第一章 凝結水的凈化
凝結水的凈化又稱凝結水的精處理。
隨著熱力機組的參數和容量越來越大，對鍋爐給水質量的要求也日益提高。凝結水是電站鍋爐給水的主要組成部分。同樣，某些大型石油化工廠的工藝冷凝液經凈化后，也可作為鍋爐給水的一部分。因此，凝結水的凈化在鍋爐水處理中具有十分重要的地位。
凝結水是蒸汽凝結而成的水，在一般情況下，應該是比較純凈的。但在工業生產過程中，由於以下幾種原因，凝結水會受到不同程度的污染。
（1） 在一些加工廠中，如在大型石油化工廠中，凝結水會受工藝冷凝液及油污等雜質的污染。
（2） 在發電廠中，凝結水會由於以下的原因而受到污染：
① 汽輪機凝汽器的冷卻水泄漏而進入凝結水系統；
② 鍋爐蒸汽攜帶的揮發性物質溶於凝結水中；
③ 熱力系統管道的腐蝕產物帶入凝結水；
④ 水、汽系統在啟動、運行、停運過程中產生的機械雜質，如氧化鐵、銅、鎳的氧化物及膠體硅等。
凝結水中不同的污染雜質，會對採用凝結水為工作介質的設備產生不同程度的危害。因此，必須根據凝結水中污染物的特點以及不同設備對凝結水水質的要求，進行不同方法、不同程度的凈化處理。
由於對凝結水質量的要求越來越高，例如對凝結水中鈉離子含量要求低於0.1μmol/L甚至更低，因此，凝結水的凈化處理設備也日益先進，目前這些設備已可生產純度達到<0.03μmol/L的處理出水。一些能凈化凝結水，使其能夠達到很高純度的設備系統，均稱為凝結水精處理（凈化）設備系統。
凝結水的凈化系統一般由前置過濾器、凝結水除裝置（混床）和後置過濾器組成。
第一節 前置過濾器
前置過濾器的作用是在凝結水進入除鹽裝置之前，預先除去凝結水中的懸浮物、各種膠狀物、油及聚合物等，從而延長除鹽裝置的運行周期和保護樹脂（尤其是陰樹脂）不被污染。前置過濾器能使系統中的水質很快地達到正常，從而能大大地縮短機組從啟動到正常運行的時間。
前置過濾器的型式很多，主要有覆蓋過濾器、管式微孔過濾器和電磁過濾器。
一、覆蓋過濾器
(一) 概述
覆蓋過濾器的工作原理是將粉狀濾料覆蓋在過濾元件上，使其形成一個均勻的微孔濾膜，被處理的水通過濾膜過濾后，經過濾元件（濾元）彙集後送出。由於過濾器是利用覆蓋在過濾元件表面上的濾膜進行過濾的，故稱覆蓋過濾器。
覆蓋過濾器去除凝結水中懸浮物和除鐵的性能良好。
(二) 結構
覆蓋過濾器一般為管式過濾器，它是由垂直布置的（直立式或懸吊式）管束構成的。濾元是用不鏽鋼管或聚丙烯管為骨架，管外部分刻有縱向齒槽，齒槽管壁上開有許多小圓通孔，在齒槽棱上刻有螺紋，沿螺紋外繞不鏽鋼絲（圓形或梯形絲）即構成濾元。在濾元上端部分不開齒槽，靠近管口處有螺紋，用於將濾元固定在多孔板上，關口敞開作為濾元的出水口。濾元下端也不開齒槽，但具有管螺紋，用於安裝半球形螺帽去封閉濾元下端管口。多孔板將過濾器分成上下兩部分：上部是出水區，下部是進水區。
(三) 濾料
作為覆蓋器的濾料，除要求呈粉狀及化學穩定性好外，還要求其本身有孔隙。覆蓋過濾器的濾料因為在鋪濾膜時是隨水流一起進入過濾器的，故亦稱助濾劑。常用的濾料為棉質纖維素紙漿粉，它是將棉漿或木漿板烘乾后，在球磨機中磨碎，經60目篩網篩下的即為濾料成品。對於用於凝結水除油的覆蓋過濾器的濾料，則可採用活性炭粉、硅藻土和焦炭粉。例如：活性炭的化學穩定性好，多孔、吸附能力強，所以有良好的除油效果。
(四) 運行
覆蓋過濾器的運行操作可分為鋪膜、過濾（運行）、爆膜（去膜）三個步驟。覆蓋過濾器運行系統如圖所示。
1. 鋪膜操作
（1） 鋪料箱、鋪料泵自循環 在鋪料箱中先存放一定量的水，加入濾料，啟動輔料泵，將輔料箱中的水合濾料循環攪拌，使濾料形成均勻的漿液。一般濾料用量為0.5～1.0kg/m2（過濾面積），漿液濃度為2%～4%，自循環攪拌時間5～10min。
（2） 輔料泵、覆蓋過濾器筒體及輔料箱大循環 在鋪膜前，啟動輔料泵，將漿液由覆蓋過濾器底部送入，經過濾器外殼上的循環回至輔料箱，使濾料漿液經筒體和輔料箱進行大循環，目的是使系統中漿液均勻。一般循環5min。
（3）
濾料漿液通過濾元鋪膜
按上述（2）操作循環5min后，開啟覆蓋過濾器出口循環閥門，同時管壁外殼上的循環閥進行鋪膜。在鋪膜過程中，濾料在濾元表面堆積，逐漸形成濾膜。一般漿液循環5～6次，鋪膜時間5～10min后，漿液變為澄清透明，覆蓋過濾器的壓差由零上升為（9.8～19.62）×103Pa，即表示鋪膜成功。
2. 運行（過濾）操作
從鋪膜後轉換到過濾運行前，應先將穿過濾元的少量濾料沖洗乾淨。隨後可進行過濾操作。過濾流速一般為6～12m/h。濾速太大會使濾膜很快壓實，使過濾器壓降迅速上升，因而運行周期縮短；濾速太小，則可能出現濾元上濾膜脫落的現象。
當進水的含鐵量為200~1000μg/L時，覆蓋過濾器的除鐵效率為80%~90%，運行周期約幾小時至十幾小時。當進水含鐵量<20μg/L時，除鐵效率仍可為30%~60%，運行周期約7~10天。覆蓋過濾器初投的壓降為（10~20）×103Pa，當壓降達（12~15）×104Pa時，需停止運行，進行爆膜。
3. 爆膜操作
爆膜一般採用“自壓縮空氣膨脹法”爆膜，即利用被壓縮在出水部分空氣的突然膨脹，將濾膜擊破。其操作步驟為：先關出水閥門，利用水壓力壓縮上下室中的空氣，待過濾器內壓力均勻時，關進水閥門，然後迅速打開快開放氣閥和打開快排水閥，進行爆膜和排渣。此時由於壓縮在筒體內的空氣瞬間急速膨脹，並將多孔板上水墊層的水經濾元內部壓出，擊碎失效的濾膜，使碎濾渣從底部快開排水閥排出。如果一次操作爆膜不凈，則可進水重複操作並用大量水反衝洗，直至濾元清潔為止。爆膜時的自壓縮空氣壓力為（2~6）×105Pa，水反衝洗強度為0.01~0.015m3/（s·m2）。
二、 管式微孔過濾器
管式微孔過濾器結構與覆蓋過濾器相似，不同的是前者的濾元用合成纖維繞製成具有一定孔隙度的濾層（纖維沿多孔中心芯交互纏繞），不再鋪覆濾料。
管式微孔過濾器運行至壓差大於8×104Pa或運行時間超過72h時，應停止運行，並進行清洗。若充分反洗或酸洗后，其壓降仍不能降低而影響設備出力時，應更換濾元。
三、 電磁過濾器
電磁過濾器內部充填的填料是強磁性物質。過濾器外邊裝有能改變磁場強度的線圈。通直流電時，線圈產生強磁場，使填充物磁化，再通過磁化基體（填料）對水中磁性物質顆粒的磁力吸引，將雜質吸著在被磁化了的填料表面，達到水的凈化。需要清洗時，切斷向線圈供電的直流電，使磁場消失，再用水和空氣反洗。電磁過濾器的特點是運行流速高，適用於去除凝結水中金屬氧化腐蝕產物。凝結水中的鐵主要以磁性氧化鐵（Fe3O4）的形式存在。這是一種雙氧化物（Fe3O4=FeO·Fe2O3），其中FeO中的鐵有時被銅或鋅所取代，所以水中含有的微量銅和鋅大部分具有鐵磁性，因此，這些雜質可用電磁過濾器除掉。電磁過濾器既可以作為凝結水凈化系統的前置過濾器，又可用於其他水的除鐵處理。此外，它還可用於高溫水的除鐵，其除鐵效率為65%~85%。正常運行的機組，採用電磁過濾器可使出水含鐵量低於10μg/L。
第二節 凝結水的除鹽裝置
凝結水除鹽裝置是凝結水凈化系統的核心。凝結水除鹽一般多用凈化混床，亦可用粉末樹脂覆蓋過濾器。
一、 深層凈化混床
凈化混床的運行特點是處理水量大，在除去凝結水中離子的同時還能有效地去除凝結水中的懸浮雜質。凈化混床有淺層和深層兩種形式。“淺層”和“深層”是指過濾的雜誌滲透到樹脂床層中的“淺”、“深”程度。採用提高凈化混床運行流速的方法，可以使過濾的雜質滲透到床層深處。這樣，一方面可以延長凈化混床的運行周期，另一方面也可以適應凈化混床處理水量大的需要，所以這種運行的凈化混床稱為深層凈化混床，又稱快速混床。深層凈化混床的結構與補給水除鹽混床相同。
(一) 深層凈化混床的作用
凝結水的凈化混床是由氫型或銨型強酸陽離子交換樹脂與氫氧型強鹼陰離子交換樹脂組合而成，其作用是在除去凝結水中懸浮物雜質的同時，還能除去凝結水中一些有害的離子。例如，它同水中鈉離子及氯離子將發生如下的交換反應。
H/OH方式時
生成產物
22℃時H2O的平衡電離常數為1.0×10-14。
NH4/OH方式時
生成產物
25℃時NH4OH的平衡電離常數為1.8×10-5。
由上可知，H/OH方式的反應比NH4OH方式的反應更容易完成。
離子平衡時深層凈化混床除鹽的關鍵。為了使出水達到所要求的純度，樹脂床的底部必須保持一定的純度（或鈉離子交換容量）。
如果分別按H/OH與NH4OH兩種運行方式的類似系統比較，可知其後一種運行方式的出水質量要比前者差。所以，在凝汽器泄露時，為了保護系統，凝結水凈化混床應使用H/OH型。
按照深層凈化混床的應用，其運行流速的選擇，必須考慮到去除金屬氧化物等雜質和除去離子兩個方面。對出去雜質的能力來說，只要床層清洗得乾淨，運行流速對出水雜質殘留量並無影響。如果床層不幹凈（尤其是底部不幹凈），則出水雜質泄漏量就大。但是運行流速對凈化混床的運行周期或截污量卻有明顯影響。運行流速低時，與高流速相比，截污量下降，床層阻力上升很快，運行周期短，因此，深層凈化混床運行流速不宜過低；若運行流速太高，則樹脂稍有老化，其交換容量降低，出水質量提前惡化。為此，深層凈化混床運行流速一般為80~120m/h。
深層凈化混床採用有效的清洗方法后，可保證除掉凝結水中90%~95%的雜質，使出水雜質殘餘量維持在1~3μg/L。
(二) 深層凈化混床用樹脂的選擇
深層凈化混床用於凝結水處理時所用樹脂的選擇，是以出水中不含二氧化硅及二氧化碳的高純水的需要為前提，因而選擇強酸及強鹼離子交換樹脂是必要的，除此之外，對樹脂還有如下要求。
1. 樹脂粒度
在高流速下不致產生過高的阻力，並且還能得到高質量的出水，其樹脂粒徑應均一。
2. 樹脂機械強度
要有足夠的機械強度，耐磨性好，不易破碎。在熱力及滲透的衝擊下以及機械應力下的穩定性好，且對氧化及有機污染有抵抗力，對鐵及碎屑的容量大。
3. 陽、陰樹脂的比例
應根據凝結水水質和冷卻水系統來決定，陽、陰樹脂的比例如下：
（1） 對於氫型混合床，當污染物主要為腐蝕產物（凝汽器泄漏率低），且凝結水含氨、pH值高時，陽樹脂：陰樹脂為2：1；
（2） 對於氨型混合床，當冷卻水為淡水時，陽樹脂：陰樹脂為1：1；
（3） 當冷卻水為海水、高含鹽量水時，陽樹脂：陰樹脂宜為2：3.
(三) 深層凈化混床運行周期終點的確定
大多數用氨進行pH值調整的凝結水的凈化系統是採用H/OH運行方式的（即氫型混床）。若陽樹脂從凝結水中吸收氨而交換容量耗盡（這一點稱“氨泄漏”）就應退出運行，進行再生，否則，鈉離子將與銨離子一起被帶入凝結水的出水中。另外，當出水電導率達到0.1~0.15μS/cm時，應結束運行，因電導率太高意味著系統中有過量的鈉。這時就要分別確定每台混床的運行終點，即根據每台設備出水的電導率，而不是根據整個系統或母管出水的電導率。
採用NH4/OH方式運行（即氨化混床）時，通常是按運行到規定的出水量后，退出運行並進行再生的。該系統運行中，如果有空氣漏入，會引起嚴重的出水質量問題。這是因為空氣中二氧化碳將與凝結水中氨反應生成碳酸銨。當空氣漏入量足夠大時，碳酸鹽可使陰離子交換樹脂失效，並將已被吸附的二氧化硅、氯根、硫酸根依次置換下來。所以，選用氨化混床運行時，最好採用帶有脫氣的電導儀，對每台凈化混床出水的陽離子電導率、二氧化硅及鈉都要進行監督。注意勿使氨化混床運行至超出樹脂的交換容量，而應保持交換容量有一定裕度，才能在凝汽器突然泄漏時具有較強的防護能力。
(四) 深層凈化混床再生前樹脂的分離
在深層凈化混床中，陽、陰樹脂再生前的分離是十分重要的。在凈化混床運行中要使泄漏量不高於μg/L級，其根本措施在於防止再生前水力分離中樹脂的交叉污染。失效的陽樹脂、陰樹在反洗分層及在交換界面處難免有少量混合，如細碎的陽樹脂進入到陰樹脂層中，被污染物包覆的陰樹脂則進入下部的陽樹脂層中，因此，在水裡輸送上層陰樹脂至陰再生塔時，細碎的陽樹脂隨同一起進入，這部分陽樹脂經NaOH再生即成為納型陽樹脂。同樣在下層中，混在陽樹脂中的陰樹脂在鹽酸再生時會轉換成氯型（用硫酸再生時會轉換成硫酸氫鹽型）。可見，不完全的分離會導致出水中離子的泄露量增大。以下介紹深層凈化混床中樹脂的一些分離方法。
1.浮選分離法
利用密度介於陰、陽樹脂密度之間的浮選機浸泡混合樹脂，使陰、陽樹脂得到分離，一般浮選劑採用16%~20%的氫氧化鈉溶液，其相對密度為1.18~1.22.高濃度的氫氧化鈉溶液可高度地再生陰樹脂，且能出去陰樹脂中的聚合二氧化硅。浮選分離法不受樹脂顆粒粒度的影響，所以，分離效果較好。一般陰樹脂層中殘留的RNa型陽樹脂量可小於0.01%，陽樹脂中殘留的陰樹脂量在0.59%~1.55%範圍內。
2. 惰性樹脂分離法
這是使用密度介於陰、陽樹脂密度之間的惰性樹脂，在水力反洗條件下將陰、陽樹脂隔開而實現分離陰、陽樹脂的方法。惰性樹脂在陰、陽樹脂之間形成緩衝層，使之有良好的再生效果和減少交叉污染（污染率小於0.1%），同時還可以起到降低離子泄露的作用。
3. 氨水淋洗法（或稱氨化法）
利用NH4OH溶液淋洗已經氫氧化鈉再生的陰樹脂，使混在陰樹脂中鈉型樹脂轉成銨型樹脂（RNH4），所以又稱氨化法，保證鈉型樹脂混在陰樹脂中的量小於0.1%~0.4%，從而保證了運行水質合格和較長的運行周期。一般用於氨化混床，可分為直接淋洗和循環淋洗兩種方式（也稱直流氨化和循環氨化）。
4. 鈣化法
將混有少量陽樹脂的陰樹脂，先用氫氧化鈉再生，再用氫氧化鈣溶液淋洗，使混在陰樹脂中的鈉型陽樹脂全部轉為鈣型陽樹脂的方法叫鈣化發。由於鈣離子與陽樹脂有較強的親和力，因此，鈣化過程中Ca2+可完全取代RNa樹脂中的Na+；而在運行中，又由於R2Ca型陽樹脂不易與進水中的NH4+作用，通常鈣離子的泄露極微（小於1μg/L）。
該法的優點是鈣化過程時間短，Ca(OH)2耗量少；其缺點是需要增設一套高純度石灰水製備系統。
鈣化法一般選用的Ca(OH)2溶液濃度約為1200mg/L，鈣化終點控制陰再生塔進出口水中的Ca2+濃度相等為止。
5. 中間抽出法
將陽再生塔中分層后的中間混層樹脂（約5%~10%）在每次再生時單獨抽出，貯存於專用的容器內，並進行水沖洗，除去細碎樹脂，以減少陽、陰樹脂混層比例。這部分樹脂不作再生處理留到下一周期與混床送出的失效樹脂重新混合、再分離。中間抽出法是利用物理方法進行的分離，操作運行比較簡便，節省再生時間及再生劑和沖洗水量。
從中間抽出法的原理看，對於高強度及均粒的樹脂，且陽、陰樹脂有一定密度差時，加上正確操作，它可以使樹脂交叉污染程度減到最少；否則會造成混層樹脂高度逐漸增加，從而增加了分離清洗的困難和延長清洗時間，甚至影響出水質量。
6. 綜合分離法
這是美國PERMTEK公司綜合了各水處理公司的技術特點后提出的一種方法。其要點是將失效的陽、陰混合樹脂送到陽再生塔並完成水汽擦洗后，進行第一次反洗水力分層，使陰樹脂在上部，陽樹脂在下部。接著將陽再生塔中上部絕大部分陰樹脂送往陰再生塔。陽再生塔上陰樹脂的送出口在陽、陰樹脂交界處以上25mm處。也就是說，在完成此步驟時陽再生塔內還有25mm陰樹脂，從而降到儘可能使陽樹脂留在陽再生塔內。然後調整水力反洗強度進行反洗，使尚留在陽再生塔內的少量陰樹脂從陽再生塔頂部沖至陰再生塔內。在完成上述基本分離后，接著再用濃鹼法或氨化法等進行輔助分離，進一步防止陽、陰樹脂的交叉污染，使陽、陰樹脂的交叉污染降到最低。但該法操作工藝較為複雜，且尚無較長期的運行考核實例。
7. 混脂層分離法
根據斯托克司定律可算出具有不同相對密度和不同大小的樹脂顆粒的沉澱速度，因此，可以計算求出混合樹脂反洗分層后的陽、陰樹脂交界面上的混脂層的厚度。如果不將這個混脂層中樹脂送回工作交換器中，就可保證陽、陰樹脂的分層，因而可減少或消除陽樹脂與陰樹脂再生劑（NaOH）相接觸，以及陰樹脂與陽樹脂再生劑（酸）接觸。混脂層樹脂輸送到高流速反洗分離罐中進行反洗和分離，除掉一切不合要求的樹脂碎粒及粉末后回收再用。此法大多用於H/OH深層凈化混床。
(五) 深層凈化混床中混合樹脂再生前的清洗
凝結水凈化混床具有過濾功能，因此，必須對失效的混合樹脂選擇有效的清洗方法，以免造成樹脂中毒，混床阻力增大而導致樹脂破碎，陽、陰樹脂再生分離困難等問題。保持樹脂的乾淨是凝結水凈化混床正常運行的重要因素之一。混合樹脂再生前清洗的方法有反洗和空氣擦洗法。
1. 反洗法
反洗的目的是徹底清除所截留的雜質和對陽、陰樹脂進行分離。一般採用專門的清洗和分離樹脂的設備。清洗時，將污染了的混合樹脂先輸送至分離罐內，以分離陽、陰樹脂為主，並洗掉樹脂上的部分雜質。分層完成後，大量的鬆散雜質散布在陰樹脂中，並隨陰樹脂流入陰樹脂罐中，然後分別在兩罐中清洗陽樹脂和陰樹脂。
2. 空氣擦洗法
用壓縮空氣在樹枝顆粒間造成瞬間爆發膨脹，使樹脂與樹脂表面產生撞擊摩擦而使雜質鬆脫，接著用沖洗水將雜質帶走。該法效果好，清洗水耗小，清洗時間較短，樹脂磨損小，費用低。
(六) 凝結水凈化混床的再生
凝結水凈化混床的再生方法有體內再生和體外再生兩種。
1. 體內再生
就是樹脂在凝結水凈化混床（離子交換器）內部進行再生的方法，也就是在離子交換器內同時對陰樹脂和陽樹脂進行再生。具體的做法是：樹脂經反洗分層後進行再生時，從離子交換器的上部和下部同時分別送入再生用的鹼液（從上部）和酸液（從下部），它們分別流經陰樹脂層和陽樹脂層后，再由中部排液裝置同時排出。再生后的樹脂進行清洗時，清洗水亦同樣分別由離子交換器的上部和下部同時分別送入，清洗水分別流經陰樹脂層和陽樹脂層后，由中部排液裝置同時排出。
體內再生法的缺點是：樹脂交界面處，中間排液裝置周圍的陽、陰樹脂或多或少地會受到酸、鹼再生液的交叉滲透污染，影響出水水質。故體內再生很少被採用。但惰性樹脂層分離法成功后，體內再生得到一定使用。
