1 引言

 

      在水處理檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，許多鍋爐房，特別是廣大中小型鍋爐房對(duì)其水處理操作人員無(wú)軟化水成本考核指標(biāo)，未制定嚴(yán)格的管理制度，僅以能制備優(yōu)質(zhì)軟化水一項(xiàng)指標(biāo)為度，造成不惜成本、嚴(yán)重浪費(fèi)食鹽和水的現(xiàn)象。

 

      對(duì)鍋爐水處理的經(jīng)濟(jì)核算，主要是針對(duì)在水處理過(guò)程中，對(duì)消耗的再生劑用量的核算。通常稱再生劑的耗量是指：能使水處理設(shè)備中的交換劑恢復(fù)1mol 的交換能力所消耗的再生劑的量。對(duì)于鈉離子交換器來(lái)說(shuō)，離子交換器中樹(shù)脂的再生劑為食鹽，因此，再生時(shí)所用的食鹽的數(shù)量，就稱為鹽耗。一般來(lái)說(shuō)，制出相同量的合格軟化水，鹽耗越低，就越經(jīng)濟(jì)。然而有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)鹽耗雖然較低，但由于再生不充分，樹(shù)脂得不到充分利用，制水周期較短，再生較頻繁，從而出現(xiàn)自耗水量較大的現(xiàn)象，影響了樹(shù)脂的使用壽命。因此，再生劑的耗量，是一項(xiàng)很重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)核算應(yīng)將再生鹽耗與樹(shù)脂的工作交換容量二者結(jié)合起來(lái)，在保持較高的樹(shù)脂工作交換容量的前提下，盡量降低再生鹽耗。而要做好上述工作，則幾乎完全依賴安裝在離子交換器外部水處理管路上的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

 

      2 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的作用

 

      首先應(yīng)明確一個(gè)前提，玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)到底是干什么的。它是用來(lái)顯示水的瞬時(shí)流量的，其顯示單位為“m3/h”。在透明的玻璃錐管內(nèi)，浮子的上標(biāo)所對(duì)應(yīng)的錐管刻度線上具體位置即水的瞬時(shí)流量值，用該瞬時(shí)流量值除以離子交換器的內(nèi)截面積即水流速。如1臺(tái)內(nèi)徑為Φ1500mm的單級(jí)逆鈉交換器，其內(nèi)截面積為A=1.766m2，當(dāng)其處于正常交換運(yùn)行時(shí)，罐外垂直管段上的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)所顯示的瞬時(shí)流量為70m3/h，則其交換運(yùn)行流速V＝40m/h。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的作用，就是要確定1臺(tái)離子交換器的各類水處理流速。而為什么要確定水處理流速，它對(duì)水處理運(yùn)行的重要究竟如何？下面來(lái)詳細(xì)進(jìn)行分析。

 

      3 各類水處理流速的重要意義

 

      3.1 交換流速

 

      原水通過(guò)樹(shù)脂層的交換流速，很大程度上決定了交換過(guò)程的“量”，即單位面積上出水量的大小。影響交換流速的因素是很多的，如：

 

      ①原水水質(zhì)，在相同的交換流速下，原水水質(zhì)的好壞，對(duì)出水質(zhì)量的影響是很大的，如表1。 

 

表1 原水水質(zhì)對(duì)出水質(zhì)量的影響

 

原水總硬度(mmoL/L)

 

交換流速(m/h)

 

出水殘硬(mmoL/L)

 

4.5

 

40.0

 

0.02

 

12.0

 

40.0

 

0.08

 

      注：在處理上述兩種不同硬度的原水時(shí)，所使用的鈉離子交換設(shè)備、再生劑濃度、樹(shù)脂層高都相同。

 

      根據(jù)表1，對(duì)不同的原水水質(zhì)應(yīng)選擇不同的交換流速才能達(dá)到合格的出水殘硬。

 

      ②設(shè)備類型對(duì)交換流速的要求：對(duì)于逆流再生和浮床式交換器來(lái)說(shuō)，其樹(shù)脂的保護(hù)層質(zhì)量好，所允許的交換流速就比順流再生固定床離子交換器大一些。

 

      另外，值得注意的是交換流速對(duì)樹(shù)脂工作交換容量的影響。如果交換流速在一定范圍內(nèi)選擇時(shí)，對(duì)樹(shù)脂的工作交換容量并沒(méi)有什么顯著的影響；但如果流速繼續(xù)提高，就會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂工作交換容量降低。一般認(rèn)為交換流速超過(guò)一定范圍以后，每增加10m/h的流速，樹(shù)脂的工作交換容量降低約15%。而且流速過(guò)大的時(shí)候，樹(shù)脂層的壓頭損失也要相應(yīng)增大。總之，在生產(chǎn)中掌握以上規(guī)律，能夠在保證出水質(zhì)量和較高的樹(shù)脂工作交換容量前提下，優(yōu)選出最合理的工作交換流速。

 

      3.2 反洗流速

 

      離子交換樹(shù)脂在交換過(guò)程結(jié)束后，為了保證再生過(guò)程的順利進(jìn)行，需要對(duì)樹(shù)脂層進(jìn)行反沖洗操作，反洗起物理作用，目的為：

 

      ① 使樹(shù)脂松弛、膨脹和重新調(diào)整。這樣可以使以后的再生和交換流速更均勻。

      ② 在交換過(guò)程中，殘留在樹(shù)脂層上部的原水污物和破碎樹(shù)脂可以被反洗出去，防止懸浮物等雜質(zhì)對(duì)樹(shù)脂的封閉、污染而影響樹(shù)脂工作交換容量的發(fā)揮，并能減少以后交換過(guò)程中的壓力損失。

      ③ 使樹(shù)脂層上部分布成帶的離子交換樹(shù)脂可以在整個(gè)樹(shù)脂層中得到較充分的混合。

 

      反洗用水的水溫可控制在20℃左右，樹(shù)脂膨脹程度與反洗流速的關(guān)系見(jiàn)圖1。

 

 

 

      一般情況下，反洗樹(shù)脂時(shí)，可以用自來(lái)水或水質(zhì)較好的原水沖洗。反洗過(guò)程中，采用比較強(qiáng)烈的短時(shí)間的反洗，比長(zhǎng)時(shí)間的緩慢的反洗來(lái)得有效。然而要注意的是，對(duì)采用石英砂墊層的固定床，不易采用過(guò)分強(qiáng)烈的反沖洗，以防止將石英砂墊層沖起，從而打亂石英砂墊層的級(jí)配。一般反洗流速控制在10～20m/h之間，最高不得超過(guò)25m/h，流速由低到高，當(dāng)樹(shù)脂層經(jīng)沖洗已經(jīng)膨脹后，就可以適當(dāng)降低反洗流速。隨著反洗流速的增加，樹(shù)脂層將膨脹至原高的1.5～1.6倍，樹(shù)脂層膨脹后，反洗排水清晰即為反洗終點(diǎn)。一般反洗過(guò)程如無(wú)特殊要求，約需1刻鐘左右。

 

      3.3 再生流速

 

      再生流速主要決定樹(shù)脂的再生程度，其關(guān)系見(jiàn)表2。 

 

表2 再生流速與樹(shù)脂再生程度的關(guān)系

 

再生流速(m/h)

 

13.3

 

5.5

 

3.9

 

2.5

 

1.5

 

再生程度(%)

 

50.1

 

80.1

 

90.3

 

96.3

 

99.4

 

      注：上述5次試驗(yàn)，均是在相同的設(shè)備和用7%濃度鹽水再生劑的條件下進(jìn)行的。

 

      一般來(lái)說(shuō)，樹(shù)脂的交換過(guò)程取決于滯留膜擴(kuò)散，而其再生過(guò)程則取決于非常困難的內(nèi)擴(kuò)散，從而大大延長(zhǎng)了樹(shù)脂的再生時(shí)間。當(dāng)然再生流速最終體現(xiàn)在再生劑和樹(shù)脂的接觸時(shí)間上。例如，對(duì)苯乙烯系磺酸基陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，其交換接觸時(shí)間僅30秒左右就可以滿足要求，而再生接觸時(shí)間為45分鐘以上。這樣再生流速就必然要比交換流速慢得多。但如果再生劑中雜質(zhì)濃度很高，再以低流速去再生樹(shù)脂就不合適了。海水作再生劑時(shí)，對(duì)樹(shù)脂的再生流速就比食鹽水高得多。另外降低再生流速不能是無(wú)限制的，低到一定程度，非但不能起到好的作用，當(dāng)再生劑中已出現(xiàn)大量的反離子時(shí)，還可能出現(xiàn)再生的逆反應(yīng)。

 

      同時(shí)，優(yōu)選出最佳的再生流速，可使得在確保出水殘硬不超標(biāo)的前提下，使再生鹽耗降至最低，甚至接近理論鹽耗58.5g/moL。

 

      根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于浮床式鈉離子交換器，當(dāng)再生劑的NaCL濃度為7%時(shí)，再生流速可控制在2m/h左右；而對(duì)于逆流再生固定床式鈉離子交換器，同樣使用7%濃度的Nacl再生劑，再生流速可控制在1.5m/h。只有這樣，才能使樹(shù)脂達(dá)到最高的再生程度，鹽耗降至最低，同時(shí)，又不會(huì)出現(xiàn)再生的逆反應(yīng)。

 

      3.4 對(duì)于各類水處理流速的調(diào)整過(guò)程試驗(yàn)

 

      單級(jí)鈉離子交換水處理設(shè)備的調(diào)整過(guò)程比較簡(jiǎn)單，可以按交換、反洗、再生、置換和清洗等5個(gè)過(guò)程分別進(jìn)行。

 

      交換過(guò)程中，主要是在固定其它的試驗(yàn)條件下，根據(jù)原水水質(zhì)和設(shè)備的特點(diǎn)，優(yōu)選出最合理的交換流速，以保證在高質(zhì)量的情況下取得高效率。

 

      反洗過(guò)程中，主要試驗(yàn)出使樹(shù)脂膨脹到規(guī)定高度同時(shí)以不打亂石英砂濾層級(jí)配的反洗流速即反洗強(qiáng)度。

 

      再生過(guò)程中，由于影響再生過(guò)程的因素比較多，試 驗(yàn)起來(lái)也比較復(fù)雜。應(yīng)抓住影響再生效果的主要因素  即再生鹽耗、濃度和流速分別進(jìn)行試驗(yàn)。固定其中兩  個(gè)因素，試驗(yàn)另一個(gè)因素與樹(shù)脂工作交換容量的關(guān)系，  分別優(yōu)選出最合理的鹽耗（g/moL）、再生劑濃度（%）和流速（m/h）。保證在樹(shù)脂恢復(fù)一定程度工作交換容量的情況下，取得最經(jīng)濟(jì)的再生條件。

 

      置換及清洗過(guò)程中，主要是要試驗(yàn)出置換過(guò)程的時(shí)間，以及清洗水量、流速和質(zhì)量的關(guān)系，優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)合理的置換及清洗流速。

 

      設(shè)備調(diào)試過(guò)程中，其主要運(yùn)行參數(shù)如出水殘硬、樹(shù)脂工作交換容量、周期制水量等均達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，即可投入生產(chǎn)。

 

      4 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的安裝使用要求

 

      前已述及，對(duì)于一般鈉離子交換器，必須經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲，優(yōu)選出最合理的交換、再生、反洗、置換和清洗流速，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行之目的。而確定上述各類水處理流速則完全依賴玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，所以必須正確地安裝和使用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

 

      玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)主要由錐管、浮子、與管路相連接的上下基座、上下層壓緊密封蓋和上下止擋所組成，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

 

      其工作原理為在垂直的透明錐管內(nèi)，裝有可上下移動(dòng)的浮子（轉(zhuǎn)子）。當(dāng)流體自下而上流經(jīng)錐管時(shí)，被浮子節(jié)流，在浮子上下游之間產(chǎn)生壓差，浮子在此壓差作用下上升。當(dāng)使浮子上升的力與浮子的重力、浮力及粘性力三者的合力相等時(shí)，浮子處于平衡位置，因此流經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流體流量與浮子的上升高度，亦即與流量計(jì)的流通面積之間存在著一定的比例關(guān)系。

 

    流經(jīng)流量計(jì)的流體流量由下式計(jì)算[3]：

 

     

 

式中 Q  ——容積流量，m3/h；

        α  ——流量計(jì)的流量系數(shù)；

        ε  ——流量計(jì)的膨脹系數(shù)；

        g  ——重力加速度，g＝9.8m/s2；

        △F——流量計(jì)的流通面積，m2；

        Vf ——錐體內(nèi)浮子體積，m3；

        ρ  ——流量計(jì)浮子上游橫截面上被測(cè)介質(zhì)的密度，kg/m3；

        ρf ——流量計(jì)浮子材料的密度，kg/m3；

        Ff ——流量計(jì)浮子橫截面積，m2。

 

      該玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)可耐酸堿腐蝕，平時(shí)依靠裝在其下游即流量計(jì)上方的針型調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)流量。流量計(jì)必須垂直安裝，流量計(jì)中心線與鉛垂線的夾角不得超過(guò)5°。水流方向應(yīng)從流量計(jì)的下部進(jìn)入，上部流出。流量計(jì)下部即上游應(yīng)安裝控制閥門(mén)。流量計(jì)使用時(shí)，先緩慢開(kāi)啟上游閥門(mén)直至全開(kāi)，然后再用下游的針型調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量即流速。流量計(jì)停止工作時(shí)，應(yīng)緩慢關(guān)閉流量計(jì)上游的控制閥門(mén)。對(duì)于進(jìn)入流量計(jì)的水質(zhì)要求：首先應(yīng)確保水中各類懸浮物含量≤5mg/L，這就要求應(yīng)在流量計(jì)上游安裝過(guò)濾裝置。流經(jīng)流量計(jì)的水溫應(yīng)≤80℃，所以凡是與流量計(jì)連接的管路不得連接蒸汽管路，以免燙壞流量計(jì)。

 

      5 具體應(yīng)用實(shí)例

 

      特鋼650工段汽化冷卻余熱鍋爐房水處理間使用兩個(gè)Φ1500mm逆鈉交換器，一備一用。1999年以前，從未測(cè)試過(guò)實(shí)際鹽耗和樹(shù)脂的實(shí)際工作交換容量，只要保證出水硬度合格就行。該水處理間平均年產(chǎn)合格軟化水16萬(wàn)噸，每年耗工業(yè)用鹽2300噸。并且由于頻繁再生，向地溝排放大量高濃度廢液，不僅對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且使得所用地下水的硬度和含鹽量逐年提高，水處理設(shè)備再生周期逐年縮短，形成惡性循環(huán)。

 

      1999年夏季，在首鋼總公司能源管理部門(mén)的督促指導(dǎo)下，每臺(tái)逆鈉交換器均在其再生廢液出口和軟化水出口管路上安裝了玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)；安裝后才發(fā)現(xiàn)，以往憑借所謂經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行盲目操作時(shí)，交換流速高達(dá)60m/h，再生流速達(dá)4m/h，使得樹(shù)脂的實(shí)際工作交換容量?jī)H有570mol/m3，實(shí)際再生程度也僅有70%，實(shí)際鹽耗卻高達(dá)130g/mol。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試，在確保出水硬度合格的前提下，將交換流速調(diào)到35m/h，再生流速調(diào)到1.7m/h，此時(shí)再進(jìn)行測(cè)試，樹(shù)脂的實(shí)際工作交換容量達(dá)到970mol/m3，再生程度達(dá)到95%，鹽耗降至72g/mol。

 

      1999年7月中旬至2000年7月中旬這1年內(nèi)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在周期制水量和出水硬度相同的情況下，實(shí)際用鹽量比過(guò)去下降了27%，年平均節(jié)省工業(yè)用鹽620噸，按其價(jià)格350元/t 計(jì)算，每年可降低水處理運(yùn)行成本21.5萬(wàn)元，同時(shí)也大大減輕了由于排放再生廢液而對(duì)地下水源的污染程度。

 

      6 結(jié)論

 

      在水處理運(yùn)行中，必須根據(jù)實(shí)際情況，找出最適宜的各類水處理流速（交換、反洗、再生流速等）并嚴(yán)格按其操作，才能確保在出水質(zhì)量合格的前提下，將水處理運(yùn)行成本降至最低限度，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行之目的。

 

      目前在我國(guó)有近90%的中小型鍋爐房水處理設(shè)備上，沒(méi)有安裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，并且單級(jí)鈉離子交換器設(shè)備生產(chǎn)廠家在其設(shè)備出廠時(shí)，也基本未配備玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，這是很不合理的，它使得各類水處理運(yùn)行流速的調(diào)整根本無(wú)從談起，水處理化驗(yàn)工在進(jìn)行盲目操作，無(wú)法進(jìn)行水處理運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本核算工作。更有甚者，由于無(wú)法調(diào)節(jié)再生流速，目前國(guó)內(nèi)有許多中小型鍋爐房的水處理操作工，還在采用早已被禁止使用的浸泡式再生法，使得再生反應(yīng)很快達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，樹(shù)脂轉(zhuǎn)型不徹底，食鹽利用率很低，鹽耗可達(dá)理論鹽耗的3～4倍，而周期制水量?jī)H為正常操作的60%，造成極大的浪費(fèi)。

 

      總之，上述作法仍屬于以往計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下的粗放式管理模式，在國(guó)內(nèi)目前中小型鍋爐房水處理運(yùn)行方面，存在著十分巨大的節(jié)能降耗潛力。我們應(yīng)該大力推廣應(yīng)用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，將目前的水處理運(yùn)行方式，由粗放型改為集約型，從整體上提高廣大水處理運(yùn)行管理及操作者的素質(zhì)和節(jié)能意識(shí)。