火力发电厂凝结水采用中空纤维膜过滤处理的可行性

马 瑜，汤东升，袁萍帆

(1.广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；2.西北电力设计院，陕西 西安 710075)

随着发电机组容量的增大和参数的提高(尤其是超临界机组和核电站)，对给水质量提出了越来越高的要求。由于热力系统内压力和温度的不断升高，金属在水汽中的氧化速度加快，生成的氧化皮影响传热，若再附着氧化铁的腐蚀产物，将影响机组的安全运行，因此，有效降低给水中的含铁量是提高机组运行效率的一个必要条件。凝结水是给水的主要组成部分，要降低给水的含铁量，必须降低凝结水的含铁量。

机组广泛地采用加氨的方法提高给水和凝结水的pH值，使热力系统处于碱性状态下以减缓腐蚀的速度。在此条件下，水中的铁大部分以Fe3O4、Fe2O3、Fe(OH)3和Fe(OH)2状态存在，以离子态存在的铁较少。新建机组和刚经过检修的机组启动过程中，离子铁所占的比例更少。因此，可以认为热力系统的水汽中所含铁的腐蚀产物以悬浮态颗粒为主，可以采用过滤的方法去除水中悬浮态、胶体状态的腐蚀产物。

目前国内应用于凝结水(给水)除铁工艺的装置主要包括：覆盖过滤器、粉末树脂覆盖过滤器、管式过滤器、电磁除铁过滤器以及前置氢离子交换器等。

1 中空纤维膜凝结水精处理系统中的应用情况

利用中空纤维膜作为凝结水精处理前置过滤器滤元的技术起源于日本，被称为Hollow fiber Filtration(HFF)for condensate。早在20世纪80年代，日本核工业就开始利用中空纤维膜过滤凝结水，开创了微滤技术应用在凝结水前置过滤的先河，同时少数常规火电厂也有应用的案例。早期日本TOSHIBA公司曾投了入巨大的人力、物力进行了大量的基础性研究。研究发现，沸水堆中的99%放射性腐蚀产物粒径大于0.1μm，如采用HFF处理凝结，不但大大提高了除铁的效率，而且冲洗排出的放射性废水量相对于粉末覆盖过滤器大大减少，降低了放射性废水处置的费用。HFF系统首先在东京电力公司福岛第二核电站1、2号机LCW系统中进行中试，后来又在福岛第二核电站1号机凝结水精处理系统进行中试，均取得了满意的效果。接着，福岛第一核电站3号机的HFF系统于1984年正式投入商业运行。在日本，厂商通常规定凝结水精处理中空纤维膜的使用寿命为5～10年。但据资料介绍，福岛核电站4号机的中空纤维膜使用寿命长达14年，且一直运行良好。

中空纤维膜应用于凝结水精处理前置过滤在美国起步较晚，直到2007年下半年第一个案例才投入实际运行，在此之前，折叠滤元用于沸水堆凝结水前置过滤处于绝对主导地位。20世纪90年代，日本ORGANO公司已经在美国申请了HFF应用于凝结水精处理前置过滤的专利。但该技术在北美的推广并不顺利。当时，美国Hope Creek核电站曾尝试采用该技术进行升级改造。但那时中空纤维膜的价格远远高于折叠滤元，而且该技术在美国本土也没得到可靠的实验检验。最终美国核管理委员会未审批该改造项目，该计划被迫搁浅。《美国EPRI沸水堆水化学导则》(2004版)的发布给新技术的应用创造契机，新版导则提高了沸水堆给水水质要求，将给水含铁量限制到0.1～1ppb。此时，于1969年投入商业运行的美国Oyster Creek核电站已经服役了近40年。一方面，原来采用的裸混床工艺系统已经不能保证给水含铁量满足新版导则的要求；另一方面，采用裸混床工艺需频繁的进行擦洗和再生，运行成本居高不下，因此进行技术改造势在必行。为使机组超役运行20年至2029年，该核电站立项改造，旨在改善机组给水水质。新版导则的发布推动了该改造项目的实施。时至今日，中空纤维膜的价格已大大降低，装备设计制造水平也不断地提高，新设计出的设备具有流速高、占地少等优点，为老机组改造创造了有利条件。最终，HFF系统于2007年三季度在美国Oyster Creek核电站投入调试，该项目成为北美地区首例采用中空纤维膜作为前置过滤器滤元。

美国Oyster Creek核电站的运行情况如下：正常凝结水量14,518gpm(约3297m3/h)，最大凝结水量16020gpm(约3641m3/h)，该机组采用美国Graver公司提供的2%×50%前置过滤器，每台前置过滤器内径91英寸(231cm)，14英尺高。每台前置过滤器包括102支滤元，单支膜面积46.4m2，单台前置过滤器总过滤面积达50898ft2/台(4729 m2/台)，膜通量为348.6～385.0L/(m2·h))。每支聚丙烯材质的膜壳内封装了聚砜材质的外压式中空纤维膜。每支膜元件长度91英寸(231cm)，膜丝外径1mm，内径0.7mm。与管式过滤器类似，每支微滤膜两端分别固定在立式压力容器内两端的管板上，压力容器采用大法兰结构封装，便于膜元件安装和拆卸。HFF过滤系统的过滤精度达0.1μm，属于微滤的范畴，能有效地将凝结水含铁量降低到1ppb以下，其运行周期达80天。当进出水压差大于0.49kg/cm2(7psid)时，过滤器失效裂解进入(擦洗)反洗程序，(擦洗)反洗耗时约为4h。每次反洗水耗约5000gallon(约19m3)。经测算，HFF系统处理了约99.8%的凝结水量。技术改造后，给水年平均含铁量为0.015～0.034ug/kg。由于后续混床的运行周期延长，再生废水排放量减少，加上HFF系统反洗排水量小，放射性废水的处置费用减少，运行成本大大降低。

HFF过滤器内部结构见图1。

图1 HFF过滤器结构示意图

为评估膜丝的性能，预测膜丝的使用寿命，日本ORGANO公司设计了一套小旁路，旁路设置单支相同型号的膜元件与HFF过滤装置主体一起并联运行，该旁路定期进行抽样检测而不影响主设备的连续运行。同时，该旁路膜元件的使用工况与HFF过滤装置主体的膜元件保持一致，即同步投运、同步反洗，保证抽样检测的结果具有代表性。取样旁路每2年拆卸一次对膜丝寿命进行评估。这套装置的发明于2008年在美国申请了专利。

经日本和美国的工程师总结，在沸水堆核电站使用中空纤维膜取代其它传统的凝结水精处理前置过滤设备具有以下优势：

(1)系统工艺简单，操作简便；

(2)系统设备占地面积小；

(3)高效地去除腐蚀产物，过滤精度达0.1μm；

(4)预计膜使用寿命超过10年；日本福岛核电站4号机使用的中空纤维膜服役长达14年，且没有性能明显降低的迹象，证明了中空纤维膜的使用寿命可以超过10年，大大超过其他类型滤元的使用寿命；

(5)(擦洗)反洗频率低；

(6)因为运行周期长，擦洗)反洗时间短，相当于99.8%的凝结水经过了过滤，相对于其它工艺，废水排放量少；对于沸水堆而言，放射性废水的排放量大大减少，从而降低了处理放射性废水的处置费用；

(7)减少混床擦洗的频率，保证树脂的性能不会快速衰减，从而间接地提高机组抗晶间应力腐蚀(IGSCC)的能力，同时延长了树脂的使用寿命；

(8)附属设备少，先采用压缩空气擦洗失效过滤器的中空纤维膜表面，再采用在运行过滤器的出水对失效过滤器进行小流量反洗，不需要配备反洗水箱，有利于老机组的改造；

(9)对于沸水堆核电厂而言，能抑制腐蚀产物附着在反应堆堆芯表面，增强堆芯运行的可靠性；减少了Co-60在热力系统内的传输，注锌量降低；

2 常规火电站中采用HFF替代粉末树脂覆盖过滤器的可行性

HFF系统在核电站的成功应用为其在常规火电站的推广起到了良好的铺垫。与其它几种过滤技术相比，最有可能替代的是使用成本较高的粉末树脂覆盖过滤器。

粉末树脂覆盖过滤器通常在直接空冷机组中使用。众所周知，粉末树脂过滤技术就是将粉末树脂作为覆盖介质预涂在过滤器滤芯上，用来置换溶解性的离子态物质、除去悬浮固体颗粒、有机物、胶体硅及其它胶体物质。由于所铺设的粉末树脂量很少，交换容量有限，粉末树脂更主要是起到过滤层的作用，也保证滤元不被污堵而难以恢复。因此在新建机组启动时，只是粉末树脂更换频率比正常运行时高，滤元的使用寿命并不会因此产生严重的影响。

对于HFF系统，为了避免中空纤维膜在新建机组启动初期受到有机污染，可用洁净的氧化铁粉末均匀地涂覆在膜丝表面，与树脂粉末涂覆在滤元上类似，起到了异曲同工的效果。

以下以1台300MW亚临界直接空冷机组为例，分别设置2×100%HFF或者2×100%粉末树脂覆盖过滤器对凝结水进行处理。假设凝结水量为800m3/h，两种技术的比较见表1。

表2 设备和安装投资费用比较

表3 运行费用比较

3 结论

毋庸置疑，HFF提高了过滤的精度，使除铁效率大大提高。但我们也清楚地认识到， HFF不具备除盐的功能，存在一定的局限性。但考虑到粉末树脂的除盐功能一般只维持4h～8h，HFF不具备除盐功能的局限性可被忽略。

根据以上经济技术比较，在直接空冷机组中采用HFF系统替代粉末树脂覆盖过滤器，可在3年内收回多余的投资成本，已具备可行性。随着中空纤维膜价格不断地降低，其成本优势将逐渐显现。且采用HFF系统能保证热力系统水汽循环在超低含铁量的工况下运行，锅炉酸洗的周期可进一步延长，综合效益明显。

在此，笔者抛砖引玉，提出自己的一些看法和展望：

(1)虽然目前HFF主要应用在国外沸水堆核电站，但是作为凝结水精处理的一项前沿技术，它将逐步得到人们的认可和关注。随着机组对压水堆核电站二回路水质和高参数火力发电厂给水品质的要求日趋严格，其发展前景将越来越广阔。

(2)由于在国内受到多方面的制约，HFF在凝结水精处理系统的推广应用尚需时日。一方面，日本和美国已经率先建立了技术壁垒，申请了多项相关专利。我国要引进新技术势必付出较高昂的代价。另一方面，国内缺乏科研机构投入人力和物力进行基础性研究，需攻破多道技术难关才能掌握该技术的核心，国产化之路任重道远。如果国内的大专院校、科研机构以及工程公司能够联合起来，发挥各自的优势且又能密切配合，将有利于推动该技术的国产化。

(3)直接空冷机组的凝结水含铁量高，凝结水温也偏高，与湿冷机组的凝结水相比，水质更恶劣。而且凝结水系统的工作压力远远超过预处理系统的工作压力，这要求膜丝具有更高的耐压性能。目前制造超滤膜常用的聚砜、聚醚砜都是不错的耐温、耐压材料。据资料介绍，在保证透过性和抗冲击性不变的情况下，聚砜在180 °F(约82℃)水中的最大承受压力为3.5MPa(静态负荷)、 6.9MPa(间歇负荷)。 要推动HFF在直接空冷机组中应用，国内的科研机构需通过大量的模拟实验来确定运行的参数，自己摸索出一套膜丝性能诊断和膜丝寿命评价的体系。

(4)美国Graver公司开发了一种离子交换与HFF相结合的新工艺，即采用粉末树脂投加在HFF过滤器上游，树脂粉末在流动过程中与凝结水中的杂质进行离子交换，最后粉末树脂被截留在中空纤维膜表面。与粉末树脂覆盖过滤器不同，粉末树脂先被涂覆在滤元表面，再通入凝结水进行反应。而上述工艺则根据凝结水的电导率进行联锁控制，当电导率超标时，粉末树脂投加系统投入运行；当电导率合格时，粉末树脂投加系统可退出运行，这样能使粉末树脂耗量降低[3]。该新工艺的开发为凝结水精处理工艺选择开拓了新的思路。

[1]Fruzzetti,K.,&Tran,P., &Wilson,J.A.Evaluation of Hollow Fiber Filtration for Condensate Polishing Application First U.S.Use at Oyster Creek Generating Station: Impact of Operating with Low Feedwater Iron [R].1014714.Palo Alto, CA: EPRI and ExelonCorporation,2007.

[2]Wilson,J.A.,&Mura,M.,&Garcia,S.E.Commissioning of the First U.S.Hollow Fiber condensate Filtration System.[J].Power Plant Chemistry, 2008, 10(11).

[3]Lane,M.,&Matunas,F.CONDENSATE POLISHING SYSTEM INCORPORATING A MEMBRANE FILTER [P].United States Patent Number 5126052,Jun.30,1992.

[4]Sunaoka,Y.,&Kitazato,K.,&Tsuda,S.FILTRATION PROCESS USING HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE [P].United States Patent Number 5151191,Sep.29, 1992.

[5]Yagi,M.,&Sunaoka,Y.FILTRATION EQUIPMENT for HOLLOW FIBER MODULE [P].United States Patent Number 5484528, Jan.16, 1996.

[6]Kasahara,S.,&Yoden,M.CONDENSATE FILTERING DEVICE [P].United States pub.No.US 2008/0245712 A1,Oct.9, 2008.

[7]韩隶传，汪德良.热力发电厂凝结水处理[M].北京：中国电力出版社，2010.