自動(dòng)軟化器技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應用

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：詳細介紹了自動(dòng)軟化器相對于傳統手工操作軟化器在降低能耗方面所具有的顯著(zhù)優(yōu)勢，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　傳統手工操作軟化設備的弊病

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(zhù)管理差、能耗高的問(wèn)題，特別是中小型鍋爐房。

首先在水處理設備的購置選型上，多數單位是盡量選擇大尺寸軟化罐，以防止水處理量達不到要求。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手工操作設備很難克服的一個(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)人測量，其用量一般都是過(guò)量的。當然再生劑用量越多，樹(shù)脂再生程度也就越高，但從經(jīng)濟角度考慮，只需要樹(shù)脂保持一定程度的再生水平就可以了，一般是最容易達到的再生水平，即只使樹(shù)脂的部分交換容量得到恢復。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，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)濟的。

經(jīng)勞動(dòng)部門(mén)到北京地區一些鍋爐房進(jìn)行抽樣檢測，其實(shí)際鹽耗均在150g/mol以上，再生比耗接近3，個(gè)別鍋爐房鹽耗達到400g/mol。不僅造成了原料鹽的極大浪費，而且由于所排放的再生廢液中鹽濃度高，對地下水源造成污染。此外，再生之前對樹(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)驗來(lái)定，所以傳統手工操作水處理設備的正反洗和置換水耗量也往往超過(guò)理論耗量的數倍，造成水資源的大量浪費。

在離子交換樹(shù)脂的再生周期上，傳統手工操作設備的規范作法是通過(guò)定期(如每隔2小時(shí))從軟化罐出口取水樣化驗一次，當發(fā)現水質(zhì)硬度接近上限值時(shí)，立即切換備用罐，同時(shí)對失效罐進(jìn)行再生。實(shí)際上當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)下維持運行相當長(cháng)的一段時(shí)間，保持出口水質(zhì)硬度在合格范圍內。但由于傳統操作方式對水質(zhì)硬度的監測是間斷性的，擔心不合格水進(jìn)入鍋爐造成危害，所以就將尚能繼續運行的交換器提前進(jìn)行再生。如一臺離子交換器的周期制水量可以達到120m3，卻往往只使用了80～90m3就提前對其進(jìn)行再生，長(cháng)此下去，必將造成各類(lèi)能源的極大浪費。

2　自動(dòng)軟化器在諸方面的優(yōu)越性

自動(dòng)軟化器于70年代末期就已在國外投入商業(yè)運行，90年以后開(kāi)始進(jìn)入我國。與傳統設備相比，自動(dòng)軟化器的優(yōu)越性能主要表現在以下幾方面。

首先外形尺寸和占有空間比同樣出力的傳統設備大大縮小。如生產(chǎn)能力同樣為40t/h的鈉型軟化設備，傳統設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設備的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)脂補充量?jì)H是傳統設備的16%。

自動(dòng)軟化器在工藝流程上與傳統設備有很大區別。傳統設備的工藝流程如圖1，需要容積很大的溶鹽池，在溶鹽池內，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行均由罐體外部的管路閥門(mén)控制，不但管系復雜，因鹽液腐蝕等原因造成設備維修工作量大。

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罐(對于制水量在20～25t/h的自動(dòng)軟化器，再生劑儲罐外形尺寸為φ800×1030mm)取代了傳統設備的龐大溶鹽池和不銹鋼鹽泵。再生劑儲罐內的鹽液濃度達25%，在板式多路閥中依靠水的射吸作用將儲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行等操作過(guò)程全部在軟化罐體內進(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——再生劑儲罐　8——體內過(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并對不同的通路進(jìn)行自動(dòng)啟閉操作。

自動(dòng)軟化器的實(shí)際鹽耗量是根據原水水質(zhì)情況，經(jīng)過(guò)現場(chǎng)反復調試及精確測算后取得最切合實(shí)際的周期制水量，將該周期制水量作為設定值輸入可編程控制器，由該控制系統實(shí)現自動(dòng)運行。其控制過(guò)程如下：由安裝在交換器出口的孔板式流量計測算出水流量，并通過(guò)差壓變送器將流量信號轉變?yōu)?～10mA電流信號輸入可編程控制器，當所測定流量已達到事先設定的周期制水量值時(shí)，可編程控制器隨即發(fā)出指令，停止該罐運行，切換備用罐繼續運行，同時(shí)按編好的程序依次對失效罐進(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)加熱爐兩臺汽化冷卻余熱鍋爐滿(mǎn)負荷運行時(shí)，耗水量為22t/h，給水硬度≤0.03mmol/L。原水硬度較高，為8mmol/L。以往采用一套傳統型單級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，諸項性能比較如表1。

經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的認真核算，平均每年降低運行成本53萬(wàn)元，投運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，由調試人員根據原水硬度情況和用水負荷情況調整好再生時(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，僅適用于負荷一成不變的情況。而絕大多數蒸汽鍋爐的負荷均處在時(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，且能夠適應鍋爐負荷變化，但當原水硬度發(fā)生變化時(shí)，定量型就可能像定時(shí)型那樣出現再生超前或滯后。使用地表水時(shí)，其硬度值是不穩定的；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)還算穩定，但有時(shí)也會(huì )出現變化。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一次，以便根據原水硬度變化情況隨時(shí)調整周期制水量。

定性型自動(dòng)軟化器目前尚處于試驗階段，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軟化罐出口水質(zhì)進(jìn)行在線(xiàn)連續自動(dòng)監測，將水質(zhì)硬度信號隨時(shí)送可編程系統。當水質(zhì)硬度達到上限值時(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)軟化器因負荷與原水水質(zhì)變化而出現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)。

因為鈣鎂鹽類(lèi)僅是總含鹽量中的一部分，簡(jiǎn)單的電極探頭僅能根據溶液電導率測試其總含鹽量，不能對鈣鎂鹽類(lèi)進(jìn)行選擇性測試。盡管目前已有數字式水質(zhì)硬度計投放市場(chǎng)，但該類(lèi)硬度測試還是離線(xiàn)間斷型測試。

目前國內所有在用的自動(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到相當高的程度，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。

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，為了達到減少排污量，節約熱能的目的，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或大容量鍋爐。在上述領(lǐng)域內，水處理裝置仍為傳統手工操作設備。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(zhù)巨大的節能潛力，盡管目前實(shí)現這一目標有一定的難度，但隨著(zhù)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)軟化器的控制系統采用微機，而其切換、運行、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，國產(chǎn)備件尚未過(guò)關(guān)。所以全套自動(dòng)軟化設備的價(jià)格比同樣生產(chǎn)能力的傳統手工設備要高5～7倍，致使許多單位從初投資角度考慮，仍然選擇傳統手工操作設備，但隨著(zhù)進(jìn)口備件國產(chǎn)化和微機的迅速普及，自動(dòng)軟化器的價(jià)格也將降下來(lái)。

4　結論

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能功效來(lái)看，21世紀水處理領(lǐng)域必將是自動(dòng)軟化器的天下。

參考文獻
［1］王春蓮.鍋爐水處理技術(shù)培訓考核問(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：中國勞動(dòng)出版社，1991作者：李元章  來(lái)源：谷騰水網(wǎng)