离子交换器的维护

尚立光，王 宁，李 红，李晓娜，程红伟

（长庆油田公司第一采油厂，陕西 延安 716000）

安塞油田工业锅炉给水软化工艺普遍采用逆流再生浮动床钠离子交换器，该装置是在吸收国内外同类产品优点的基础上，研制出的适合我国西部地区不同水质使用条件下的软化水装置。设备使用过程中出现离子交换树脂的性能衰减过快、出口水质波动大、装置长期停运后水质软化能力下降等问题，导致频繁更换树脂，大大提高了锅炉用水软化成本。

一、钠离子交换器工作原理

钠离子软化法是利用离子交换剂中的钠离子置换出水中的钙、镁离子，既可以除去水中的暂时硬度，又可以除去永久硬度。钠离子交换器运行一段时间后，交换剂置换钙、镁离子达到饱和后，就失去软化作用，如果需要继续使用，必须经过再生（还原）处理。处理方法是将5%～8%浓度的食盐溶液再生剂输入到交换器，利用食盐溶液中的钠离子把交换剂中的钙、镁离子置换出来。再生时形成的氯化钙和氯化镁为溶解性盐类，可用水冲洗除去，从而恢复交换剂的软化能力。LHZR系列全自动钠离子交换器所用树脂型号为001×7(732)强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，它是在苯乙烯—二乙烯苯共聚交联结构的高分子基体上带有磺酸基 (—SO3H)的离子交换树脂，其酸性相当硫酸、盐酸等无机酸，它在碱性、中性，甚至酸介质中都显示离子交换功能，本产品具有交换容量高、交换速度快、机械强度好等特点，化学反应式如下（Mg盐相同）。

钠离子交换器（见图1）由交换柱、盐液和控制系统三部分组成。交换系统大多由两个 (或两组)交换柱组成；盐液系统通常由溶盐罐、盐阀、浮子流量计等组成；控制系统包括微集成电脑 (或继电器)组成的控制箱、多功能集成阀 (或称多路阀、旋转阀)、传动电机、液位传感器等。其工艺流程一般为一个柱产水时，另一个柱自动进行松床、进盐、小清洗 (置换)、大清洗等过程，然后自动切换，双柱交替循环，达到连续产水。

图1 钠离子交换器结构图

二、设备常见问题及维护措施

1.树脂油污染现象时有发生

集输站场原油一般采取套管换热器、浮头换热器、大罐加热盘管等工艺加热，由于这些加热设备的蒸汽流通管束平均使用寿命仅为2～3年，管材焊接处腐蚀渗漏现象频繁发生，加热管束外侧介质压力高。因此，原油随蒸汽回水进入软化水罐的几率较高，统计结果显示2003年至今，共发生树脂原油污染事件六起。

解决方法:

(1)停止使用可靠性较差的大罐加热盘管加热工艺，特殊情况下必须采用该工艺加热，则将回水直接排入污水池。

(2)套管换热器、浮头换热器等加热设备则通过放空口每8h监控一次回水中是否含油。

(3)首先将受污染的树脂清理出交换柱，用50℃温热水将树脂表面油污漂洗，用蒸汽将系统内管线及交换柱进行清洗置换。然后在方箱内用8%～9%的温热氢氧化钠溶液对树脂进行复苏处理。

2.蒸汽供热金属管网回水携带部分铁锈，树脂铁污染严重

当交换器出口水质持续不合格时，打开离子交换器检查树脂时会发现，树脂颜色由初装时的红色透亮，变成红褐色部分变成黑色。表1为王窑集输站更换树脂后连续3年的含铁情况监测结果，分别采集表层树脂样100g，去表面杂物，浸泡在20%的盐酸溶液中24h后，对溶液中铁含量进行监测。

表1 盐酸溶液中铁含量测定值

由表1可见，离子交换树脂投用初期由于树脂结构空隙较大，铁污染速度较快，当其网状空隙结构逐渐趋于饱和后，其污染速度便逐渐减缓，一般认为每100g树脂中铁含量接近150mg后，树脂便失效。

被铁污染的树脂，一般用10%～20%的高浓度盐酸浸泡的办法来获得复苏，为了进一步提高清洗效果，可将盐酸溶液温度提高至40℃左右。表2为坪桥集输站使用4年后铁污染严重的树脂复苏情况对比表。

表2 高浓度盐酸复苏处理前后树脂性能对比表

3.增压泵压力不稳影响出水水质

为保证交换器出水水质，软化产水时进口压力一般维持在0.2～0.35MPa，排量一般控制在10～30m3/h，最高不超过40m3/h。现场安装离子交换器额定产水量为8m3/h，而增压泵额定排量均为25m3/h，扬程为500m，采取控制泵出口阀开启度的方式调节交换器出水量。由于增压泵排量和扬程均远远超过交换器能力，手动调节阀门开启度造成水流不平稳，导致出水水质波动较大，平面多通阀经常出现窜漏或损坏故障。

解决方法:将原水增压泵更换为排量为10m3/h，扬程为35m的机泵，尽量保持整套装置连续运行。更换增压泵后，交换器出口水质平均硬度由0.027mmol/L下降至0.018mmol/L，平面多通阀、PVC管路使用寿命有300天延长至750天。

4.蒸汽回水利用率低，离子交换器负荷重影响其使用寿命

根据GB1576-96《低压锅炉水质》，蒸汽锅炉给水硬度≤0.03mmol/L，但当回水回收率越大时，钠离子交换器的出水控制硬度可相应提高，其关系如表3所示。

表3 冷凝回水回收率与控制硬度的关系

表3数据表明，当冷凝回水回收率达80%时，即使钠离子交换器出水的控制硬度已远远超标，达到≤0.15mmol/L，仍可将软化水罐内水质控制在低于临界值≤0.03mmol/L范围内，而目前安塞油田集输系统锅炉冷凝回水回收率很低（回收率不高于40%），大量蒸汽冷凝回水无法回收，不仅造成水资源的浪费，软化水量大大增加，更使得钠离子交换器出水硬度值必须要控制在临界值以下，使得产水时间不宜过长，树脂再生频繁，经济性差。

5.设备长期停用后树脂储存方式不当造成树脂失效

安塞油田部分联合站采取夏季不加热集输工艺，导致多数蒸汽锅炉及离子交换器7月至10月处于停用状态。而该阶段对于离子交换器及其内部树脂，一般采取再生后放置直至10月份再次启用，对其中间过程中树脂是否会因为缺水失效、细菌滋生变质等缺乏监控。

正确的存放方式应该是:离子交换柱完成再生、置换、正洗等工作过程后，向容器内加入高于树脂层10cm的3%～5%盐酸溶液浸泡2～4h，然后进行淋洗通柱。继用3～4倍树脂体积、同浓度的盐酸溶液通柱，然后用净水洗至接近中性，再用3%～5%的氢氧化钠溶液浸泡4h，最后淋洗通柱。用同浓度的3～4倍树脂体积的氢氧化钠溶液通柱，最后用净水清洗至pH值为中性，完成再生后注入高于树脂层10cm的饱和食盐水储存，贮存期间应使其保持湿润。一旦树脂失水，使用时不能直接加水，可用澄清的饱和食盐水浸泡，然后再逐步加水稀释，洗去盐分。

[1]王广珠，汪德良，崔焕芳.离子交换树脂使用及诊断技术 [M].北京化学工业出版社，2004.