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“润新阀”在氢-钠离子交换软化降碱处理系统中的应用

文章来源:lusheng    时间:2022-03-18

高硬度、高碱度原水用于锅炉时,单纯的软化处理,虽然除去了硬度,却保留了过高的碱度,进入锅炉后,随着锅炉运行的蒸发浓缩,锅水碱度将急剧增高,不仅将增大锅炉排污,浪费燃料,降低锅炉热效率,并增加锅炉补给水量,而且将显著影响蒸汽质量,严重的甚至发生汽水共腾事故和锅炉金属的碱腐蚀。因此,高硬度、高碱度原水需要进行软化降碱处理,以达到除去硬度,降低碱度至适当值的目的。

中国东北某化工企业配备2台额定工作压力1.6MPa、蒸发量35m3/h的蒸汽锅炉,其中一台锅炉24小时连续运行,另一台锅炉以备用为主,生产量大时需两台同时运行。

釆用地下水作为原水,其水质检测结果:平均硬度为6.2mmol/L、平均碱度为5.9mmol/L,属于高硬度、高碱度水,需要进行软化降碱处理。考虑各种因素,决定采用氢-钠离子交换系统进行软化降碱处理。为防止锅炉结垢、提高蒸汽质量、降低锅炉排污率,要求系统出水硬度<0.03mmol/L、碱度≤0.9mmol/L,确保锅炉排污率不超过5%(锅水浓缩不低于20倍)的情况下,锅水碱度符合GB/T1576《工业锅炉水质》标准的要求(即锅水浓缩20倍后,碱度≤24.0mmol/L)。

因为原水为地下水,不仅硬度和碱度较高,而且可能含有泥砂等杂质,因此采用叠片式过滤器过滤泥砂,以确保离子交换器进水浊度小于5NTU。

对于氢离子交换树脂的选择,有强酸性H+弱酸性H+离子交换树脂可选,弱酸性H+离子交换树脂具有交换容量大、出水不产生强酸、系统出水质量易控制、再生酸耗低、废酸浓度低、废液处理成本低等优点。下面将两种树脂通过树脂填装量、再生用酸量的计算结果进行比较:

a)树脂填装量计算:

为了使H+交换器与Na+交换器基本同步失效、同时再生,H+交换树脂与Na+交换树脂的比例需根据原水的碳酸盐硬度(即原水碱度)和非碳酸盐硬度(即原水总硬度与碱度之差值)的比例以及保留的碱度来确定。已测得原水总硬度6.2mmol/L、碱度5.9mmol/L,则原水中碳酸盐硬度=碱度=5.9mmol/L,非碳酸盐硬度=总硬度-碱度=6.2-5.9=0.3mmol/L,要求软化降碱处理后系统出水碱度≤0.9mmol/L,因此H+交换需除去的碳酸盐硬度为5.9-0.9=5mmol/L,Na+交换需除去的硬度为6.2-5=1.2mmol/L。查得弱酸性阳离子交换树脂的工作交换容量为1800~2000mol/m3,强酸性阳离子交换树脂的工作交换容量为800~1200mol/m3;锅炉蒸发量为35m3/h,考虑到锅炉排污等损耗,锅炉补给水处理量按38m3/h计,24小时连续运行,以每天再生一次,计算弱酸性H+交换树脂填装量V弱H、强酸性H+交换树脂填装量V强H、Na+交换树脂填装量VNa如下:

式中:

Q——交换器周期制水量,按24小时再生一次计,单位为m3

YD——需除去的硬度,单位为mmol/L;

k——保证出水硬度合格的安全系数,一般弱酸性H+交换树脂取1~1.2,强酸性阳离子交换树脂(包括H+交换和Na+交换),取1.2~1.8;

E——树脂的工作交换容量,单位为mol/m3

从计算结果可知:由于弱酸性H+交换树脂的工作交换容量远大于强酸性H+交换树脂,因此仅需填装2.8m3弱酸性H+交换树脂,如果采用强酸性H+交换树脂则需6.8m3

b)树脂填装量计算:

根据上述计算的树脂填装量,对于顺流再生软水器,弱酸性H+交换树脂和强酸性H+交换树脂再生时,一次再生用酸量分别计算如下:

式中:

mz——再生一次所需的浓酸量,kg;

VR——树脂罐内填装的树脂体积,m3

E——树脂的工作交换容量,一般强酸性H+交换树脂按1000mol/m3计算,弱酸性H+

换树脂按1800mol/m3计算;

k——再生剂比耗,对于强酸性H+交换树脂一般逆流再生时取1.2~1.8;顺流再生时取2~3.5;弱酸型H+交换树脂一般只需取1.0~1.1;

M——再生剂的摩尔质量,用酸再生时,HCl为36.5;

ε——再生剂的纯度,一般工业用浓盐酸(HCl)30%~33%。

从计算结果可知:虽然弱酸性阳离子交换树脂比强酸性阳离子交换树脂价格高,但树脂填装量和再生用酸量要少得多;而且再生酸液浓度,一般弱酸性树脂再生仅需1.5%~2%HCl,强酸性树脂再生需3%~4%HCl。因此,选用弱酸性阳离子交换树脂,总体投资成本和再生成本以及废液处理成本低得多,且环保压力少。

通过分析比较,本系统采用弱酸性H+交换树脂除去碳酸盐硬度,并通过除二氧化碳器(简称除碳器)除去碳酸盐硬度经H+交换后产生的CO2,以达到降碱目的;然后再进入填装有强酸性阳离子交换树脂的Na+交换器,进一步除去非碳酸盐硬度和剩余的碳酸盐硬度。其水处理工艺流程为:原水→原水泵→叠片式过滤器→弱酸性+H交换器→除碳器→除碳水箱→中间水泵→Na+交换器→软水箱→锅炉补给水泵→进锅炉;弱酸性H+交换器再生时的废酸液排入化工厂污水池统一处理。

根据上述计算结果,考虑到交换器反洗所需膨胀高度和树脂罐产品的规格尺寸,设计配置氢-钠离子交换软化降碱水处理系统为:H+交换树脂罐采用两台直径为1.5m、高度2.4m,罐内填装2.8m3弱酸性H+交换树脂;Na+交换树脂罐采用两台直径为1.2m、高度2.2m,罐内填装1.6m3Na+交换树脂;配套用于H+交换器再生的盐酸罐和Na+交换器再生的盐水罐各一台,罐体直径为1.5m、高度1.2m;选用耐酸腐蚀的润新63640(F112A3)流量型软化阀,组成二套双阀双罐的H+交换系统和双阀双罐的Na+交换系统,可实现一用一备或两套并联运行(分别再生),产水量达到38m3/h~76m3/h。

由于H-Na离子交换系统最终出水都经过钠离子交换处理,所以弱酸性H+交换器运行终点的控制不需太严格,只要出水中硬度降低量与进水碱度基本相当即可,系统的出水质量主要以控制Na+交换器出水硬度为运行终点为此在钠离子交换器出口安装润新44710(F84)在线硬度监测仪,实时检测出水硬度,当出水硬度高于0.03mmol/L时,仪器报警并发出信号,使系统实现无人值守(定期人工复测)的自动控制管理。


两套弱酸性H+交换器和Na+交换器均采用"润新阀"特有的互锁线互锁,使氢-钠离子交换系统至少有一套处于运行状态,确保氢-钠离子交换系统始终有合格的出水来满足锅炉给水需求。另外,为了降低设备的能耗,确保系统的供水压力,原水泵、除炭水泵釆用变频控制。

该氢-钠离子交换软化降碱水处理系统投入运行近一年来,系统运行和再生及监测均可实现自动控制,通过每周对出水水质进行抽样复测验证,系统出水硬度和碱度均符合要求,锅炉给水和锅水水质达到国家标准要求,锅炉排污率和锅炉热效率达到节能减排要求,蒸汽质量得到保证,用户反映良好。


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