自動(dòng)軟化器技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：自動(dòng)軟化器,再生比耗,板式多路閥,氫鈉離子并聯(lián)水處理

摘要：詳細(xì)介紹了自動(dòng)軟化器相對(duì)于傳統(tǒng)手工操作軟化器在降低能耗方面所具有的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)分析了自動(dòng)軟化器目前存在的一些不完善之處及其發(fā)展前景。

1　傳統(tǒng)手工操作軟化設(shè)備的弊病

在鍋爐水處理領(lǐng)域里，絕大部分單位采用離子交換方法，普遍存在著管理差、能耗高的問(wèn)題，特別是中小型鍋爐房。

首先在水處理設(shè)備的購(gòu)置選型上，多數(shù)單位是盡量選擇大尺寸軟化罐，以防止水處理量達(dá)不到要求。盡管這樣做可以完全滿(mǎn)足鍋爐用水量要求，但樹(shù)脂裝填量比實(shí)際要求大出4～5倍，每年破碎樹(shù)脂補(bǔ)充量多，鹽耗水耗電耗也比實(shí)際需要高出許多倍。

此外再生比耗高也是傳統(tǒng)手工操作設(shè)備很難克服的一個(gè)弊病。所謂再生比耗，就是實(shí)際鹽耗與理論鹽耗的比值；以NaCl再生劑為例，其理論鹽耗為58.5g/mol，即恢復(fù)樹(shù)脂1摩爾交換容量在理論上需要58.5克食鹽。實(shí)際鹽耗計(jì)算公式如下〔1〕：

在許多鍋爐房中，再生劑的消耗量根本無(wú)人測(cè)量，其用量一般都是過(guò)量的。當(dāng)然再生劑用量越多，樹(shù)脂再生程度也就越高，但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，只需要樹(shù)脂保持一定程度的再生水平就可以了，一般是最容易達(dá)到的再生水平，即只使樹(shù)脂的部分交換容量得到恢復(fù)。若單純地要求樹(shù)脂的再生水平，將樹(shù)脂的全部交換容量都恢復(fù)，則此時(shí)的鹽耗有可能是理論鹽耗的十幾倍，這是極不經(jīng)濟(jì)的。

經(jīng)勞動(dòng)部門(mén)到北京地區(qū)一些鍋爐房進(jìn)行抽樣檢測(cè)，其實(shí)際鹽耗均在150g/mol以上，再生比耗接近3，個(gè)別鍋爐房鹽耗達(dá)到400g/mol。不僅造成了原料鹽的極大浪費(fèi)，而且由于所排放的再生廢液中鹽濃度高，對(duì)地下水源造成污染。此外，再生之前對(duì)樹(shù)脂的反洗操作和再生之后的置換清洗操作也完全憑操作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)定，所以傳統(tǒng)手工操作水處理設(shè)備的正反洗和置換水耗量也往往超過(guò)理論耗量的數(shù)倍，造成水資源的大量浪費(fèi)。

在離子交換樹(shù)脂的再生周期上，傳統(tǒng)手工操作設(shè)備的規(guī)范作法是通過(guò)定期(如每隔2小時(shí))從軟化罐出口取水樣化驗(yàn)一次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)硬度接近上限值時(shí)，立即切換備用罐，同時(shí)對(duì)失效罐進(jìn)行再生。實(shí)際上當(dāng)離子交換器出水硬度接近上限值時(shí)，還可以在臨界狀態(tài)下維持運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，保持出口水質(zhì)硬度在合格范圍內(nèi)。但由于傳統(tǒng)操作方式對(duì)水質(zhì)硬度的監(jiān)測(cè)是間斷性的，擔(dān)心不合格水進(jìn)入鍋爐造成危害，所以就將尚能繼續(xù)運(yùn)行的交換器提前進(jìn)行再生。如一臺(tái)離子交換器的周期制水量可以達(dá)到120m3，卻往往只使用了80～90m3就提前對(duì)其進(jìn)行再生，長(zhǎng)此下去，必將造成各類(lèi)能源的極大浪費(fèi)。

2　自動(dòng)軟化器在諸方面的優(yōu)越性

自動(dòng)軟化器于70年代末期就已在國(guó)外投入商業(yè)運(yùn)行，90年以后開(kāi)始進(jìn)入我國(guó)。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，自動(dòng)軟化器的優(yōu)越性能主要表現(xiàn)在以下幾方面。

首先外形尺寸和占有空間比同樣出力的傳統(tǒng)設(shè)備大大縮小。如生產(chǎn)能力同樣為40t/h的鈉型軟化設(shè)備，傳統(tǒng)設(shè)備的軟化罐單缸尺寸φ2500×6500mm，而自動(dòng)軟化器單罐尺寸為φ1600×3500mm，其所占用空間是傳統(tǒng)設(shè)備的22%。由于軟化罐容積的縮小，樹(shù)脂充填量也大為縮小，每年的破碎樹(shù)脂補(bǔ)充量?jī)H是傳統(tǒng)設(shè)備的16%。

自動(dòng)軟化器在工藝流程上與傳統(tǒng)設(shè)備有很大區(qū)別。傳統(tǒng)設(shè)備的工藝流程如圖1，需要容積很大的溶鹽池，在溶鹽池內(nèi)，鹽液濃度8%～10%，并須耐腐蝕性能良好的不銹鋼鹽泵，正反洗、置換清洗和正常操作運(yùn)行均由罐體外部的管路閥門(mén)控制，不但管系復(fù)雜，因鹽液腐蝕等原因造成設(shè)備維修工作量大。

自動(dòng)軟化器工藝流程如圖2，用體積很小的塑料再生液儲(chǔ)罐(對(duì)于制水量在20～25t/h的自動(dòng)軟化器，再生劑儲(chǔ)罐外形尺寸為φ800×1030mm)取代了傳統(tǒng)設(shè)備的龐大溶鹽池和不銹鋼鹽泵。再生劑儲(chǔ)罐內(nèi)的鹽液濃度達(dá)25%，在板式多路閥中依靠水的射吸作用將儲(chǔ)罐中的鹽液帶入軟化罐，進(jìn)入軟化罐中的鹽液濃度已被稀釋到8%左右。正反洗、進(jìn)再生劑、置換清洗及正常交換運(yùn)行等操作過(guò)程全部在軟化罐體內(nèi)進(jìn)行，省略了大量外管路閥門(mén)，外型極其簡(jiǎn)單。板式多路閥與罐體內(nèi)管路和過(guò)濾裝置等均為PVC材質(zhì)或其它具有高度耐腐蝕性材質(zhì)，可有效抵御鹽液侵蝕。

1——板式多路閥　2——運(yùn)行罐　3——備用罐　4——生水進(jìn)口管　5——軟水出口管　6——廢液出口管　7——再生劑儲(chǔ)罐　8——體內(nèi)過(guò)濾裝置

板式多路閥各通路均為電磁閥通斷控制，靠電磁力開(kāi)啟和彈簧力關(guān)閉。該閥接受可編程控制器的各種指令信號(hào)并對(duì)不同的通路進(jìn)行自動(dòng)啟閉操作。

自動(dòng)軟化器的實(shí)際鹽耗量是根據(jù)原水水質(zhì)情況，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試及精確測(cè)算后取得最切合實(shí)際的周期制水量，將該周期制水量作為設(shè)定值輸入可編程控制器，由該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。其控制過(guò)程如下：由安裝在交換器出口的孔板式流量計(jì)測(cè)算出水流量，并通過(guò)差壓變送器將流量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～10mA電流信號(hào)輸入可編程控制器，當(dāng)所測(cè)定流量已達(dá)到事先設(shè)定的周期制水量值時(shí)，可編程控制器隨即發(fā)出指令，停止該罐運(yùn)行，切換備用罐繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)按編好的程序依次對(duì)失效罐進(jìn)行反洗、進(jìn)鹽、置換、正洗等各步操作。

由于自動(dòng)軟化器的進(jìn)鹽量、置換清洗及正反洗用水流量等均按事先編好的程序進(jìn)行精確控制，可將再生鹽耗、水耗降至最低，接近于理論耗量；如一臺(tái)逆流再生定量型自動(dòng)軟化器，其實(shí)際鹽耗僅為60g/mol左右，再生比耗僅為1.05～1.10。

下面僅舉一例進(jìn)行說(shuō)明。我公司初軋廠(chǎng)加熱爐兩臺(tái)汽化冷卻余熱鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，耗水量為22t/h，給水硬度≤0.03mmol/L。原水硬度較高，為8mmol/L。以往采用一套傳統(tǒng)型單級(jí)逆流再生固定床式雙罐鈉離子交換器，1997年引進(jìn)北京泰克尼公司的一套TA-800QF2定量型自動(dòng)軟化器，諸項(xiàng)性能比較如表1。

經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的認(rèn)真核算，平均每年降低運(yùn)行成本53萬(wàn)元，投運(yùn)僅半年即可收回全部改造投資。

3　自動(dòng)軟化器不足之處及其發(fā)展前景

早期的自動(dòng)軟化器為定時(shí)型即時(shí)間周期型自動(dòng)軟化器，由調(diào)試人員根據(jù)原水硬度情況和用水負(fù)荷情況調(diào)整好再生時(shí)間周期，然后由定時(shí)器進(jìn)行控制。實(shí)踐表明此類(lèi)自動(dòng)軟化器的使用范圍非常有限，僅適用于負(fù)荷一成不變的情況。而絕大多數(shù)蒸汽鍋爐的負(fù)荷均處在時(shí)刻變化之中，有時(shí)甚至是大幅度變化。此時(shí)定時(shí)型自動(dòng)軟化器的再生不是超前就是滯后。

盡管定量型自動(dòng)軟化器是目前的主要形式，且能夠適應(yīng)鍋爐負(fù)荷變化，但當(dāng)原水硬度發(fā)生變化時(shí)，定量型就可能像定時(shí)型那樣出現(xiàn)再生超前或滯后。使用地表水時(shí)，其硬度值是不穩(wěn)定的；而使用地下水或自來(lái)水作原水時(shí)，其水質(zhì)硬度一般來(lái)說(shuō)還算穩(wěn)定，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)變化。所以使用定量型自動(dòng)軟化器的單位，每天必須取原水水樣化驗(yàn)一次，以便根據(jù)原水硬度變化情況隨時(shí)調(diào)整周期制水量。

定性型自動(dòng)軟化器目前尚處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有投放市場(chǎng)。其主要工作過(guò)程是依靠安裝在軟化罐出口處的電極探頭對(duì)軟化罐出口水質(zhì)進(jìn)行在線(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，將水質(zhì)硬度信號(hào)隨時(shí)送可編程系統(tǒng)。當(dāng)水質(zhì)硬度達(dá)到上限值時(shí)，可編程控制器立即發(fā)出指令切換備用罐，同時(shí)對(duì)失效罐進(jìn)行再生。它完全克服了定量型及定時(shí)型自動(dòng)軟化器因負(fù)荷與原水水質(zhì)變化而出現(xiàn)的再生不足或再生過(guò)量的弱點(diǎn)，總能將再生周期控制得恰到好處，是一種理想的自動(dòng)軟化器型式。

定性型自動(dòng)軟化器之所以至今還沒(méi)有成為定型產(chǎn)品被投放市場(chǎng)，原因是它的關(guān)鍵技術(shù)電極探頭尚未過(guò)關(guān)。

因?yàn)殁}鎂鹽類(lèi)僅是總含鹽量中的一部分，簡(jiǎn)單的電極探頭僅能根據(jù)溶液電導(dǎo)率測(cè)試其總含鹽量，不能對(duì)鈣鎂鹽類(lèi)進(jìn)行選擇性測(cè)試。盡管目前已有數(shù)字式水質(zhì)硬度計(jì)投放市場(chǎng)，但該類(lèi)硬度測(cè)試還是離線(xiàn)間斷型測(cè)試。

目前國(guó)內(nèi)所有在用的自動(dòng)軟化器均為鈉型軟化器，而原水在經(jīng)過(guò)單純鈉型軟化后，盡管去除了鈣鎂離子復(fù)合硬度，但堿度絲毫沒(méi)有降低，含鹽量還較原水有所增加〔2〕。這樣的給水進(jìn)入鍋爐后，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮，其堿度和含鹽量將達(dá)到相當(dāng)高的程度，易產(chǎn)生汽水共騰，惡化蒸汽品質(zhì)，為了降低鍋爐水堿度和含鹽量，必須加大鍋爐排污量，從而造成熱能的大量浪費(fèi)。

所以使用原水堿度≥5mmol/L的蒸汽鍋爐或蒸發(fā)量≥20t/h的蒸汽鍋爐，為了達(dá)到減少排污量，節(jié)約熱能的目的，不能采用單純鈉型軟化水處理形式，而要采用氫鈉離子并聯(lián)式水處理形式。

由于工藝流程復(fù)雜，自動(dòng)軟化器目前還沒(méi)有氫鈉離子并聯(lián)水處理形式，而僅為單純鈉型軟化形式，這就限制了自動(dòng)軟化器的使用范圍，使它不適合于原水堿度高的地區(qū)或大容量鍋爐。在上述領(lǐng)域內(nèi)，水處理裝置仍為傳統(tǒng)手工操作設(shè)備。將自動(dòng)軟化技術(shù)引入氫鈉離子并聯(lián)水處理領(lǐng)域有著巨大的節(jié)能潛力，盡管目前實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)有一定的難度，但隨著不斷的科技進(jìn)步，這些困難必將會(huì)被克服。

此外，由于自動(dòng)軟化器的控制系統(tǒng)采用微機(jī)，而其切換、運(yùn)行、再生及清洗置換等具體操作采用板式多路閥，目前上述備品備件均為進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)備件尚未過(guò)關(guān)。所以全套自動(dòng)軟化設(shè)備的價(jià)格比同樣生產(chǎn)能力的傳統(tǒng)手工設(shè)備要高5～7倍，致使許多單位從初投資角度考慮，仍然選擇傳統(tǒng)手工操作設(shè)備，但隨著進(jìn)口備件國(guó)產(chǎn)化和微機(jī)的迅速普及，自動(dòng)軟化器的價(jià)格也將降下來(lái)。

4　結(jié)論

由于自動(dòng)軟化器技術(shù)具有體積小，占地少，樹(shù)脂和鹽消耗量低、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，加之技術(shù)的不斷完善，各類(lèi)功能不斷齊全，更加適合于各類(lèi)復(fù)雜條件下的軟化水處理作業(yè)。

盡管自動(dòng)軟化器技術(shù)作為新生事物，還存在一些不成熟和不完善之處，但從其發(fā)展普及速度和巨大的節(jié)能功效來(lái)看，21世紀(jì)水處理領(lǐng)域必將是自動(dòng)軟化器的天下。

參考文獻(xiàn)
［1］王春蓮.鍋爐水處理技術(shù)培訓(xùn)考核問(wèn)答.北京：北京市勞動(dòng)局，1997
［2］許興煒.低壓鍋爐水處理技術(shù).北京：中國(guó)勞動(dòng)出版社，1991作者：李元章  來(lái)源：谷騰水網(wǎng)