双室浮动床离子交换除盐系统的特点及调试

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双室浮动床离子交换除盐系统的特点及调试

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 10:29:53

苏志林　魏乃茂
天津电力建设公司天津300161 　江苏省通州美亚热电厂为对外供热电厂，其正常供热量为100 t／h，最大供热量为160 t／h，除盐水消耗比较大。其水处理站选用了80年代发展起来的、较新型的双室浮动床除盐系统新工艺。我公司调试所承担了该工程的调试工作。
　　该除盐系统为一级双室浮动床加混床系统，系统流程为：通吕运河河水→净水装置→生水泵→机械过滤器→清水箱→清水泵→阳双室浮动床→除二氧化碳器→中间水箱→中间水泵→阴双室浮动床→混床→除盐水箱。系统设计为一列运行，一列备用，设计流速为40 m／h，流量为200 t／h。出水水质为：DD不大于0．2μS／cm，SiO₂含量不大于20μg／L。
　　本文参考有关资料，对双室浮动床离子交换水处理设备的结构、优点及运行等方面的问题进行了分析。因笔者对双室浮动床除盐系统的运行技术的认识仍很肤浅，有不当之处，恳请各位批评指正。

1　主要设备的构造
　　双室浮动床是除盐系统的主要设备，双室浮动床的构造类似于双层床，由壳体、管系、进水装置、出水装置、再生液分配装置、离子交换树脂及惰性树脂等组成。筒体内部设有上、中、下三块滤水隔板，将整个筒体分成上下两个室，每块隔板上都装有滤水帽。
　　阳双室浮动床在上室充填强酸性树脂，下室充填大孔弱酸性阳离子交换树脂，阴双室浮动床上室充填强碱性阴离子交换树脂，下室充填弱碱性阴离子交换树脂。
　　树脂层的上部充填浮动床专用的惰性树脂，其充填高度一般为200 mm。

2　双室浮动床除盐系统的工作状况
2．1　运行
　　运行时，被处理的原水经阳双室浮动床底部进入，首先流经弱酸性树脂层，在这层树脂中将水中的暂硬除去，然后再通过隔板流经阳双室浮动床上室的强酸性树脂层，将弱酸树脂层泄漏的小部分暂时硬度和其他阳离子除去。
　　除去阳离子的水进入脱碳器，用鼓风机吹入的空气脱除二氧化碳，然后进入阴双室浮动床下室的弱碱树脂层，除去强酸根离子，再经上室强碱树脂层，将全部阴离子除去，生产出合格的二级除盐水。
　　被处理的水在双室浮动床内由下向上流动的过程中，使得每室大约70％～80％的树脂在上部形成压紧层，其余树脂在室内下部形成悬浮层。
2．2　再生
　　再生时，再生液的流向与运行时被处理水的流向相反，再生液首先接触的是强型树脂层，与强型树脂再生反应过后的再生剂废液再通过弱型树脂层，使得再生剂用量少，再生效果良好。
2．3　体外反洗
　　随着运行周期的增加，双室浮动床内形成的破碎树脂和从水中截留的污物逐渐增多。当床层　　阻力降超过正常运行时阻力降0．04～0．06 MPa时，应将床内强、弱树脂分别送到清洗塔内进行清洗，以便除去破碎树脂和污物，使树脂恢复到最佳状态。

3　双室浮动床除盐系统运行的优点
　　依据双室浮动床设备的结构和特点，通过对通州美亚热电厂水处理站的调试、运行分析，认为双室浮动床除盐系统有下列优点：
　　（1）双室浮动床除盐系统能使强、弱两种树脂充分发挥各自的优点
　　在阳双室浮动床中，弱酸树脂对暂时硬度有很高的工作交换容量，因而阳双室浮动床的平均工作交换容量大为提高，而强酸树脂具有较好的交换彻底性，因此阳双室浮动床有很高的出水水质。强弱树脂串联再生，可为强酸树脂提供较高的再生剂比耗，有较高的再生度，因而其交换容量也得到了提高，弱酸树脂由于容易再生，虽然是用强酸树脂排出的废再生液对其再生，其再生度仍然很高，所以阳双室浮动床总的再生剂比耗可降得很低。如通州美亚热电厂水处理装置的酸耗，仅为理论值的1．06倍。同时，由于强酸树脂层允许弱酸树脂层有较大的泄漏量而不影响出水水质，弱酸树脂深度失效，使其交换容量大的特点得到充分的发挥。因此，双室浮动床可得到很好的经济技术效果。
　　在阴双室浮动床内，强、弱两种树脂也可充分发挥各自的特点。弱碱性树脂在处理阳双室浮动床排出的酸性水时，有很高的工作交换容量，这就使得阴双室浮动床有较高的平均交换容量。强碱树脂的交换彻底性，保证阴双室浮动床有良好的出水水质。弱碱树脂可利用强碱树脂排出的废再生液进行再生，降低阴双室浮动床总的再生剂比耗。由于所有再生液均流经强碱阴树脂，使得强碱阴树脂有较高的再生剂比耗，得到很高的再生度，因此有较高的工作交换容量，这些情况与阳双室浮动床是一样的。
　　由此可见，双室浮动床除盐系统具备了双层床的优点。
　　（2）双室浮动床除盐系统强、弱型树脂不再相混
　　双室浮动床除盐系统是将强、弱两种树脂分别装在两个床室中，它们之间用装有滤水帽的隔板隔开，这样，强、弱两种树脂不会相混，不会出现双层床因为强、弱两种树脂不能彻底分层而直接影响双层床的出水水质及其技术经济指标的问题。
    （3）运行流速高、设备出力大、出水水质好　　双室浮动床除盐系统由于采用了浮床运行方式，其运行流速一般为30～50 m／h，如通州美亚热电厂水处理站运行流速为40 m／h，运行安全可靠。而固定床的运行流速一般为15～25 m／h，可见，相同直径的交换设备，双室浮动床的出力可增加一倍。它之所以能有这样高的运行流速，是因为在运行时，由于水力筛分的结果，使得颗粒较小的树脂排列在床层上部，颗粒较大的树脂排列在床层下部，进入双室浮动床的水首先接触颗粒大的树脂，使床层阻力较小，压差平稳，其水力特性得到改善的结果。
　　我们知道，由固定床组成的一级除盐系统，其出水水质DD一般为5～10μS／cm。而由双室浮动床组成的该系统，可小于5μS／cm，如通州美亚热电厂水处理站阴双室浮动床出水水质DD为1～2μS／cm。
　　双室浮动床除盐系统在高流速下仍能有很高的出水水质，这是由它的结构所决定的，因为，被处理水中可交换的离子，首先经过悬浮状的树脂层，在这层树脂中，水与树脂的接触面积很大，几乎是整个树脂表面积的百分之百，再有，由于运行流速增高，加快了离子交换过程中膜扩散的速度，这些都有利于促使交换过程的迅速完成。未被交换的离子在通过上面的压紧层时，由于这层树脂的再生度很高，从而得到了彻底的交换，保证了出水水质。
　　由此可以看出，双室浮动床除盐系统完全具备了浮动床设备出力大、出水水质好的优点。
　　（4）双室浮动床除盐系统对进口水水质要求降低
　　阳双室浮动床下室装的是大孔弱酸阳离子交换树脂，这种树脂具有抗有机物污染、能够吸附有机物、并容易清洗、容易再生等特点，所以阳双室浮动床对进水悬物含量的要求可以降低。在阳双室浮动床中，当原水流经大孔弱酸树脂层时，水中的有机物、大部分悬浮物就被树脂吸附、截留，从而有效地保护了上室强酸树脂，保证了设备的安全运行。
    （5）具备逆流再生的优点
　　双室浮动床采用的是逆流再生工艺。再生时，全部新鲜的再生液自上而下首先通过上室的强型树脂，强型树脂得到了充分再生，使其有了很高的再生度。例如：通州美亚热电厂锅炉水处理装置虽然阳双室浮动床酸的总比耗为理论比耗的1．06倍，但由于用于再生强、弱树脂的新鲜再生液全部通过强酸阳树脂，实际上用于强酸阳树脂的再生剂比耗为理论比耗的1．5倍以上。有这样高的再生剂比耗，强型树脂的再生度必然是十分高的。
　　从上室强型树脂排出的再生废液，在流经下室的弱型树脂时，弱型树脂因有容易被再生的特性，它又处于饿再生的状态下，所以虽然是再生废液，弱型树脂也得到了充分的再生。这一方面充分利用了再生废液，节省了再生剂，提高了水处理装置的经济性，同时也降低了废酸、碱液的浓度和数量。
　　由于双室浮动床除盐系统具备了逆流再生工艺和双层床的优点，这就使它的再生剂比耗可以降得很低。例如：通州美亚热电厂水处理装置的酸耗已非常接近理论值，碱耗也只有理论耗量的1．25倍。国内固定床逆流再生一般酸耗是理论量的1．37～1．5倍，碱耗量一般为理论量的1．6～1．7倍。可见双室浮动床除盐系统可大大节约酸碱量，降低水处理装置的运行费用。
　　（6）自用水量低、废液排放少、减轻了对环境的污染
　　双室浮动床除盐系统再生时酸、碱比耗很低，因此清洗废酸、碱的水量也随着减少，从系统中排出的酸、碱废水总量也就减少，而且浓度也低，这不但节约了酸碱量，也减少了系统的自用水量，节省了宝贵的水资源。另外，由于排出的水接近中性，酸碱废液的处理也变得很容易，从而降低了污水处理成本，减轻了废酸碱对环境的污染。
    （7）不会出现偏流、穿透现象
　　双室浮动床除盐系统的另一突出优点是在树脂层中几乎不会出现穿透现象，它能够自身调节，自动消除偏流。因为当双室浮动床趋于形成穿透而发生偏流时，局部水流速度就会过高，此时周围的树脂就会随水流涌向偏流处填补这部分区域，使床层趋于平整，从而避免了穿透、偏流的发生，保证了交换器的出水水质。

4　双室浮动床除盐系统调试时应注意的问题及其分析　　
　　通州美亚热电厂水源为通吕运河河水，其主要水质指标如表1。

　　
　　水处理站，从罐体的树脂填料的装填、新树脂的预处理、树脂的再生到除盐系统产生合格的除盐水，历时一个月。经过多次再生、调试，现除盐系统处于稳定的正常运行状态，系统出水水质如表2。

　　在双室浮动床除盐系统调试过程中，应注意如下几个问题：
　　（1）强、弱树脂装填体积的配比和树脂转型膨胀率。
　　在强弱树脂联合应用工艺中，决定强弱树脂配比的关键是进水中离子的组成。不同的水源其水中离子的组成不同，而同一水源（特别是地表水）一年四季水中离子组成也会发生较大变化。为了使联合工艺取得良好的效果，在系统设计时，应采用弱型树脂先失效的原则。当系统设计装填强弱树脂体积的配比偏离计算值较大时，就会达不到应得的效果，甚至还会造成较大的浪费。
　　双室浮动床除盐系统进口水源的离子组成应符合：阳床进口水的碳酸盐硬度与阳离子的摩尔比较大，阴床进口水的SiO₂与SO²^－₄＋Cl^－的摩尔比较小的原则，以保证弱型树脂的装填高度，充分发挥弱型树脂交换容量大的特性，保证出水水质和制水量（美亚热电厂水处理站阳双室浮动床弱酸树脂的高度为900 mm，强酸树脂的高度为2 000 mm；阴双室浮动床弱碱树脂的高度为2 400 mm，强碱树脂的高度为1 800 mm）。如果该比值偏差太大，弱型树脂的装填高度不够（小于500 mm），运行时，不能充分地进行离子交换，发挥不了弱型树脂大容量的特性，造成大量的碳酸盐硬度（或强酸根离子）漏入上室的强型树脂层中，使得强型树脂很快失效，系统出水水质差且制水周期短，达不到预想的效果。
　　树脂装填时，应先对厂家发来的树脂做树脂转型膨胀率的小型工业模拟试验，根据实际的转型膨　　胀率，决定装填树脂的体积，以保证床层的高度和运行时成床良好。如果填充率过大，随着弱型树脂的转型，其体积逐渐膨胀，而导致下室充满树脂，变为倒置的固定床，增大运行阻力，甚至导致下室多孔板或弱型树脂受挤压而损坏。如果填充率太小，浮动床在启动时易造成树脂乱层，甚至造成下室树脂变成悬浮状态，而没有压实层，影响出水水质。
　　树脂填料预处理时，应将所需的树脂填料预先装入到树脂清洗塔，在清洗塔内进行酸、碱处理后，再将树脂输送到离子交换器的上、下室，以保证将所需的树脂全部填入，使双层浮动床的上室强型树脂装填充实，下室弱型树脂的装填量应使下室水垫层为100 mm，这样可以避免浮动床在启停时树脂层发生扰动，影响出水水质。
　　通州美亚热电厂水处理站的2号阳双室浮动床下室的弱型树脂装填时没有按照实际数量装填，结果造成填充量过大，不能成床。后经两次树脂量的调整，才使2号阳双室浮动床运行良好。
　　（2）再生时，为了保证双室浮动床的再生效果，必须控制好再生排放水门的开度，使床体保持0．05～0．06 MPa的压力，使再生液在床内分布均匀，树脂转型彻底。
　　通州美亚热电厂水处理站双室浮动床的再生排放水管未设计倒U型弯，第一次进行再生时，没有控制床体的压力，再生液在床内的充满度不够，发生了偏流，再生效果不理想，出水漏钠。后来我们控制床体的压力在0．05～0．06 MPa下，再生流量为35 t／h，进行再生，正洗时的流量为110t／h，此时床体的压力为0．2～0．25 MPa。再生效果良好，出水水质合格。
　　（3）再生的正洗水源与置换水源应当用同一种水源。
　　通州美亚热电厂水处理站双室浮动床的再生置换水源与正洗水源设计为不同种水源（该系统设计的置换水源为除盐水，而阳床正洗水源为其入口清水，阴床正洗水源为其入口阳床出水），造成再生时间延长，顺洗时间长，阳床钠、阴床导度、二氧化硅洗不下来，出水水质差的后果。后经我们改用同一除盐水水源，问题很快得到解决，顺洗时间短且出水水质好。
　　（4）双室浮动床应连续运行，以保证出水水质和制水量。频繁启动双室浮动床，会严重影响出水水质和产水量。通州美亚热电厂水处理站在开始时，由于电厂用水量比较小，启停的次数较多，出水水质下降快，产水量只有正常运行时的60％左右。分析认为是由于频繁启停系统而造成的结果。该系统双室浮动床停床采用自然落床法，即关闭进水门、出水门，打开空气门，让床内树脂自然下落。由于有水垫层的存在，树脂在下降的过程中必然有扰动，使树脂发生乱层，造成系统出水水质差，树脂提前失效。
　　（5）双室浮动床设备出力大、运行流速高，其内部的离子交换树脂应选用机械强度高，粒度均匀且较大的浮动床专用树脂，使床内水流均匀且阻力小。建议选用粒度在0．6～1．22 mm，耐磨率高于98％的树脂。

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