专利名称：工业水的综合处理和利用方法
技术领域：
本发明涉及一种工业用水的处理和利用方法，主要用于减少工业生产过程中新鲜水的用量，特别是用于减少工业生产过程的循环冷却水系统中作为系统补充水的新鲜水用量。本发明属于工业节水处理技术领域。
背景技术：
工业生产过程的用水量是巨大的，已大约占目前水总用量的20％以上，并随着工业的迅猛发展，工业用水的份额还将继续增大，由于水资源的日渐短缺，节水特别是在工业生产过程中的节水已成为一项重要的任务。通过对工业生产过程的用水分析表明，工业用新鲜水主要消耗在蒸汽锅炉给水的制备和循环冷却水的补充上，如根据近期对我国石化炼油厂的用水调查，炼油厂中蒸汽锅炉给水和循环水的补充水分别占炼油厂总新鲜水用量的40％和20％以上，因此减少工业用水的重点应放到这两个过程上。
循环冷却水系统的新鲜水补充主要用于两个方面。一方面由于蒸发、风冷塔吹失而损失，另一方面是为保持循环冷却系统水质部分外排而损失。循环水水质的一般控制项目有钙硬、碱度、浊度、电导、pH等。
蒸汽锅炉给水是为蒸汽锅炉发生蒸汽提供原料，对水质的控制要求极为严格，根据不同的锅炉压力等级，需要对初源水(最初是地表水)进行一系列的深度处理制备纯水或高纯水，制备通常由预处理、脱盐处理和后处理三部分组成。基于不同的源水水质和出水水质控制要求，目前主要采用传统的源水澄清、砂滤、脱气、活性炭处理、系列离子交换(复床、混床、精床)等流程。在这一复杂的生产流程中，离子交换脱盐和精处理最为重要，也是决定蒸汽锅炉给水制备费用的控制单元，经过前面预处理的源水通过这一过程得到软化和脱盐。
近年来随着地表水可用量的逐年减少以及污染组分和含量的逐年增加，越来越多的企业不得不用地下水代替地表水作蒸汽锅炉给水制备的源水，由于地下水具有较高的硬度、碱度和盐含量，仅采用传统单一的离子交换单元脱盐在经济性、可操作性、环境性上暴露出越来越多的缺点，如保持离子交换容量不变的条件下，交换和再生周期缩短、再生耗费酸碱和新鲜水量增大、废水排放量增加、离子交换树脂吸附效率和使用寿命快速下降，导致运行费用增高。对此，特别是随着一种新的高效脱盐反渗透及反渗透膜技术和设备的日趋完善和普及化，由反渗透与离子交换组合工艺已成为蒸汽锅炉给水制备中脱盐和精处理的最佳流程。利用反渗透单元的高效脱盐率和低运行成本，使经预处理后的源水在进入离子交换前脱除90％-95％的总盐，大大减轻了后面的离子交换的交换负荷，显著延长了离子交换单元的树脂交换和再生周期，显著降低了交换树脂再生所消耗的酸碱和新鲜水量、提高了交换树脂的使用寿命，并使蒸汽锅炉给水水质得到一定程度的改善，最终大大降低了蒸汽锅炉给水制备的成本。如中石化高桥炼油厂、沧州炼油厂以及中原乙烯等一批企业已开始采用这种组合流程，并获得了满意的效果。然而源水，特别是某些地区的地下水中含有相对高的钙镁硬度、重金属、生物细菌和二氧化硅等杂质，当进行反渗透脱盐时，尽管采取了一些预处理手段，但在较高的水回收率，如75％以上，仍会导致这些杂质因较低的水溶性而截留沉积在反渗透膜上，造成膜污染或堵塞，为避免这种问题发生，许多企业不得不控制较低的回收率，如60％，但这浪费了大量水资源，并增加了运行费用。为提高过程水回收率，美国专利US6110375提出了一种方法，对反渗透处理过程中的一部分浓缩液进行离子交换脱盐处理，处理后重新混合到反渗透进水中循环处理，通过这种方法改善了整个反渗透进水的水质，提高了过程的水回收率到75％-85％。然而这种方法存在着以下缺点由于源水经反渗透处理后的浓缩液盐含量得到浓缩，如以地下水为源水，浓缩液中的盐含量已达到1500mgL-1，再经离子交换脱盐处理，会显著增加交换树脂的交换负荷，运行费用增加较多；另外这种方法中最终还有15％-25％的反渗透浓缩液以废水的形式排出系统，造成水资源的浪费。
发明内容
本发明所要解决的问题为如何提高工业水资源的利用率，特别是如何提高工业蒸汽锅炉给水系统水资源的利用率。本发明的目的在于提供一种水资源利用率高、设备简单、运行费用低的工业用水综合处理和利用方法。
本发明方案为蒸汽锅炉所需的源水经预处理后，进行反渗透(以下称为反渗透1)处理，渗透液进行离子交换脱盐处理后供给蒸汽锅炉进水。反渗透1的浓缩液进行软化处理，软化处理后部分循环作为反渗透1的进水，其余部分再次进行反渗透(以下称反渗透2)处理，渗透液作为循环冷却水的补充水，浓缩液排污。
本发明方法通过对反渗透和离子交换组合脱盐流程制备蒸汽锅炉给水的反渗透处理单元的浓缩液进行软化处理，并部分循环使用，改善了抑制反渗透过程不能在高水回收率下进行的水质因素，提高了蒸汽锅炉给水制备过程的水回收率。同时采用软化方法处理反渗透的浓缩液，并非离子交换脱盐，只对反渗透浓缩液中的钙镁硬度、重金属、和二氧化硅等杂质进行软化脱除，节省了交换树脂的交换容量负荷，降低了设备投资和运行费用。蒸汽锅炉给水制备过程反渗透单元排出液经软化处理后，由于已完成对钙镁硬度、重金属、和二氧化硅等杂质的脱除，可以直接进一步进行反渗透处理，处理后的渗透液可以回用到循环冷却水系统，代替或部分代替新鲜水作循环水系统的补充水，改善了循环水系统的水质并减少了系统新鲜水用量。通过本发明方法，既达到了提高蒸汽锅炉给水制备中反渗透过程水回收率、降低了设备投资和运行费用，又降低了循环水系统补充水量，最终达到减少工业用水、减少污水排放的目的，源水利用率可以达到95％以上。
图1是本发明工业水的综合处理和利用方法流程示意图，在蒸汽锅炉给水处理系统中加入软化和第二反渗透装置，在提高锅炉给水的利用率的同时，部分可以用于循环冷却水系统的补充水，使源水的总利率大大提高。
具体实施例方式
源水(地下水或地表水)经常规的预处理，如目前蒸汽锅炉给水所示的预处理方法如澄清、砂滤、脱气、活性炭处理等后，由多介质过滤器过滤后进入反渗透1处理单元。反渗透1处理的渗透液进入后面的离子交换混床或精床进一步处理制备蒸汽锅炉给水所需要的纯水或高纯水，其水量控制为源水的75％-85％；反渗透1的浓缩液进行磺化煤、或Na+离子、或H+离子软化处理，其水量控制为反渗透处理单元总进水量(包括浓缩液处理后的循环量)的25％-40％，将其中占反渗透单元总进水量的10％-20％，循环至反渗透1的进水中作循环处理，剩余的再经另一组反渗透2处理，处理渗透液回用作循环水系统代替新鲜水作循环水系统的补充水，渗透率为60％-80％，回用到循环冷却水系统控制水量可达到反渗透1总进水量的10％-20％，浓缩液排放。
本发明所涉及到的反渗透处理可以采用卷式膜组件、板式膜组件或管式膜组件，但最好选用卷式膜组件，膜材料可以选用醋酸纤维素、多醋酸纤维素、聚酰胺、聚砜复合膜等材料中的一种，渗透水通量为10-40Lh-1m-2，平均脱盐率为90％-95％。其在操作过程中控制浓缩液排出量以浓缩液各组分不发生沉淀和生物菌浓度不危害反渗透膜，如〔Ca2+〕×〔SO42-〕＜1.9×10-4。
在上述本发明所提到的用于对反渗透浓缩液进行软化处理的方法中，所用的介质可采用磺化煤、或其它Na+离子、H+离子树脂，但最好采用磺化煤处理，对反渗透浓缩液的软化率为90％-95％。
实施例1国内某石化炼油厂采用新鲜地表水为源水作蒸汽锅炉给水制备和循环冷却水系统的补充水，平均源水水质为钙硬55.5mgL-1，碱度85mgL-1，浊度105mgL-1，电导875us/cm，pH7.05，总溶解固体435mgL-1，用于蒸汽锅炉给水和循环水系统因蒸发和风冷塔损失补充的水量分别为295m3h-1和210m3h-1。目前采取前预处理、反渗透膜法和离子交换组合工艺制备蒸汽锅炉给水，由于源水中含有较高浓度的钙、镁离子，在反渗透单元只能采用较低的水回收率60％下操作，使过程需要的源水量达到490m3h-1，反渗透浓缩液由于含有较高的钙镁硬度和总溶解性固体，只能以污水的形式排放，排放量达到195m3h-1，造成水资源的浪费、运行费和排污费较高。
采用本发明所提供的方法，在蒸汽锅炉给水的制备过程过程中，预处理后进入反渗透单元处理的源水量为347m3h-1，平均渗透产水量为295m3h-1，反渗透过程浓缩液循环处理量87m3h-1，其中循环回反渗透进水35m3h-1，系统外排52m3h-1，根据对反渗透浓缩液中易沉淀组分的溶解度积计算，在这种高水回收率下，反渗透可以维持长时间运转，不会发生膜沉积等不良问题。在系统外排52m3h-1水中，钙硬11mgL-1，碱度23mgL-1，浊度10mgL-1，电导3200mgL-1，Cl-400mgL-1，pH8.0，总溶解性固体1740mgL-1，由于具有良好的水质软化性质，直接再进行反渗透脱盐，在这个过程中控制水回收率75％，可保持反渗透设备长期运行，不会发生膜沉积等不良问题，处理回收水量为40m3h-1，水质中含钙硬＜2mgL-1，碱度＜3mgL-1，浊度＜10mgL-1，电导350mgL-1，Cl-＜40mgL-1，总溶解性固体170mgL-1，水质明显优于循环水系统的新鲜水补充水，不仅代替了系统新鲜水的补充，而且可提高整个循环水系统的水质，提高循环水浓缩倍数。通过采用本发明的方法，最终使蒸汽锅炉给水制备过程减少新鲜源水143m3h-1，使循环水系统减少新鲜源水40m3h-1，两项总计减少新鲜水量183m3h-1，减少系统排污量183m3h-1，源水的总利用率达到96.5％，并且85％为优质蒸汽锅炉进水。
实施例2将实施例1中的源水由地下水代替地表水，平均地下水源水水质为钙硬200mgL-1，碱度250mgL-1，浊度0.2mgL-1，电导930us/cm，pH7.7，总溶解固体465mgL-1，采用本发明所提供的方法，在蒸汽锅炉给水的制备过程中，将反渗透单元处理的浓缩液进行磺化煤软化处理，再部分循环回反渗透进水中进行循环处理，预处理后进入反渗透单元处理的源水量为367m3h-1，平均渗透产水量为295m3h-1，反渗透过程浓缩液循环处理量144m3h-1，其中循环回反渗透进水72m3h-1，系统外排72m3h-1，根据对反渗透浓缩液中易沉淀组分的溶解度积计算，在这种高水回收率下，反渗透可以维持长时间运转，不会发生膜沉积等不良问题。在系统外排的72m3h-1水中，钙硬37mgL-1，碱度50mgL-1，浊度＜0.2mgL-1，电导3800mgL-1，pH7.8，总溶解性固体1860mgL-1，由于具有良好的水质软化性质，直接再进行反渗透脱盐，在这个过程中控制水回收率75％，可保持反渗透设备长期运行，不会发生膜沉积等不良问题，处理回收水量为54m3h-1，水质中含钙硬＜4mgL-1，碱度＜5mgL-1，浊度＜0.1mgL-1，电导380mgL-1，总溶解性固体180mgL-1，水质明显优于循环水系统的新鲜水补充水，不仅代替了系统新鲜水的补充，而且可提高整个循环水系统的水质，提高循环水浓缩倍数。通过采用本发明的方法，源水的80％进入为锅炉给水，15％为循环冷却系统补充水，总利用率达到95％，达到了减少新鲜水用量和减少排污量的目的。上述两个实施例中使用的反渗透采用卷式膜组件，膜材料为醋酸纤维素，渗透水通量为30Lh-1m-2，脱盐率为93％，反渗透压力为0.30MPa，磺化煤处理的软化率为90％以上。
权利要求
1.一种工业水的综合处理和利用方法，采用反渗透和离子交换脱盐组合流程制备蒸汽锅炉给水，其特征在于反渗透处理后的浓缩液经软化处理，一部分循环回反渗透处理，另一部分直接进行再次反渗透处理，处理后的渗透液作为循环冷却水系统的补充水。
2.按照权利要求1所述的工业水综合处理和利用方法，其特征在于所述的浓缩液软化处理采用磺化煤、Na+离子交换剂、H+离子交换剂进行软化处理。
3.按照权利要求1所述的工业水综合处理和利用方法，其特征在于所述的反渗透浓缩液的软化处理量控制为反渗透进水量的25％-40％。
4.按照权利要求1所述的工业水综合处理和利用方法，其特征在于所述的反渗透浓缩液经软化处理后，循环回反渗透的量为反渗透进水量的10％-20％。
5.按照权利要求3所述的工业水综合处理和利用方法，其特征在于所述的反渗透处理后的浓缩液经软化处理后，直接进一步进行反渗透处理，处理后的渗透液回用到循环冷却水系统控制水量为反渗透进水量的10％-20％。
6.按照权利要求1所述的工业水综合处理和利用方法，其特征在于所述的两种反渗透采用卷式膜组件、板式膜组件或管式膜组件。
7.按照权利要求1所述的工业水综合处理和利用方法，其特征在于所述的两种反渗透采用卷式膜组件。
8.按照权利要求1所述的工业水综合处理和利用方法，其特征在于所述的两种反渗透所用的膜材料选用醋酸纤维素、多醋酸纤维素、聚酰胺、聚砜复合膜等材料中的一种。
9.按照权利要求1或2所述的工业水综合处理和利用方法，其特征在于所述的反渗透处理后的浓缩液的软化处理采用磺化煤为软化剂。
全文摘要
本发明涉及一种工业用水的综合处理和利用方法，克服现有技术中工业用水利用率低的问题。本发明方案采用反渗透和离子交换组合脱盐流程制备蒸汽锅炉给水，反渗透的浓缩液经软化处理后，一部分循环回反渗透处理，提高蒸汽锅炉给水制备过程的水回收率，另一部分直接进一步进行反渗透处理，处理后的渗透液代替或部分代替新鲜水作循环水系统的补充水，改善循环水系统的水质并减少新鲜水用量。本发明方法可以减少工业新鲜源水的用量，同时减少污水的排放量，提高水利用率，适用于同时具有蒸汽锅炉和需要循环冷却水的工厂。
文档编号C02F9/00GK1448348SQ0210941
公开日2003年10月15日 申请日期2002年4月4日 优先权日2002年4月4日
发明者郭宏山 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院