗,以免混脂時發(fā)生樹脂的“混合污染”,一般控制淋洗結(jié)束時出水電導(dǎo)率小于8μs/cm。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),混合前陰陽樹脂淋洗較完全,可大大減少混合后淋洗的時間和用水量。

3.5 樹脂混合、清洗和輸送

樹脂的混合與輸送也直接影響到凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的運(yùn)行效果,由于陰陽樹脂混合不均勻而引起的混床出水惡化的事例也是經(jīng)常發(fā)生的。在陰、陽樹脂混合的步驟中,首先進(jìn)行加壓排水至樹脂表面上部100～200mm處,避免高液位進(jìn)氣攪拌時出現(xiàn)的樹脂分層現(xiàn)象。然后開啟羅茨風(fēng)機(jī),充分?jǐn)噭訕渲瑢?。同時,采用一邊進(jìn)氣攪拌一邊開啟CRT中排進(jìn)行排水,在水位下降的同時,混合良好的樹脂層也沉積下來,避免了樹脂在沉降過程中產(chǎn)生二次分層的現(xiàn)象。經(jīng)過充分混合的樹脂,僅需正洗5～10 min,出水電導(dǎo)率、Na+、SiO2均能達(dá)到要求。

再生好的樹脂從CRT輸送到混床過程中,容易發(fā)生陰陽樹脂二次分離的現(xiàn)象,從而影響混床運(yùn)行出水水質(zhì)和制水量。在高塔分離法中,CRT中85%～95%的樹脂都是用壓縮空氣輸送至混床的,與傳統(tǒng)的用水輸送樹脂工藝相比,大大提高了樹脂在管道中的流速,減少了樹脂發(fā)生二次分離的可能性。

4 凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的運(yùn)行及優(yōu)化

蚌埠電廠1號機(jī)組的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)在試生產(chǎn)期間,混床出水質(zhì)量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,具體數(shù)據(jù)指標(biāo)見表4。在機(jī)組正常運(yùn)行時,單臺混床的平均制水量均在 2×105m3以上。

再生設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,混床失效樹脂殘留率＜0.1%,陰樹脂在陽樹脂層內(nèi)的含量＜0.1%,陽樹脂在陰樹脂層內(nèi)的含量＜0.1%。

表4 高速混床進(jìn)出水水質(zhì)

在系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行中,也發(fā)現(xiàn)設(shè)備和工藝上的一些缺陷:

(1)在機(jī)組啟動期間或特殊狀態(tài)時,樹脂受污染情況可能比較嚴(yán)重,反洗后,陰、陽樹脂界面色差不明顯。這時光電開關(guān)不能很好地分辨出陰陽樹脂界面,需要人工干預(yù)。建議增加一種樹脂界面檢測手段,可選用電導(dǎo)率法或超聲波法來檢測樹脂分界面,這兩種檢測手段在工程中都已有應(yīng)用。

(2)SPT中陽樹脂輸送至CRT的過程中,對SPT上部和下部進(jìn)水流量控制要求較高。這不僅要求相關(guān)設(shè)備(如流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等)有較高精確度,而且也增加了操作人員的難度?？煽紤]在SPT上部和下部分別設(shè)計(jì)一個專門的輸送陽樹脂的進(jìn)水管,和反洗水管分開。

(3)陰、陽再生進(jìn)堿酸時,再生塔是充滿水的,中排上部的水會稀釋酸堿濃度,使再生效果降低。建議可將中排排水管設(shè)計(jì)成倒U型。再生和擦洗時,控制樹脂層水位很方便。

(4)再生過程中,樹脂經(jīng)過多次空氣擦洗,易引起樹脂破損?？梢酝ㄟ^運(yùn)行試驗(yàn),確定一個更合理的擦洗次數(shù)或選用強(qiáng)度比較高的樹脂。

5 結(jié)束語

高塔分離法是在20世紀(jì)90年代初期發(fā)展起來的一種樹脂分離工藝,國內(nèi)工程公司在技術(shù)引進(jìn)后,設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化?，F(xiàn)經(jīng)過10年多的實(shí)際運(yùn)用,在分離塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有改進(jìn),水處理的工藝也在不斷完善優(yōu)化。高塔分離具有分離效果好、設(shè)備簡單、操作過程可實(shí)現(xiàn)自動化等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此,高塔分離法正越來越多地被應(yīng)用于超(超)臨界機(jī)組系統(tǒng)中。

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