高负荷工况下软化器运行参数的优化研究与实践

王兆平

（山东钢铁集团公司莱钢炼钢厂，山东 莱芜 271126）

1 前言

中国钢铁企业经过近二十余年的发展，有很多经过改扩建的转炉及配套设备仍将会在一段时期内继续存在。设备不匹配的问题也会日益凸显。对于低压余热锅炉等老设备而言，软水具有制作工艺设备相对简单，成本相对除盐水低廉等特点，它作为冷却汽化用水仍有较高的应用价值[1]。目前很多经过扩建的老钢厂所使用的软水站普遍存在满负荷或过载的工作状况，高负荷工况下软水站各项参数的研究与优化是一个急需研究的课题，这对软水站的高负荷稳定运行有着重要的实际应用意义。

山东钢铁莱钢炼钢厂软水站建成投产于2002年，随着炼钢厂产能的不断提升，软水站的软水产量和工作负荷也在不断地升高，当前，软水站软化器的运行流速为23～25m/h，属于高负荷运转。因此，老区软水站就需要在现有设备基础上对各项工艺参数进行优化和改进。

2 软水站工艺设备概况

莱钢炼钢厂软水站现拥有两台机械过滤器，四个一级软化器，直径2700mm（初次除硬度），两个二级软化器，直径2000mm（二次除硬度），均为逆流再生固定床。软化器使用树脂为001x7酸性阳离子交换树脂，6个软化器共计装有55.1t树脂。目前软水站的软水产量为2000～2200t/d。每天约耗生水3000t。一级软化器的设计运行流速为25～30m/h，目前的实际运行流速为28.1～38.6m/h，属于高负荷甚至超负荷运行。

软水站工艺设备简图如下：

图1 软水站工艺设备图

老区软水站生水硬度为380～550mg/L。软化器的一个操作周期有制水，失效，再生，正洗等步骤，每隔4个周期进行一次反洗操作。

目前老区软水站采用盐溶解池作为再生液配制容器，盐溶解池为半地下式，集溶盐、过滤、再生液吸水井功能于一体。盐溶解池内部有砾石（承托层）、石英砂（过滤层）及草席（挡浮渣）等组成的过滤基质，使用周期为3个月，每周期末彻底清理一次。目前采用自然溶解的方式进行溶盐。

3 高负荷工况下软化器运行参数的优化研究与实践

3.1 软化器操作的优化研究与实践

炼钢厂经过多次产能扩张后，部分操作已不适应当前高负荷工况，软化器的操作必须加以改进。为了充分保证系统的稳定性，我们加入了预正洗操作。

预正洗的加入会使软水站水耗少量上升，但它对最终的出水和下一级软化器的保护至关重要。根据生水水质的不同，预正洗的时间通常会进行2～4分钟，初始出水硬度通常在350～420mg/L，由于二级软化器长期在线，对进水水质要求高，若不进行预正洗操作，具有较高硬度的初始出水会明显缩短二级软化器的使用周期并使软化器的出水水质产生很大波动。

3.2 软化器进水流量的优化

炼钢厂老区软水产量为1921m3/day，生水消耗量为2438m3/day，即101.6m3/h。受目前水箱容量限制及炼钢生产节奏变化的影响，进水流量个别时间须维持在130～140 m3/h才能满足生产需要。本次实验设置了不同的进水流量，在生水水质相近（420～440mg/L）的情况下，研究不同进水流量对同一个一级软化器（装有树脂10.2t）软水产量的影响。

未优化之前，软水站采用130m3/h的流量进行生产，经过对近几年运行数据进行统计分析，110m3/h的进水流量即满足生产需要，并作为日常生产中的最大进水流量进行控制。进水流量优化后，软化器周期软水产量平均值由原来的661m3变为723m3，上升9.4%。

3.3 再生液浓度的优化

3.3.1 软化器再生系统的不足之处

在本次研究进行之前，再生液的配制及软化器再生液注入方法如下：

取1吨工业盐，投加至两格盐池中，注入新产软水进行溶盐。盐溶解池水位控制在2.10～2.20m，再生液理论计算浓度为4.57%，浸泡4小时后，用盐液泵注入待再生反应器。

本次研究从对盐液池进行32次取样实测，测量结果表明池中再生液顶层与底层之间浓度差别较大，顶层盐溶液浓度为1.0068%，进盐完毕后滤料上层余液密度为1.043%，不同高度的再生液密度存在较大的浓度梯度。

软化器失效再生时，需等再生液溢流5～6分钟后再关闭阀门进行浸泡再生。由于盐液池在盐液高度上存在较大浓度差，所以本次研究采用每天1～2次的频率对再生液注入情况进行盐液密度测量。

可以看出，0min时，注入液体为上次再生时管道内的残存水，再生液注入初期，NaCl浓度很高，前6min平均浓度大于10%，最大值可达12.26%，不过随着注入时间的延续，NaCl浓度迅速下降并稳定在2%左右，最终会小于2%。

3.3.2 盐溶解池水位及投盐量的研究与优化

由于盐池集溶盐和过滤功能为一身等原因，盐溶解池不能够安装水力搅拌装置，否则会造成再生液的二次污染、破坏过滤层结构。所以，再生液的浓度调整只能依靠投盐量及盐溶解池液位来调整控制。在优化之前，处于保护盐水泵的需要，盐溶解池水位控制在2.00～2.25m，在这种条件下，测得一级软化器进盐平均浓度为4.38～5.23%，再生液浓度不达标。本次研究对盐溶解池设置了 1.90m，1.80m，1.70m，1.60m，1.50m五个水位。通过实验发现1.70m的水位既能满足一级软化器的再生液进水量又不会造成水泵抽空的情况，是较为理想的再生液水位，同样可得，1.55m是二级软化器的理想盐池液位。

经过不同的投盐量和液位的正交试验发现，采用“1.70m-1.25t”液位-投盐量的组合，一级软化器的进盐平均浓度为6.54%，能够较好的满足软化器的再生需要。其余组合会发生平均浓度不足、盐液泵抽空、盐液浓度过高盐耗较大的情况出现。

4 结论和建议

4.1 结论

4.1.1 进水流量在90～130 m3/h之间，软化器的周期软水产量与进水流量成反比例关系，其下降程度为1.637吨软水/(吨进水·吨树脂)。

4.1.2 对于同一个软化器，其余条件相同，再生液浓度在4.2～5.9%时，软化器周期软水产量与再生液浓度成正比。

4.2 建议

4.2.1 炼钢厂软水箱锈蚀严重，有效水位低。建议对水箱更换或大修，提高水箱蓄水能力，可以进一步调节进水流量，软化器周期产水量还可以进一步提高。

4.2.2 对于软化器的再生液浓度还需进一步研究，以确定在高负荷工况下较为准确的001x7系列再生液最佳经济浓度范围。

[1]张驰.提高钠离子交换器工作交换容量浅析,工业安全与环保,2006(32):12～14.

[2]高恺.青岛市村镇居民环境意识及村镇污水处理技术调查研究，青岛理工大学，2009，81.

[3]给水排水设计手册（第二版）第三册，中国市政工程东北设计研究院，中国建筑工业出版社，2000.