[導讀] 在鍋爐水處理工作中，離子交換器的交換、再生、反洗等所有水處理流速，均應由安裝在軟化罐外垂直管段上的玻璃轉子流量計來確定。通過分析各類水處理流速的重要性及列舉實例，說明了安裝玻璃轉子流量計的必要性，它將有助于克服目前中小型鍋爐房普遍存在的盲目操作，不計水處理運行成本的現狀，為節能降耗貢獻一份力量。
1 引言
在水處理檢測過程中發現，許多鍋爐房，特別是廣大中小型鍋爐房對其水處理操作人員無軟化水成本考核指標，未制定嚴格的管理制度，僅以能制備優質軟化水一項指標為度，造成不惜成本、嚴重浪費食鹽和水的現象。
對鍋爐水處理的經濟核算，主要是針對在水處理過程中，對消耗的再生劑用量的核算。通常稱再生劑的耗量是指：能使水處理設備中的交換劑恢復1mol 的交換能力所消耗的再生劑的量。對于鈉離子交換器來說，離子交換器中樹脂的再生劑為食鹽，因此，再生時所用的食鹽的數量，就稱為鹽耗。一般來說，制出相同量的合格軟化水，鹽耗越低，就越經濟。然而有時也會出現鹽耗雖然較低，但由于再生不充分，樹脂得不到充分利用，制水周期較短，再生較頻繁，從而出現自耗水量較大的現象，影響了樹脂的使用壽命。因此，再生劑的耗量，是一項很重要的經濟指標。經濟核算應將再生鹽耗與樹脂的工作交換容量二者結合起來，在保持較高的樹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子流量計。
2 玻璃轉子流量計的作用
首先應明確一個前提，玻璃轉子流量計到底是干什么的。它是用來顯示水的瞬時流量的，其顯示單位為“m3/h”。在透明的玻璃錐管內，浮子的上標所對應的錐管刻度線上具體位置即水的瞬時流量值，用該瞬時流量值除以離子交換器的內截面積即水流速。如1臺內徑為Φ1500mm的單級逆鈉交換器，其內截面積為A=1.766m2，當其處于正常交換運行時，罐外垂直管段上的玻璃轉子流量計所顯示的瞬時流量為70m3/h，則其交換運行流速V＝40m/h。玻璃轉子流量計的作用，就是要確定1臺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，它對水處理運行的重要究竟如何？下面來詳細進行分析。
3 各類水處理流速的重要意義
3.1 交換流速
原水通過樹脂層的交換流速，很大程度上決定了交換過程的“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，在相同的交換流速下，原水水質的好壞，對出水質量的影響是很大的，如表1。
表1 原水水質對出水質量的影響
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，所使用的鈉離子交換設備、再生劑濃度、樹脂層高都相同。
根據表1，對不同的原水水質應選擇不同的交換流速才能達到合格的出水殘硬。
②設備類型對交換流速的要求：對于逆流再生和浮床式交換器來說，其樹脂的保護層質量好，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樹脂工作交換容量的影響。如果交換流速在一定范圍內選擇時，對樹脂的工作交換容量并沒有什么顯著的影響；但如果流速繼續提高，就會導致樹脂工作交換容量降低。一般認為交換流速超過一定范圍以后，每增加10m/h的流速，樹脂的工作交換容量降低約15%。而且流速過大的時候，樹脂層的壓頭損失也要相應增大。總之，在生產中掌握以上規律，能夠在保證出水質量和較高的樹脂工作交換容量前提下，優選出最合理的工作交換流速。
3.2 反洗流速
離子交換樹脂在交換過程結束后，為了保證再生過程的順利進行，需要對樹脂層進行反沖洗操作，反洗起物理作用，目的為：
① 使樹脂松弛、膨脹和重新調整。這樣可以使以后的再生和交換流速更均勻。
② 在交換過程中，殘留在樹脂層上部的原水污物和破碎樹脂可以被反洗出去，防止懸浮物等雜質對樹脂的封閉、污染而影響樹脂工作交換容量的發揮，并能減少以后交換過程中的壓力損失。
③ 使樹脂層上部分布成帶的離子交換樹脂可以在整個樹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，樹脂膨脹程度與反洗流速的關系見圖1。
一般情況下，反洗樹脂時，可以用自來水或水質較好的原水沖洗。反洗過程中，采用比較強烈的短時間的反洗，比長時間的緩慢的反洗來得有效。然而要注意的是，對采用石英砂墊層的固定床，不易采用過分強烈的反沖洗，以防止將石英砂墊層沖起，從而打亂石英砂墊層的級配。一般反洗流速控制在10～20m/h之間，最高不得超過25m/h，流速由低到高，當樹脂層經沖洗已經膨脹后，就可以適當降低反洗流速。隨著反洗流速的增加，樹脂層將膨脹至原高的1.5～1.6倍，樹脂層膨脹后，反洗排水清晰即為反洗終點。一般反洗過程如無特殊要求，約需1刻鐘左右。
3.3 再生流速
再生流速主要決定樹脂的再生程度，其關系見表2。
表2 再生流速與樹脂再生程度的關系
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，均是在相同的設備和用7%濃度鹽水再生劑的條件下進行的。
一般來說，樹脂的交換過程取決于滯留膜擴散，而其再生過程則取決于非常困難的內擴散，從而大大延長了樹脂的再生時間。當然再生流速最終體現在再生劑和樹脂的接觸時間上。例如，對苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂，其交換接觸時間僅30秒左右就可以滿足要求，而再生接觸時間為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濃度很高，再以低流速去再生樹脂就不合適了。海水作再生劑時，對樹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限制的，低到一定程度，非但不能起到好的作用，當再生劑中已出現大量的反離子時，還可能出現再生的逆反應。
同時，優選出最佳的再生流速，可使得在確保出水殘硬不超標的前提下，使再生鹽耗降至最低，甚至接近理論鹽耗58.5g/moL。
根據經驗，對于浮床式鈉離子交換器，當再生劑的NaCL濃度為7%時，再生流速可控制在2m/h左右；而對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，才能使樹脂達到最高的再生程度，鹽耗降至最低，同時，又不會出現再生的逆反應。
3.4 對于各類水處理流速的調整過程試驗
單級鈉離子交換水處理設備的調整過程比較簡單，可以按交換、反洗、再生、置換和清洗等5個過程分別進行。
交換過程中，主要是在固定其它的試驗條件下，根據原水水質和設備的特點，優選出最合理的交換流速，以保證在高質量的情況下取得高效率。
反洗過程中，主要試驗出使樹脂膨脹到規定高度同時以不打亂石英砂濾層級配的反洗流速即反洗強度。
再生過程中，由于影響再生過程的因素比較多，試 驗起來也比較復雜。應抓住影響再生效果的主要因素 即再生鹽耗、濃度和流速分別進行試驗。固定其中兩 個因素，試驗另一個因素與樹脂工作交換容量的關系， 分別優選出最合理的鹽耗（g/moL）、再生劑濃度（%）和流速（m/h）。保證在樹脂恢復一定程度工作交換容量的情況下，取得最經濟的再生條件。
置換及清洗過程中，主要是要試驗出置換過程的時間，以及清洗水量、流速和質量的關系，優選出經濟合理的置換及清洗流速。
設備調試過程中，其主要運行參數如出水殘硬、樹脂工作交換容量、周期制水量等均達到設計要求時，即可投入生產。
4 玻璃轉子流量計的安裝使用要求
前已述及，對于一般鈉離子交換器，必須經過反復推敲，優選出最合理的交換、再生、反洗、置換和清洗流速，以達到經濟合理運行之目的。而確定上述各類水處理流速則完全依賴玻璃轉子流量計，所以必須正確地安裝和使用玻璃轉子流量計。
玻璃轉子流量計主要由錐管、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，結構形式見圖2。
其工作原理為在垂直的透明錐管內，裝有可上下移動的浮子（轉子）。當流體自下而上流經錐管時，被浮子節流，在浮子上下游之間產生壓差，浮子在此壓差作用下上升。當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，浮子處于平衡位置，因此流經玻璃轉子流量計的流體流量與浮子的上升高度，亦即與流量計的流通面積之間存在著一定的比例關系。
流經流量計的流體流量由下式計算[3]：
式中 Q ——容積流量，m3/h；
α ——流量計的流量系數；
ε ——流量計的膨脹系數；
g ——重力加速度，g＝9.8m/s2；
△F——流量計的流通面積，m2；
Vf ——錐體內浮子體積，m3；
ρ ——流量計浮子上游橫截面上被測介質的密度，kg/m3；
ρf ——流量計浮子材料的密度，kg/m3；
Ff ——流量計浮子橫截面積，m2。
該玻璃轉子流量計可耐酸堿腐蝕，平時依靠裝在其下游即流量計上方的針型調節閥來調節流量。流量計必須垂直安裝，流量計中心線與鉛垂線的夾角不得超過5°。水流方向應從流量計的下部進入，上部流出。流量計下部即上游應安裝控制閥門。流量計使用時，先緩慢開啟上游閥門直至全開，然后再用下游的針型調節閥調節流量即流速。流量計停止工作時，應緩慢關閉流量計上游的控制閥門。對于進入流量計的水質要求：首先應確保水中各類懸浮物含量≤5mg/L，這就要求應在流量計上游安裝過濾裝置。流經流量計的水溫應≤80℃，所以凡是與流量計連接的管路不得連接蒸汽管路，以免燙壞流量計。
5 具體應用實例
特鋼650工段汽化冷卻余熱鍋爐房水處理間使用兩個Φ1500mm逆鈉交換器，一備一用。1999年以前，從未測試過實際鹽耗和樹脂的實際工作交換容量，只要保證出水硬度合格就行。該水處理間平均年產合格軟化水16萬噸，每年耗工業用鹽2300噸。并且由于頻繁再生，向地溝排放大量高濃度廢液，不僅對周邊環境造成嚴重污染，而且使得所用地下水的硬度和含鹽量逐年提高，水處理設備再生周期逐年縮短，形成惡性循環。
1999年夏季，在首鋼總公司能源管理部門的督促指導下，每臺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子流量計；安裝后才發現，以往憑借所謂經驗進行盲目操作時，交換流速高達60m/h，再生流速達4m/h，使得樹脂的實際工作交換容量僅有570mol/m3，實際再生程度也僅有70%，實際鹽耗卻高達130g/mol。后經現場反復調試，在確保出水硬度合格的前提下，將交換流速調到35m/h，再生流速調到1.7m/h，此時再進行測試，樹脂的實際工作交換容量達到970mol/m3，再生程度達到95%，鹽耗降至72g/mol。
1999年7月中旬至2000年7月中旬這1年內，經統計，在周期制水量和出水硬度相同的情況下，實際用鹽量比過去下降了27%，年平均節省工業用鹽620噸，按其價格350元/t 計算，每年可降低水處理運行成本21.5萬元，同時也大大減輕了由于排放再生廢液而對地下水源的污染程度。
6 結論
在水處理運行中，必須根據實際情況，找出最適宜的各類水處理流速（交換、反洗、再生流速等）并嚴格按其操作，才能確保在出水質量合格的前提下，將水處理運行成本降至最低限度，達到經濟合理運行之目的。
目前在我國有近90%的中小型鍋爐房水處理設備上，沒有安裝玻璃轉子流量計，并且單級鈉離子交換器設備生產廠家在其設備出廠時，也基本未配備玻璃轉子流量計，這是很不合理的，它使得各類水處理運行流速的調整根本無從談起，水處理化驗工在進行盲目操作，無法進行水處理運行經濟成本核算工作。更有甚者，由于無法調節再生流速，目前國內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，使得再生反應很快達到動態平衡，樹脂轉型不徹底，食鹽利用率很低，鹽耗可達理論鹽耗的3～4倍，而周期制水量僅為正常操作的60%，造成極大的浪費。
總之，上述作法仍屬于以往計劃經濟體制下的粗放式管理模式，在國內目前中小型鍋爐房水處理運行方面，存在著十分巨大的節能降耗潛力。我們應該大力推廣應用玻璃轉子流量計，將目前的水處理運行方式，由粗放型改為集約型，從整體上提高廣大水處理運行管理及操作者的素質和節能意識。