提高一级除盐水周期制水量效果研究

邓健韬

(中外合资合肥第二发电厂，合肥 231607)

1 设备概况

安徽省合肥第二发电厂除盐系统为2×350MW燃煤发电机组提供高纯度除盐补给水，该系统由两系列除盐系统组成。其中一级除盐采用单元制，分别由一台阳床、一台脱碳器、一台阴床组成串联系统。阳床、阴床同时运行，同时再生。为了提高一级除盐的周期制水量，改善出水水质，减少酸碱耗。本文对工艺流程中进水水量进行调整，寻找适合本厂设备运行的合适流量。

2 实验部分

2.1 实验原理

在一级除盐设备中离子在水体中的移动速度受到浓度差的影响，靠近树脂表面H+、OH-离子多，所需要交换的阳、阴离子少。以Ca2+为例，存在反应：2RH++Ca2+==R2Ca2++2H+，当Ca2+与基团H+交换后即达到去除离子作用。假设Ca2+在树脂表面水膜中的平均移动速度为V，从水膜外端移动至内端树脂表面交换基团的距离为S，理论上所需时间为S/V=T。为了减少时间T，增加单位时间内交换离子的速度与数量可以从减少移动距离S，和增加移动速度V来进行考虑。其中V的改变主要受到温度影响，不方便加以控制。所以为了达到减少时间T的目的，本文从减少水膜厚度S进行讨论。

单元化反应床中某颗离子交换树脂颗粒，从流体力学中可以直观得到：“水体流经树脂表面的速度越高，表面水膜厚度越小”的结果。即：当水体进入一级除盐系统时流量越大，树脂表面的水膜厚度就越薄，所需交换的离子移动的距离就越短，在单位时间内会有更多的离子移动到树脂表面，同时离子可以更加迅速地被交换去除。[1]

2.2 实验准备

为了验证上述理论在实际中的表现，我们通过对比试验的方式进行了论证。考虑受到来水水质变化的影响以及一级除盐设备内树脂板结程度的不同，为了让试验更加具有代表性，我们选取了一系列大反洗再生后运行两个制水周期的一级除盐系统做为研究对象。该套系统设备完好，内部树脂层高度正常、分布均匀。在进行流量调整前平均周期制水量在3500t。试验期间一级除盐失效再生均由同一人严格按照规程相关规定进行再生。

2.3 实验方法

将来水水量从70t/h到130t/h进行调节测试，相应流量流经交换层的流速为14m/h到26m/h。以出水导电度、Na+、SiO2的含量验证流速对周期制水量及离子交换效果的影响。本文流量、流速仅以活性炭床进口流量表为基准进行记录、换算。

2.3.1 实验数据及初步分析

经过一系列实验，检测出水离子浓度，得出一级除盐系统在运行的前、中、后时期与流速之间的关系如下：

图1 实验数据

(1)当该一级除盐系统新投运时(出水量小于1000t)，反复调整水量，检测出水中Na+、SiO2含量，发现并无明显变化。来水无论高、低流速在该套设备中的离子交换均可以较为彻底地进行。

(2)当该一级除盐系统投运至中期时(出水量在1000t～2000t)，通过改变流量，检测出水Na+浓度开始有变化，SiO2含量变化不大。

(3)当该一级除盐系统投运至后期时(出水量大于2000t)，水量大小对出水导电度开始有较大影响，在合适的范围内(小于100t/h)，出水Na+浓度明显随流量增大而减少，SiO2也会有略微减少。超过范围后(100t/h～130t/h)Na+浓度逐渐增加，SiO2逐渐恢复至低流量时浓度水平。

分析：在一级除盐系统投运初期，阳床、阴床中的树脂均在可交换状态，有效树脂层高度高，原水与可以进行离子交换的树脂接触时间长。所以无论如何调整流量大小，水体中离子均可较为彻底地被交换。

投运至中期时，阳床、阴床顶部的树脂开始失去交换能力，有效树脂层高度逐渐减少，水体中所需交换的离子与可以进行离子交换能力的树脂反应接触时间开始变短。流速提高后树脂表面水膜厚度降低，需要去除的离子可以在较短的时间移动到树脂表面进行交换，在单位时间内可交换的离子数量多，所以出水水质指标随着水流量增大而变好。

投运至后期，阳床、阴床顶部树脂完全失去交换能力，仅靠反应器中部树脂进行离子交换，有效树脂层高度大量减少，水体中离子与树脂反应接触时间大量减少。当流量在100t/h时达到平衡：离子移动至树脂表面并进行交换的时间正好与整个水体通过有交换能力的树脂层的时间相同，在瞬间得到完全的交换。在水体流量大于100t/h后，尽管树脂表面水膜厚度更薄，离子移动时间更短，但是由于反应器中有效交换树脂高度大幅减少，水体与树脂接触时间不足以让需要去除离子交换完毕，所以出水离子含量会有所增加。

我厂一级除盐系统设计中阴床为双室双层床，上部为弱阴树脂，下部为强阴树脂，该设计可以较好的根据交换特性对水中阴离子进行交换，交换能力大于阳床，同时我厂一级除盐失效普遍为阳床先于阴床失效。所以在上述实验过程中对于阴离子的去除效果改变并不明显。仅通过提高阳床的处理效率便对整个出水的导电度有了大幅改观。

在实际应用过程中，我厂为一级除盐系统供水的专用水泵流量从100t/h上升至130t/h时电流变化为28A～35A。尽管随流量增加，电流变化不大，但本着节能降耗的目的，我们在一个制水周期内将流量严格控制在100t/h，结果该系列一级除盐的周期制水量确实有所提升，但仍然没有达到我们预期的效果。

2.3.2 全程高流速下的制水效果

进一步实验，在全程使用130t/h流量制水时，周期制水量得到突破。

再次分析以上结果：一级除盐阳、阴床的交换过程实际上是工作层不断推移的过程。截取整个交换柱中的一段，当水经过该段最顶端离子开始被交换，到最底端时被交换完毕，这样的层面即被称作工作层(交换带)[2]。我们以阳床为例，天然水体中阳离子通常包含Ca2+、Mg2+、Na+等多种离子，这些离子都可以与RH阳树脂进行交换，按照树脂吸附能力的大小不同，已经与吸附能力较小的阳离子交换后的树脂可以再次与交换能力强的离子进行交换。按照能力强到弱顺序可以排为：Ca2+、Mg2+、Na+。首先当水流进过树脂时，Ca2+、Mg2+、Na+这三种离子均被树脂交换，在阳床内的树脂层中形成一个固定布局的工作层。当通水量增加以后，来水中的Ca2+也可以与已经与Mg2+交换过的树脂R2Mg型树脂进行交换，反应为：Ca2++R2Mg==R2Ca+Mg2+。同理Mg2+与RNa也可以进行再次交换，最后Na+不断的向阳床底部前进，这样的一段树脂层我们称为工作层，而Na+未经过的树脂区域称为未工作层，未工作层内树脂均为RH型，水流经过该区域时水质不会有变化。也就是说在交换过程的每一个瞬间，只有工作层的树脂在发挥交换作用。当工作层移动到阳床出水末端后继续通水，Na+会最先泄漏出来，随后为Mg2+，最终Ca2+漏出。即所需要去除的离子就会穿透、泄漏出来，随即完成一个制水周期，需要停运再生。按照我厂现行标准，当阳床出水Na+开始增加后即为失效。这种穿透是发生在工作层末端某一个或者几个点状区域，在末端仍然存在一部分未失效树脂，它们的交换能力不能得到利用。所以工作层越厚，Na+穿透点出现得越早，树脂利用率就越低，此时就必须进行再生。影响工作层厚度的原因主要有两方面：一是水流经过交换柱的均匀分布(此因素属于设备范畴，主要受床内布水装置的影响，不做讨论)；二是离子交换速度。很明显，通过第一部分的实验、分析，可知水流速度越快，水中离子被交换完毕的速度也就越快，此时阳床内树脂的工作层就越薄，工作层底部移动到阳床树脂层底部的时间就越长。同时也可以解释在第一系列试验中第三部分关于一级除盐系统运行至后期时出水水质在流量大于100t/h后变差。由于前期的反复调整试验，该离子交换器的工作层已逐渐增厚，在流量提高后，需要去除的离子得不到完整的交换，而从工作层底部突破，造成出水水质下降，一级除盐失效。

3 结论

通过上面两个阶段的实验，证明了一级除盐系统应按照高流速运行。在全程使用高流速运行时可以有效的减少工作层厚度，延缓工作层底部移动至交换器树脂层底部的时间，使交换器中树脂得到充分利用。在来水酸碱度较为稳定的时间段内，周期制水量由3000吨左右提升至4200吨以上，减少再生频率，提高工作效率，减少酸碱耗，提高经济效益。