高效纤维过滤器去除原水中的胶体硅

姚 兵1，周国库1，周向东2，黄 芳2
（上海凡清环境工程有限公司，上海200940；2.上海石化股份有限公司，上海20054O）

　　摘　要：上海石化股份有限公司因锅炉给水中胶硅含量较高，致使蒸汽透平机组积垢严重，检修频繁。在炉水预处理系统中安装高效纤维过滤器后，水质得到明显改善，原水中胶硅的去除率达80％以上。该设备为去 除原水中的胶体硅提供了一条新的有效的途径。
　　关键词：给水处理；胶硅；过滤器
　　中国分类号：X703.3
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009－2455（2002）01－0013－03

1 问题的提出

　　上海石化股份有限公司炼油化工部2＃乙烯装置投产初期，由于主要关键设备裂介气压缩机蒸汽透平GT－201、GT－501严重积垢，引起蒸汽透平转速降低，真空度减小，多次造成生产减负荷。由于透 平叶片严重积垢，装置不得不提前停车检修。停车后对蒸汽透平开缸检查，发现GT－201低压端大叶轮叶片表面呈铁灰色，部分叶片有黄色铁锈斑，2号、3号叶轮表面积有一层灰白色盐垢，垢层厚度达1.1－1.2mm；GT－501叶片积垢较GT－201薄，厚 度为0.8－0.9mm，呈黑褐色。分别从GT－201和GT---501采集垢样，化学分析结果见表1。

表1 叶片垢样分析结果 分析项目 垢样分析结果/% 水溶物 SiO₃^2- 3.9 2.9 Cl^- 0.23 0.3 HCO₃^- 0.49 0.56 PO₄^3- 3.80 1.34 SO4^2- 无 无 酸溶物 SiO₃^2- 0.24 0.59 SO₄^2- 无 无 PO₄^3- 无 无 酸不溶物 SiO₃^2- 81 68.2 PO₄^3- 5.8 7.6 R₂O₃ 5.8 7.9 总SiO₃^2- 85.14 71.69

　　为了进一步分析垢样成分，将 GT－20叶片上的垢样进行X荧光光谱分析，分析结果SiO2含量为90％，又经过X射线衍射光谱分析，证实该SiO2为无定型结构。
　　蒸汽透平机组叶片上积垢，使裂介气压缩机1a就要开缸检修一次，这成了2＃乙烯实现中石化集团公司提出的2a一检修、3a一检修的重大制约因素，成了影响装置安全、稳定、长周期、满负荷生产的“瓶颈”。

2 原因分析

　　由以上数据可知，GT－201、GT－501蒸汽透平叶片上的垢主要成份是二氧化硅。硅酸含量较高的蒸汽通过对透平作功，在压力、温度逐渐降低的过程中，在叶片和蒸汽流通叶面上沉积成二氧化硅 沉积物。
2.1 水源水的特点
　　上海石化地处东海之滨的杭州湾，原水取自黄浦江上游的张径河水，原水中SiO2含量比较高。虽然经过水厂进行混凝、澄清和过滤处理，成为低硅水，但硅含量仍在6mg／L以上，最高达到10mg／L左右，胶体硅酸（简称胶硅）含量在0.4mg／L以上， 最高达到1mg／L左右。水厂提供的低硅水水质见表2。

表2 水厂源水硅化合物含量 日期 全硅/（mg.L^-1) 溶硅（mg.L^-1) 胶体硅/（mg.L^-1) 94.07-19 8.25 7.6 0.65 94.07.26 6.70 6.28 0.42 94.08.02 6.65 6.10 0.55

2.2 原处理工艺的缺陷
　　由于胶硅粒径较小，为10^-9～10^-6m，接近离子直径（＜10^-9m），太原处理系统中的过滤装置对其根本不发挥作用。在化学水处理过程中，离子交换树脂只能去除水中的可溶性离子，比如可溶性的硅酸盐及其他可溶性盐类在离子交换系统中可以绝大部分地去除。但胶硅一般由单分子的正硅酸聚合而成，在水中比较稳定，离子交换树脂无法与其进行离子交换将其去除。虽然含胶硅的水通过离子交换系统时，胶硅含量会有所降低，但这只是通过树脂的机械过滤及吸附作用将其部分去除（此时会大大加重阴离子交换树脂的负担，使其清洗再生频繁，而且如果再生条件不当，就会使树脂被胶硅污染），而大部分比较顺利地通过阳床、阴床和混床。这部分胶硅无法被硅表测出而进人给水系统，随给水进入锅炉（开工锅炉和废热锅炉）。
2.3 硅垢的形成
2.3.1 饱和蒸汽对硅酸的溶解携带
　　在汽包锅炉内，由于水温很高，而且水的pH值较高，所以给水中溶解态的和胶态的硅化合物进人锅内后都成为溶解态的硅化合物。锅炉水中的硅化合物有一部分是溶解态的硅酸盐，另一部分是溶解态的硅酸（如H₂SiO₃、H₂SiO₅、H₄SiO₄等）。
　　从锅炉中送出的饱和蒸汽具有溶解携带效应，蒸汽压力愈高，溶解能力愈大。例如压力为2.94～3.92MPa的饱和蒸汽，有明显溶解硅酸的能力，压力更高的饱和蒸汽对硅酸的溶解能力更大。对于高压和高压以上的锅炉，饱和蒸汽的含硅量主要决定于它对硅酸的溶解携带[1]。饱和蒸汽中的硅化合物来源于锅炉水，但饱和蒸汽中硅化合物的形态与锅炉水中硅化合物的形态不一致，因为饱和蒸汽对硅化合物的溶解性是不一样的，它主要是溶解硅酸，对硅酸盐的溶解能力很小。而本系统中蒸汽的压力高达11.9MPa，因此，在饱和蒸汽中的硅化合物，绝大部分是H₂SiO₃、H₂Si₂O₅、H₄SiO₄等。
2.3.2 锅炉水pH值对硅酸溶解携带的影响
　　锅炉水中硅化物的形态决定于锅炉水的pH值。在锅炉水中，硅酸与硅酸盐之间处于水解平衡状态：
　　　　SiO₃^2-+H₂0←→HSiO₃-+OH^-
　　　　HSiO₃^-+H₂O←→HSiO₃+OH^-
　　由以上的水解平衡可知，当提高锅炉水的pH值时，平衡将向生成硅酸盐的方向移动，使锅炉水中的硅酸减少，因此饱和蒸汽中硅酸的溶解量也随之减少。
　　在实际运行过程中，给水一部分进入水汽车间的开工锅炉，一部分进入乙烯废热锅炉。进人开工锅炉汽包内的炉水，其pH值控制在9～10之间，大部分的硅是以硅酸盐形式存在。而且在汽包内安装有洗硅装置，即使部分硅进人蒸汽池能通过旋风分离器和波纹板等将硅化合物洗涤下来。
　　进人废热锅炉的炉水，尽管与开工锅炉合用1套炉内加药系统，但是由于距离比开工锅炉远得多，加药效果受到很大的影响，造成炉水pH值比较低，长期在6.5－8.0范围内波动，使得炉水中的硅酸含量升高。而且废热锅炉汽包结构类似直流式锅炉，无旋风分离器和波纹板等洗硅装置，因此炉水蒸发时饱和蒸汽携带大量的硅酸。
　　按照设计，进人GT－201和GT－501的蒸汽，其中15％来自开工锅炉，85％是由废热锅炉产生。因此，造成GT－201和GT－501积垢的主要原因是来自废热锅炉的高硅含量的蒸汽。
2.3.3 硅垢的形成过程
　　当携带大量硅酸的饱和蒸汽对透平作功，温度、压力迅速降低，变成过热蒸汽时，H₂SiO₃或H₂Si₂O₅等硅酸会发生失水作用而成为SiO₂，在叶片和蒸汽流通叶面上沉积下来。在温度较低时结晶过程缓慢，而且因蒸汽压力和温度的迅速降低，硅酸在蒸汽中
的溶解度急剧减小，所以在低温区域SiO₂来不及结晶析出，故易呈无定型(非晶体）状态。

3 采取的措施

　　上海石化股份有限公司于1995年购进4台“上海几清环境工程有限公司”的专利产品——高效纤维过滤器，将其安装在阳离子交换器之前。
3.1 纤维过滤器去除胶硅的机理
　　经过预处理的原水，一般要经过混凝、沉淀等步骤。但象胶体硅等物质结成的非常细小的矾花，在预处理流程中是去除不了的，在更深一级的过滤处理当中，一般的过滤设备也难以将其去除。
　　高效纤维过滤器的束状滤元的直径约为50μm，在过滤时，纤维处于压实状态，所形成的孔隙很小，最小孔隙约为10～40μm，纤维的滤层可形成孔隙沿水流方向逐渐减小的过滤通道，它具有理想的深层过滤效应。同时滤层内部还存在同向絮凝作用，水通过滤层时，是以紊流状态流过，这种水流状态可以产生水流的速度梯度，使脱稳的胶体颗粒相互碰撞而凝聚为较大的颗粒，从而将其去除。所以低硅水经过过滤器时，可以把水中胶体硅大量除去。
　　过滤通道为孔径由大到小深人，这种变孔径过滤通通道主要是靠分子间作用力将脱稳的胶体吸附。这种吸附属于物理吸附，该吸附力较弱，因此，在反洗时用清水很容易将吸附的矾花清洗掉。
3.2 纤维过滤器的使用效果
　　自从安装高效纤维过滤器后，低硅水中的悬浮物、胶体硅得到进一步降低腐子交换化学除盐工况得到改善，锅炉给水的水质得到进一步提高，从而使锅炉蒸汽的品质有了明显的好转；另外该设备极大地减轻了阴床的负担，使阴床的清洗劳动强度大大降低。高效过滤器安装后，过滤器进出口低硅水中悬浮物及胶体硅含量的变化情况见表3。胶硅去除率可达80％以上，大大提高了低硅水品质。高效过滤器安装后二级除盐水、给水、炉水和过热蒸汽的SiO₂含量见表4，其中除盐水、给水、炉水和过热蒸汽SiO₂含量合格率均为100％，炉水的SiO₂含量也得到了有效控制。

表3 高效纤维过滤器进、出水中悬浮物、胶硅含量 悬浮物/（mg.L^-1) 去除率/% 胶硅/（mg.L^-1) 去除率/% 进口水 出口水 进口水 出口水 1.68 0 100 0.99 0.19 80 1.91 0.15 92.1 1.036 0.14 86.4 4.21 0.92 78.1 0.80 0.10 87.5 4.36 1.07 75.5 0.53 0.10 81.1 7.58 1.1 84.8 0.57 0.28 50

表4 热力系统中SiO2含量测定结果（月平均值） 除盐水/（mg.L^-1) 给水/（mg.L^-1) 炉水/（mg.L^-1) 过热蒸汽/（mg.kg^-1) SC-171*/（mg.kg^-1) 0.003 0.010 0.89 0.010 0.011 0.004 0.008 0.7 0.015 0.017 0.010 0.015 0.924 0.013 0.013 0.008 0.016 0.724 0.014 0.011 0.009 0.011 0.824 0.014 0.012 0.007 0.011 1.097 0.016 0.019

　　2000年底，2＃乙烯装置经过了34个月运行后计划停车检修。检查GT－201和GT－501，在透平叶片和流通面上基本上未发现有沉积现象。可以认为，影响GT－201和GT－501正常运行的SiO₂沉积现象基本消除。

4 结束语

　　原水中胶硅含量较高时，通过一般的过滤设备及离子交换化学处理难以把胶硅完全除去。实践证明，高效纤维过滤器能有效的去除原水中大部分悬浮物和胶体硅，可以使除盐水、给水、炉水和蒸汽品质得到较大改善。

参考文献：

　　[1]肖作善，施燮钧，王蒙聚.热力发电厂水处理［M］.北京：中国电力出版杜，1998，

　　作者简介：姚兵（1973-），女，吉林安县人，工程师，学士，1995年毕业于华东理工大学环境工程系，主要从事水处理方面的研究开发工作，电话（021）56151068。