姚 兵1，周國庫1，周向東2，黃 芳2
（上海凡清環(huán)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鍋爐給水中膠硅含量較高，致使蒸汽透平機組積垢嚴重，檢修頻繁。在爐水預處理系統(tǒng)中安裝高效纖維過濾器后，水質(zhì)得到明顯改善，原水中膠硅的去除率達80％以上。該設(shè)備為去 除原水中的膠體硅提供了一條新的有效的途徑。
　　關(guān)鍵詞：給水處理；膠硅；過濾器
　　中國分類號：X703.3
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009－2455（2002）01－0013－03

1 問題的提出

　　上海石化股份有限公司煉油化工部2＃乙烯裝置投產(chǎn)初期，由于主要關(guān)鍵設(shè)備裂介氣壓縮機蒸汽透平GT－201、GT－501嚴重積垢，引起蒸汽透平轉(zhuǎn)速降低，真空度減小，多次造成生產(chǎn)減負荷。由于透 平葉片嚴重積垢，裝置不得不提前停車檢修。停車后對蒸汽透平開缸檢查，發(fā)現(xiàn)GT－201低壓端大葉輪葉片表面呈鐵灰色，部分葉片有黃色鐵銹斑，2號、3號葉輪表面積有一層灰白色鹽垢，垢層厚度達1.1－1.2mm；GT－501葉片積垢較GT－201薄，厚 度為0.8－0.9mm，呈黑褐色。分別從GT－201和GT---501采集垢樣，化學分析結(jié)果見表1。

表1 葉片垢樣分析結(jié)果 分析項目 垢樣分析結(jié)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- 無 無 酸溶物 SiO₃^2- 0.24 0.59 SO₄^2- 無 無 PO₄^3- 無 無 酸不溶物 SiO₃^2- 81 68.2 PO₄^3- 5.8 7.6 R₂O₃ 5.8 7.9 總SiO₃^2- 85.14 71.69

　　為了進一步分析垢樣成分，將 GT－20葉片上的垢樣進行X熒光光譜分析，分析結(jié)果SiO2含量為90％，又經(jīng)過X射線衍射光譜分析，證實該SiO2為無定型結(jié)構(gòu)。
　　蒸汽透平機組葉片上積垢，使裂介氣壓縮機1a就要開缸檢修一次，這成了2＃乙烯實現(xiàn)中石化集團公司提出的2a一檢修、3a一檢修的重大制約因素，成了影響裝置安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷生產(chǎn)的“瓶頸”。

2 原因分析

　　由以上數(shù)據(jù)可知，GT－201、GT－501蒸汽透平葉片上的垢主要成份是二氧化硅。硅酸含量較高的蒸汽通過對透平作功，在壓力、溫度逐漸降低的過程中，在葉片和蒸汽流通葉面上沉積成二氧化硅 沉積物。
2.1 水源水的特點
　　上海石化地處東海之濱的杭州灣，原水取自黃浦江上游的張徑河水，原水中SiO2含量比較高。雖然經(jīng)過水廠進行混凝、澄清和過濾處理，成為低硅水，但硅含量仍在6mg／L以上，最高達到10mg／L左右，膠體硅酸（簡稱膠硅）含量在0.4mg／L以上， 最高達到1mg／L左右。水廠提供的低硅水水質(zhì)見表2。

表2 水廠源水硅化合物含量 日期 全硅/（mg.L^-1) 溶硅（mg.L^-1) 膠體硅/（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 原處理工藝的缺陷
　　由于膠硅粒徑較小，為10^-9～10^-6m，接近離子直徑（＜10^-9m），太原處理系統(tǒng)中的過濾裝置對其根本不發(fā)揮作用。在化學水處理過程中，離子交換樹脂只能去除水中的可溶性離子，比如可溶性的硅酸鹽及其他可溶性鹽類在離子交換系統(tǒng)中可以絕大部分地去除。但膠硅一般由單分子的正硅酸聚合而成，在水中比較穩(wěn)定，離子交換樹脂無法與其進行離子交換將其去除。雖然含膠硅的水通過離子交換系統(tǒng)時，膠硅含量會有所降低，但這只是通過樹脂的機械過濾及吸附作用將其部分去除（此時會大大加重陰離子交換樹脂的負擔，使其清洗再生頻繁，而且如果再生條件不當，就會使樹脂被膠硅污染），而大部分比較順利地通過陽床、陰床和混床。這部分膠硅無法被硅表測出而進人給水系統(tǒng)，隨給水進入鍋爐（開工鍋爐和廢熱鍋爐）。
2.3 硅垢的形成
2.3.1 飽和蒸汽對硅酸的溶解攜帶
　　在汽包鍋爐內(nèi)，由于水溫很高，而且水的pH值較高，所以給水中溶解態(tài)的和膠態(tài)的硅化合物進人鍋內(nèi)后都成為溶解態(tài)的硅化合物。鍋爐水中的硅化合物有一部分是溶解態(tài)的硅酸鹽，另一部分是溶解態(tài)的硅酸（如H₂SiO₃、H₂SiO₅、H₄SiO₄等）。
　　從鍋爐中送出的飽和蒸汽具有溶解攜帶效應(yīng)，蒸汽壓力愈高，溶解能力愈大。例如壓力為2.94～3.92MPa的飽和蒸汽，有明顯溶解硅酸的能力，壓力更高的飽和蒸汽對硅酸的溶解能力更大。對于高壓和高壓以上的鍋爐，飽和蒸汽的含硅量主要決定于它對硅酸的溶解攜帶[1]。飽和蒸汽中的硅化合物來源于鍋爐水，但飽和蒸汽中硅化合物的形態(tài)與鍋爐水中硅化合物的形態(tài)不一致，因為飽和蒸汽對硅化合物的溶解性是不一樣的，它主要是溶解硅酸，對硅酸鹽的溶解能力很小。而本系統(tǒng)中蒸汽的壓力高達11.9MPa，因此，在飽和蒸汽中的硅化合物，絕大部分是H₂SiO₃、H₂Si₂O₅、H₄SiO₄等。
2.3.2 鍋爐水pH值對硅酸溶解攜帶的影響
　　鍋爐水中硅化物的形態(tài)決定于鍋爐水的pH值。在鍋爐水中，硅酸與硅酸鹽之間處于水解平衡狀態(tài)：
　　　　SiO₃^2-+H₂0←→HSiO₃-+OH^-
　　　　HSiO₃^-+H₂O←→HSiO₃+OH^-
　　由以上的水解平衡可知，當提高鍋爐水的pH值時，平衡將向生成硅酸鹽的方向移動，使鍋爐水中的硅酸減少，因此飽和蒸汽中硅酸的溶解量也隨之減少。
　　在實際運行過程中，給水一部分進入水汽車間的開工鍋爐，一部分進入乙烯廢熱鍋爐。進人開工鍋爐汽包內(nèi)的爐水，其pH值控制在9～10之間，大部分的硅是以硅酸鹽形式存在。而且在汽包內(nèi)安裝有洗硅裝置，即使部分硅進人蒸汽池能通過旋風分離器和波紋板等將硅化合物洗滌下來。
　　進人廢熱鍋爐的爐水，盡管與開工鍋爐合用1套爐內(nèi)加藥系統(tǒng)，但是由于距離比開工鍋爐遠得多，加藥效果受到很大的影響，造成爐水pH值比較低，長期在6.5－8.0范圍內(nèi)波動，使得爐水中的硅酸含量升高。而且廢熱鍋爐汽包結(jié)構(gòu)類似直流式鍋爐，無旋風分離器和波紋板等洗硅裝置，因此爐水蒸發(fā)時飽和蒸汽攜帶大量的硅酸。
　　按照設(shè)計，進人GT－201和GT－501的蒸汽，其中15％來自開工鍋爐，85％是由廢熱鍋爐產(chǎn)生。因此，造成GT－201和GT－501積垢的主要原因是來自廢熱鍋爐的高硅含量的蒸汽。
2.3.3 硅垢的形成過程
　　當攜帶大量硅酸的飽和蒸汽對透平作功，溫度、壓力迅速降低，變成過熱蒸汽時，H₂SiO₃或H₂Si₂O₅等硅酸會發(fā)生失水作用而成為SiO₂，在葉片和蒸汽流通葉面上沉積下來。在溫度較低時結(jié)晶過程緩慢，而且因蒸汽壓力和溫度的迅速降低，硅酸在蒸汽中
的溶解度急劇減小，所以在低溫區(qū)域SiO₂來不及結(jié)晶析出，故易呈無定型(非晶體）狀態(tài)。

3 采取的措施

　　上海石化股份有限公司于1995年購進4臺“上海幾清環(huán)境工程有限公司”的專利產(chǎn)品——高效纖維過濾器，將其安裝在陽離子交換器之前。
3.1 纖維過濾器去除膠硅的機理
　　經(jīng)過預處理的原水，一般要經(jīng)過混凝、沉淀等步驟。但象膠體硅等物質(zhì)結(jié)成的非常細小的礬花，在預處理流程中是去除不了的，在更深一級的過濾處理當中，一般的過濾設(shè)備也難以將其去除。
　　高效纖維過濾器的束狀濾元的直徑約為50μm，在過濾時，纖維處于壓實狀態(tài)，所形成的孔隙很小，最小孔隙約為10～40μm，纖維的濾層可形成孔隙沿水流方向逐漸減小的過濾通道，它具有理想的深層過濾效應(yīng)。同時濾層內(nèi)部還存在同向絮凝作用，水通過濾層時，是以紊流狀態(tài)流過，這種水流狀態(tài)可以產(chǎn)生水流的速度梯度，使脫穩(wěn)的膠體顆粒相互碰撞而凝聚為較大的顆粒，從而將其去除。所以低硅水經(jīng)過過濾器時，可以把水中膠體硅大量除去。
　　過濾通道為孔徑由大到小深人，這種變孔徑過濾通通道主要是靠分子間作用力將脫穩(wěn)的膠體吸附。這種吸附屬于物理吸附，該吸附力較弱，因此，在反洗時用清水很容易將吸附的礬花清洗掉。
3.2 纖維過濾器的使用效果
　　自從安裝高效纖維過濾器后，低硅水中的懸浮物、膠體硅得到進一步降低腐子交換化學除鹽工況得到改善，鍋爐給水的水質(zhì)得到進一步提高，從而使鍋爐蒸汽的品質(zhì)有了明顯的好轉(zhuǎn)；另外該設(shè)備極大地減輕了陰床的負擔，使陰床的清洗勞動強度大大降低。高效過濾器安裝后，過濾器進出口低硅水中懸浮物及膠體硅含量的變化情況見表3。膠硅去除率可達80％以上，大大提高了低硅水品質(zhì)。高效過濾器安裝后二級除鹽水、給水、爐水和過熱蒸汽的SiO₂含量見表4，其中除鹽水、給水、爐水和過熱蒸汽SiO₂含量合格率均為100％，爐水的SiO₂含量也得到了有效控制。

表3 高效纖維過濾器進、出水中懸浮物、膠硅含量 懸浮物/（mg.L^-1) 去除率/% 膠硅/（mg.L^-1) 去除率/% 進口水 出口水 進口水 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 熱力系統(tǒng)中SiO2含量測定結(jié)果（月平均值） 除鹽水/（mg.L^-1) 給水/（mg.L^-1) 爐水/（mg.L^-1) 過熱蒸汽/（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＃乙烯裝置經(jīng)過了34個月運行后計劃停車檢修。檢查GT－201和GT－501，在透平葉片和流通面上基本上未發(fā)現(xiàn)有沉積現(xiàn)象。可以認為，影響GT－201和GT－501正常運行的SiO₂沉積現(xiàn)象基本消除。

4 結(jié)束語

　　原水中膠硅含量較高時，通過一般的過濾設(shè)備及離子交換化學處理難以把膠硅完全除去。實踐證明，高效纖維過濾器能有效的去除原水中大部分懸浮物和膠體硅，可以使除鹽水、給水、爐水和蒸汽品質(zhì)得到較大改善。

參考文獻：

　　[1]肖作善，施燮鈞，王蒙聚.熱力發(fā)電廠水處理［M］.北京：中國電力出版杜，1998，

　　作者簡介：姚兵（1973-），女，吉林安縣人，工程師，學士，1995年畢業(yè)于華東理工大學環(huán)境工程系，主要從事水處理方面的研究開發(fā)工作，電話（021）56151068。