除盐混床正洗出水电导率下降缓慢原因分析及对策

梅武丰

(海洋石油富岛有限公司，海南 东方 572600)

0 引 言

海洋石油富岛有限公司(简称富岛公司)二期脱盐水装置精制水产能为500 t/h，主要以净水和二期化肥装置回收的工艺冷凝液、透平冷凝液为来源，通过采用活性炭过滤器+“阳双室浮动床→除碳器→阴双室浮动床”一级浮动式复床+离子交换混床的除盐工艺除去水中的各种阳、阴离子制得合格的精制水，以满足富岛公司二期化肥装置和甲醇装置的生产用水需求；其中，要求活性炭过滤器出水余氯<0.1 mg/L、耗氧量<2 mg/L，阳双室浮动床出水Na+泄漏量<0.05 mg/L，除碳器出水残余CO2<5 mg/L，阴双室浮动床出水电导率≤5 μS/cm、含硅量(以SiO2计)≤0.05 mg/L，混床出水电导率≤0.2 μS/cm、含硅量(以SiO2计)≤0.02 mg/L。

1 离子交换混床除盐系统简介

富岛公司二期脱盐水装置离子交换混床除盐系统(工艺流程示意图见图1)设置在一级浮动式复床之后，主要任务是制取高纯度脱盐水，以满足各生产用户对高品质水的需求。该混床除盐处理系统共设有4台混床交换器(A/B/C/D)，采用三开一备的方式进行制水，混床设计运行压力0.6 MPa、运行压差0.2 MPa，设计单台混床制水能力为180 t/h、周期制水量为50 kt，要求所制产品水电导率≤0.2 μS/cm、含硅量(以SiO2计)≤0.02 mg/L。

图1 混床除盐系统工艺流程示意图

混床除盐系统的除盐原理是，将阳、阴离子交换树脂按照一定的体积比例均匀混合装在混床交换器内，利用阳离子交换树脂活性基团上的H+和阴离子交换树脂活性基团上的OH-分别同时与水中的阳、阴离子进行离子交换反应生成水，达到除去水中盐分的目的。混床除盐系统制水操作非常简单，只需打开混床交换器上部的进水阀和下部的出水阀即可制得合格的产品水。

混床除盐系统的工作周期主要包括制水、反洗分层、再生、树脂混合和正洗5个步骤。当混床运行批量达到设计周期制水量或产水电导率(或含硅量)出现超标时，需对混床进行反洗操作使阳、阴离子交换树脂分层，再向阳、阴离子交换树脂层分别通入浓度4%～6%的酸、碱进行再生处理，以使阳、阴离子交换树脂重新恢复离子交换能力；混床再生加药后，向混床交换器内通入压缩空气使阳、阴离子交换树脂均匀混合，再通入高流速水流正洗，以将树脂层内残留的再生产物彻底清洗干净，使混床重新恢复制取合格产品水的能力。

2 混床除盐系统运行中存在的问题

富岛公司二期脱盐水装置自建成投产以来，混床运行一直较为良好，运行批量达到设计周期制水量时产水电导率和含硅量(以SiO2计)均能严格控制在指标范围内，但近年来出现混床再生后正洗出水电导率下降较为缓慢、正洗时间大幅延长的情况，严重破坏除盐系统的水平衡，影响装置的安全稳定生产。富岛公司二期脱盐水装置混床正洗水流量通常控制在140～150 t/h，从混床以往正洗情况来看，正洗时间控制在3 h左右基本可以将树脂层中残存的再生产物彻底清洗干净，使再生后的混床恢复制取合格产品水的能力，但在2021年2月—2023年2月期间，混床再生后需要正洗7～10 h才能使出水电导率下降到产品水指标范围内，正洗时长相较于以往大幅延长(见表1)。

表1 2021年2月—2023年2月混床正洗时长抽查情况

3 混床正洗出水电导率下降缓慢的可能原因

3.1 反洗分层效果差

混床树脂反洗分层的实质是，利用反向水流将混床内均匀混合的阳、阴离子交换树脂层缓慢托起并进行水力筛分，从而达到阳、阴离子交换树脂逐步完全分离的目的，同时还利用反洗水流松动压实的树脂层和除去树脂层中夹杂的污垢、破碎树脂颗粒等。混床内阳、阴离子交换树脂反洗分层效果好，有利于提高树脂再生效果；若反洗分层效果不好，阳、阴离子交换树脂之间相互混杂，再生时会发生交叉污染，使混床正洗或运行初期缓慢地释放出酸根离子或钠离子，进而出现正洗水耗量增加或出水电导率下降缓慢甚至难以合格的情况。

3.2 再生质量差

影响离子交换树脂再生质量好坏的主要因素有再生剂纯度、浓度、用量、流速和温度等。混床内阳、阴离子交换树脂层分别通入酸、碱进行再生处理过程中，若再生参数控制不当，如再生剂纯度太低、再生液浓度不合适、再生剂用量偏小、再生液流速过快或再生液温度过低，都会使混床内阳、阴离子交换树脂再生反应不彻底，大大降低离子交换树脂的再生效果，甚至还会因再生质量差使正洗出水电导率下降缓慢或难以合格而离子交换树脂再生失败。

3.3 树脂混合不均匀

混床再生后树脂混合的目的是使分层的阳、阴离子交换树脂重新恢复均匀混合状态，同时将附着在树脂颗粒表面的再生废物擦洗干净。混床内阳、阴离子交换树脂混合得越均匀，离子交换除盐时生成的H+和OH-便能迅速结合成H2O，混床出水水质就越好；若树脂混合不均匀，会出现上层阴离子交换树脂多、下层阳离子交换树脂多的情况，正洗时沉积在下部的阳离子交换树脂会缓慢释放出残余的酸再生液，使混床正洗出水呈酸性、电导率下降缓慢。

3.4 充水流量过大

为防止混合均匀的阳、阴离子交换树脂在沉降过程中重新分层，混床树脂混合过程中会开启中排管线上的控制阀将床内水排尽，因此混床树脂混合结束后需进行充水排气操作，以免直接高流量进水对缺水状态的树脂层和床内设施造成强烈冲击。混床充水时，充水流量宜小不宜大，如充水流量过大，会使进入混床内的水流对树脂层表面造成水力冲击和扰乱，使树脂表层不平整、局部出现分层的情况，进而导致后续混床正洗出水电导率下降缓慢或频繁异常波动。

3.5 树脂被污染或变质

在混床除盐过程中，阳、阴离子交换树脂可能会受到氧化剂如游离氯的氧化而变质，这种变质会使树脂结构受到破坏，是不可逆且无法恢复的；阳、阴离子交换树脂也可能受到有机物、油脂、悬浮物、胶体物质、高价金属离子以及再生剂中杂质的污染，使树脂离子交换的性能发生改变。混床内阳、阴离子交换树脂若被污染或变质，树脂的工作交换容量将会下降，制水周期会明显缩短，再生后正洗出水水质会明显变差，如出现电导率下降缓慢或难以合格的情况。

4 原因排查与要因确认

4.1 反洗分层情况检查

按照原始设计制定的操作规程，富岛公司二期脱盐水装置混床反洗分层时，将反洗水流量控制在100～120 t/h之间反洗20 min即可实现很好的反洗分层效果，但实际生产中因存在反洗强度控制不当频繁出现床内布(集)水设施受损、反洗出口集水绕丝管被污堵致使反洗水流量提升困难等问题，于是将反洗水流量调小到50～60 t/h之间反洗60 min以达到反洗分层的目的。从目前实际运行情况来看，反洗水流量调整后，阳、阴离子交换树脂分层后的界面不再平齐、层次分明，约有5～10 cm的树脂层明显存在混杂不清的情况，显然混床再生加药时这部分树脂无法避免出现交叉污染。观察发现，虽然混床内阳、阴离子交换树脂分界面发生的轻微树脂交叉污染并未影响其再生质量，但其对混床再生正洗或制水初期出水水质的不利影响却无法忽略。

4.2 再生质量检查

为消除再生质量对混床正洗效果的影响，在确保严格按照操作规程控制再生参数的前提下，富岛公司二期脱盐水装置择机对达到制水批量的混床采用2倍的再生剂用量进行再生，或对再生后正洗效果差的混床进行二次再生操作。结果表明，虽然适当增加再生剂用量或对再生后正洗效果差的混床进行二次再生操作可以在一定程度上提高树脂的再生效果，但并未改善混床正洗出水水质，混床正洗出水电导率下降缓慢、正洗时间过长的问题仍未得到解决。

4.3 树脂混合效果检查

为查找混床再生后正洗出水电导率下降缓慢、正洗时间过长的原因，富岛公司二期脱盐水装置择机对再生后正洗中的混床进行二次树脂混合操作，以观察混床正洗出水电导率的变化情况。结果表明，重复进行树脂混合操作只有在混床树脂混合不理想时可以在一定程度上提升混床正洗效果、减少混床正洗时间，但并不能从根本上加快混床正洗出水电导率下降速度并大幅缩减正洗时间。

4.4 充水流量检查

富岛公司二期脱盐水装置混床充水时通常将进水流量控制在30～35 t/h左右，从实际效果来看，混床充水过程中进入床内的水流量未对树脂表层造成水力冲击和扰乱，混合均匀的树脂表层也并未出现明显不平整和局部分层的情况。因此，充水流量控制不当造成正洗出水电导率下降缓慢的可能可以排除。

4.5 树脂污染或变质情况检查

富岛公司二期脱盐水装置混床制水批量达到设计周期制水量时产水电导率和含硅量(以SiO2计)均在合格指标范围内，且在进行混床树脂性能测试时发现其制水批量可达设计周期制水量的3倍，这足以表明混床内阳、阴离子交换树脂的离子交换性能较好，并未出现明显的树脂被污染或变质情况。另外，生产中混床内的阳、阴离子交换树脂也会根据情况定期更换或补加，从实际效果来看，树脂的定期更换或补加并未使混床正洗出水电导率下降缓慢的问题得到改善。因此，树脂被污染或变质造成正洗出水电导率下降缓慢的可能可以排除。

4.6 要因确认

通过上述排查，基本可以判定，混床再生正洗出水电导率下降缓慢、正洗时间过长的主要原因是，混床反洗分层后阳、阴离子交换树脂层交界面存在5～10 cm的混杂不清树脂层，这部分树脂在混床再生加药时不可避免会出现轻微交叉污染，使混床正洗时缓慢地释放出酸根离子或钠离子，从而影响了混床正洗出水水质。

5 操作优化调整措施

为解决混床再生后正洗出水电导率下降缓慢、正洗时间过长的问题，富岛公司对二期脱盐水装置采取了如下操作优化调整措施。

(1)分段控制混床反洗水流量。混床反洗初期控制反洗水流量在30～40 t/h之间，这样既可使压实的树脂层缓慢松动，不对床内设施造成冲击和破坏，又可将树脂层表面的细碎树脂颗粒和截留的悬浮杂质通过排气口逐步漂洗出去；混床反洗后期，若条件允许的话可在原有控制流量的基础上将反洗水流量提高20%，如控制在60～70 t/h，使树脂层膨胀率得到稍微提升，以促使阳、阴离子交换树脂分层界面处浮沉不定的树脂颗粒能够适当拉开距离，尽量避免树脂层落床时这部分树脂颗粒再次混杂在一起。

(2)适当延长混床反洗分层时间。在合理控制反洗水流量以及树脂膨胀率能得到保证的前提下，适当延长混床反洗分层的时间，如此可以给予浮沉不定的树脂颗粒足够时间拉开距离，对于分层界面处浮沉不定的树脂颗粒的有效分离十分有利，从而可降低树脂层落床时这部分树脂颗粒再次混杂的几率。

(3)控制混床再生加药时床内水位稳定。混床再生加药过程中，在确保树脂层被水充分浸泡的前提下，合理控制中排管线上的阀门开度，以维持床内水位稳定、保证中排装置排液均匀，防止上部的碱再生废液进入中排装置不及时而窜入下部的阳离子交换树脂层内，或下部的酸再生废液进入中排装置不及时而窜入上部的阴离子交换树脂层内，进而导致树脂再生效果差或出现交叉污染的情况。

6 建 议

采取上述操作优化调整措施后，混床正洗效果得到一定程度的提升，但要从根本上解决阳、阴离子交换树脂分层界面存在的不平齐、层次不分明问题，最理想的技改措施是在阳、阴离子交换树脂之间装填惰性树脂——在阳、阴离子交换树脂之间装填高度约20 cm、密度大于阳离子交换树脂而小于阴离子交换树脂的惰性树脂，以便在阳、阴离子交换树脂之间形成一个能起到调节和填充作用的缓冲带，有效将阳、阴离子交换树脂分隔在中排管中心线附近，这样即使有少许树脂混杂情况，它们也会被分散在惰性树脂层中，所带来的交叉污染基本上可以忽略，从而可彻底消除分层界面混杂不清的树脂交叉污染后对混床正洗出水水质造成的不利影响。