高速混床樹(shù)脂的分離和混合特性研究

和慧勇,田文華,韓隸傳,李 鵬,李 楠,祝曉亮,張富收

(1.西安熱工研究院有限公司, 西安 710032;2.華能沁北電廠,河南 濟(jì)源 454662)

●學(xué)術(shù)研究●

高速混床樹(shù)脂的分離和混合特性研究

和慧勇1,田文華1,韓隸傳1,李 鵬1,李 楠1,祝曉亮1,張富收2

(1.西安熱工研究院有限公司, 西安 710032;2.華能沁北電廠,河南 濟(jì)源 454662)

為了給火電廠熱力系統(tǒng)提供高質(zhì)量的水質(zhì)，筆者對(duì)化學(xué)水混床陽(yáng)陰樹(shù)脂分離效果影響因子、混合效果影響因子進(jìn)行了研究,得知分離系數(shù)能直觀表達(dá)樹(shù)脂的分離效果、混合系數(shù)能直觀表達(dá)樹(shù)脂的混合效果,并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行計(jì)算,驗(yàn)證了該結(jié)果的真實(shí)性。

凝結(jié)水精處理;高速混床;再生度;分離系數(shù);混合系數(shù)

凝結(jié)水精處理高速混床是為火電廠熱力系統(tǒng)提供高質(zhì)量給水的關(guān)鍵設(shè)備,其作用是去除凝結(jié)水中的微量雜質(zhì),因此要求混床樹(shù)脂具有很高的再生度[1]。若混床運(yùn)行失效后的陽(yáng)、陰樹(shù)脂分離不好,樹(shù)脂再生時(shí)會(huì)產(chǎn)生交叉污染并降低樹(shù)脂的再生度，以及高速混床出水品質(zhì)和周期制水量[2-3]。國(guó)內(nèi)電力指標(biāo)要求,對(duì)于亞臨界機(jī)組一般要求高速混床失效樹(shù)脂經(jīng)分離設(shè)備分離后,陰樹(shù)脂在陽(yáng)樹(shù)脂層內(nèi)(陽(yáng)中陰)的含量<0.1%,陽(yáng)樹(shù)脂在陰樹(shù)脂層內(nèi)(陰中陽(yáng))的含量<0.4%;對(duì)于超臨界機(jī)組要求陽(yáng)中陰含量<0.1%,陰中陽(yáng)含量<0.1%;對(duì)于核電機(jī)組要求陽(yáng)中陰含量<0.08%,陰中陽(yáng)含量<0.08%。對(duì)此,為了獲取高質(zhì)量水質(zhì)，本文對(duì)陽(yáng)、陰樹(shù)脂分離和混合效果進(jìn)行了研究。

1 陽(yáng)、陰樹(shù)脂分離效果影響因子的研究

在發(fā)電行業(yè),高速混床失效后主要采用高塔分離設(shè)備或錐底分離設(shè)備對(duì)失效的陽(yáng)、陰樹(shù)脂進(jìn)行水力反洗及自由沉降分離,這種分離方法效果如何取決于陽(yáng)、陰樹(shù)脂顆粒在水中的沉降速度。如果大顆粒陰樹(shù)脂在水中的沉降速度大于小顆粒陽(yáng)樹(shù)脂的沉降速度,就會(huì)發(fā)生如圖1所示的陽(yáng)、陰樹(shù)脂沉降速度交叉區(qū)。

圖1 常規(guī)大孔樹(shù)脂的沉降速度

Fig.1 Settling velocity of conventional macroporous resin

交叉區(qū)內(nèi)的陽(yáng)、陰樹(shù)脂不能實(shí)現(xiàn)徹底分離,當(dāng)用鹽酸溶液對(duì)陽(yáng)樹(shù)脂再生,陽(yáng)樹(shù)脂內(nèi)夾雜的陰樹(shù)脂就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃?用氫氧化鈉溶液對(duì)陰樹(shù)脂再生,陰樹(shù)脂內(nèi)夾雜的陽(yáng)樹(shù)脂轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型。這種由于分離不徹底產(chǎn)生的再生交叉污染降低了樹(shù)脂的再生度,進(jìn)而影響高速混床的出水水質(zhì)和周期制水量。所以應(yīng)盡量縮小或消除這兩種樹(shù)脂的沉降速度交叉區(qū),即增大小顆粒陽(yáng)樹(shù)脂的沉降速度,減小大顆粒陰樹(shù)脂的沉降速度。

球形樹(shù)脂顆粒在水中的沉降速度符合斯托克公式[4],其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

υs=1.49·μ-0.428·Δd0.657·φ1.10·dH2O-0.286

(1)

式中:υs為顆粒沉降速度,cm/s;μ為水的絕對(duì)粘度,g/(cm·s);Δd為顆粒密度和水密度之差,g/cm3;φ為樹(shù)脂顆粒直徑,mm;dH2O為水的密度,g/cm3。

當(dāng)利用水力反洗和自由沉降的方法分離失效的陽(yáng)、陰樹(shù)脂時(shí),必須滿足最小顆粒陽(yáng)樹(shù)脂的沉降速度大于最大顆粒陰樹(shù)脂的沉降速度才能將兩種樹(shù)脂徹底分離。當(dāng)陽(yáng)樹(shù)脂與陰樹(shù)脂顆粒的沉降速度相等時(shí),則有:

Δd陽(yáng)0.657·φ陽(yáng)min1.10=Δd陰0.657·φ陰max1.10

(2)

式中:Δd陽(yáng)為陽(yáng)樹(shù)脂顆粒和水的密度差,g/cm3;Δd陰為陰樹(shù)脂顆粒和水的密度差,g/cm3;φ陽(yáng)min為最小陽(yáng)樹(shù)脂顆粒直徑,mm;φ陰max為最大陰樹(shù)脂顆粒直徑,mm。

只有最小粒徑陽(yáng)樹(shù)脂與最大顆粒陰樹(shù)脂的沉降比大于1時(shí),才能利用水力反洗和自由沉降的分離方法使兩種樹(shù)脂徹底分離。

為了直觀表達(dá)兩種樹(shù)脂的分離效果,以分離系數(shù)(γf)代表兩種樹(shù)脂的可分離特性,其含義就是最小顆粒陽(yáng)樹(shù)脂和最大顆粒陰樹(shù)脂的沉降比減1,其計(jì)算式為

γf=[(Δd陽(yáng)0.657·φ陽(yáng)min1.10)/(Δd陰0.657·φ陰max1.10)]-1

(3)

由式(3)可見(jiàn),影響分離系數(shù)(γf)的因子僅為最小陽(yáng)樹(shù)脂和最大陰樹(shù)脂的粒徑以及陽(yáng)、陰樹(shù)脂與水的密度差。對(duì)于一定的樹(shù)脂,其與水的密度差是定值,因此要改善兩種樹(shù)脂的分離系數(shù),只能通過(guò)改變最小陽(yáng)樹(shù)脂及最大陰樹(shù)脂的粒徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

高速混床使用的樹(shù)脂是均粒樹(shù)脂,研究表明影響陽(yáng)、陰樹(shù)脂分離效果的是只占陽(yáng)樹(shù)脂總體積1%的小粒徑陽(yáng)樹(shù)脂和只占陰樹(shù)脂總體積1%的大粒徑陰樹(shù)脂。因此利用式(3)計(jì)算分離系數(shù)時(shí),φ陽(yáng)min是指占總體積1%的最小顆粒陽(yáng)樹(shù)脂的平均直徑,φ陰max是指占總體積1%的最大顆粒陰樹(shù)脂的平均直徑。增大最小顆粒陽(yáng)樹(shù)脂的平均直徑和減少最大顆粒陰樹(shù)脂的平均直徑能夠提高分離效果,因此φ陽(yáng)min和φ陰max是影響樹(shù)脂分離特性的2個(gè)主要數(shù)學(xué)因子。φ陽(yáng)min和φ陰max可以利用激光粒度分析儀準(zhǔn)確測(cè)定。

2 陽(yáng)、陰樹(shù)脂混合效果影響因子的研究

若再生好的陽(yáng)、陰樹(shù)脂混合效果不好,則樹(shù)脂在高速混床內(nèi)會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象,降低混床樹(shù)脂除鹽能力,造成出水水質(zhì)惡化和運(yùn)行周期的縮短[5]。因此,在滿足失效陽(yáng)、陰樹(shù)脂良好的分離效果的前提下,盡量采用混合良好的陽(yáng)、陰樹(shù)脂,才能保證高速混床的出水水質(zhì)和周期制水量。這就要求高速混床樹(shù)脂應(yīng)同時(shí)具備良好的分離和混合性能。研究表明高速混床影響陽(yáng)、陰樹(shù)脂混合效果的是只占陽(yáng)樹(shù)脂總體積1%的最大粒徑顆粒(φ陽(yáng)max)和只占陰樹(shù)脂總體積1%的最小粒徑顆粒(φ陰min)。為了表征兩種樹(shù)脂的混合效果,利用混合系數(shù)這一技術(shù)指標(biāo)定量評(píng)價(jià)其混合特性。高速混床樹(shù)脂的混合系數(shù)(γh)是指最大顆粒陽(yáng)樹(shù)脂和最小顆粒陰樹(shù)脂的沉降比減1,其計(jì)算式為γh=[(Δd陽(yáng)0.657·φ陽(yáng)max1.10)/(Δd陰0.657·φ陰min1.10)]-1

(4)

式中:Δd陽(yáng)為陽(yáng)樹(shù)脂顆粒和水的密度差,g/cm3;Δd陰為陰樹(shù)脂顆粒和水的密度差,g/cm3;φ陽(yáng)max為最大陽(yáng)樹(shù)脂顆粒的平均粒徑;φ陰min為 最小陰樹(shù)脂顆粒的平均粒徑。

當(dāng)混合系數(shù)為零時(shí),兩種樹(shù)脂混合效果最好,但由于陽(yáng)、陰樹(shù)脂分離的需要,γh永遠(yuǎn)是正值,γh越小表明兩種樹(shù)脂的混合效果越好,反之,則越難混合。因此提高陽(yáng)、陰樹(shù)脂混合效果的方法是盡量減少最大陽(yáng)樹(shù)脂顆粒和最小陰樹(shù)脂顆粒的沉降比,即減少最大顆粒陽(yáng)樹(shù)脂粒徑和增加最小顆粒陰樹(shù)脂粒徑。φ陽(yáng)max和φ陰min是影響樹(shù)脂混合效果的2個(gè)主要數(shù)學(xué)因子。

3 分離系數(shù)和混合系數(shù)技術(shù)指標(biāo)的驗(yàn)證和應(yīng)用

根據(jù)影響陽(yáng)、陰樹(shù)脂分離和混合效果的數(shù)學(xué)因子分析,改善陽(yáng)、陰樹(shù)脂分離和混合效果的主要措施是提高樹(shù)脂顆粒的均勻度,讓樹(shù)脂的粒徑分布范圍更窄。為了驗(yàn)證同一種樹(shù)脂分離系數(shù)和混合系數(shù)指標(biāo)與樹(shù)脂粒徑范圍的關(guān)系,對(duì)某公司所銷售的不同粒度范圍的樹(shù)脂按理論粒徑進(jìn)行分離系數(shù)和混合系數(shù)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知,樹(shù)脂顆粒的粒徑差越小,表明樹(shù)脂粒徑越均勻,計(jì)算出的分離系數(shù)值越大,混合系數(shù)值越小,樹(shù)脂的分離和混合效果最好,但隨著樹(shù)脂粒徑范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大,會(huì)使兩種樹(shù)脂無(wú)法實(shí)現(xiàn)依靠水力反洗徹底分離。因此樹(shù)脂粒徑均勻是達(dá)到徹底分離和良好混合的必要條件。該計(jì)算結(jié)果與該公司推薦的高速混床銨化運(yùn)行時(shí)采用650 C、550 A(±50 μm)樹(shù)脂和高速混床氫型運(yùn)行時(shí)采用650 C、550 A(±100 μm)樹(shù)脂的要求相一致。

表1 某公司不同粒徑范圍陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂的分離系數(shù)和混合系數(shù)

Tab.1 Separation and mixing coefficient of cation resin and anion resin of different particle size ranges of in a company

樹(shù)脂型號(hào)yfyh650C、550A(±50μm)1.0581.979650C、550A(±100μm)0.7122.609650C、550A(300～850μm)0.3455.471

根據(jù)某廠精處理混床樹(shù)脂選型的需要,西安熱工院對(duì)5種備選樹(shù)脂進(jìn)行了分離特性和混合特性評(píng)估。樹(shù)脂粒徑測(cè)定采用美國(guó)麥奇克公司生產(chǎn)的S3500型激光粒度分析儀。將φ陽(yáng)min和φ陰max代入式(3)計(jì)算分離系數(shù),將φ陽(yáng)max和φ陰min代入式(4)計(jì)算混合系數(shù),計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 五種凝結(jié)水處理樹(shù)脂的分離系數(shù)和混合系數(shù)

Tab.2 Separating and mixing coefficients of five kinds of resin in condensate polishing

樹(shù)脂型號(hào)粒徑偏差/μmyfyhD003-NJD203-NJCSK40-HUAB10A-OH650C550AZGC-900ZGA-600PFC-100PFC-400±116±112±102±92±80±91±185±348±241±1080.632.340.472.130.491.73-0.082.90-0.362.70

由表2可知,5種樹(shù)脂樣品的均粒度相差很大。均粒度好的樹(shù)脂粒徑偏差能達(dá)到±100 μm左右,均粒度差的樹(shù)脂粒徑偏差達(dá)到±200 μm左右,個(gè)別樹(shù)脂粒徑偏差甚至達(dá)到±348 μm。前三種均粒度好的樹(shù)脂,分離系數(shù)和混合系數(shù)指標(biāo)較好;后兩種均粒度差的樹(shù)脂分離系數(shù)指標(biāo)為負(fù)值。

由于分離和混合是一對(duì)矛盾體,因此在考慮樹(shù)脂分離效果時(shí)還應(yīng)兼顧到其混合性能。綜合考慮混床的運(yùn)行方式和樹(shù)脂的再生度要求等因素,按照火電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)技術(shù)要求[6],推薦采用能夠保證混床樹(shù)脂達(dá)到理想的分離效果和混合效果的取值標(biāo)準(zhǔn),在對(duì)幾種不同品牌樹(shù)脂篩選時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用分離系數(shù)大和混合系數(shù)小的樹(shù)脂。

4 結(jié) 論

1) 分離系數(shù)(γf)是定量評(píng)價(jià)陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂分離特性的技術(shù)指標(biāo),γf值越大,表示兩種樹(shù)脂反洗分離的效果越好,反之則分離效果越差,當(dāng)分離系數(shù)為負(fù)值或零時(shí),表示兩種樹(shù)脂不能實(shí)現(xiàn)徹底分離。

2) 混合系數(shù)(γh)是定量評(píng)價(jià)陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂混合特性的技術(shù)指標(biāo),γh值越小,表示兩種樹(shù)脂的混合性越好,γh值越大則代表兩種樹(shù)脂的混合性越差。由于陽(yáng)、陰樹(shù)脂反洗分離的需要,混合系數(shù)只能是正值。

3) 利用分離系數(shù)和混合系數(shù)技術(shù)指標(biāo),可定量比較不同牌號(hào)樹(shù)脂的分離效果和混合效果,幫助電力用戶采購(gòu)樹(shù)脂時(shí)確定合理的陽(yáng)、陰樹(shù)脂粒徑配比和粒徑范圍,也可利用這兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)對(duì)到貨樹(shù)脂進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收。

[1] 韓隸傳,汪德良.熱力發(fā)電廠凝結(jié)水處理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010. HAN Lichuan, WANG Deliang. Condensate treatment in thermal power plant [M]. Beijing: China Power Press, 2010.

[2] 李培元,火力發(fā)電廠水處理及水質(zhì)控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008. LI Pei Yuan. Thermal power plant water treatment and water quality control [M]. Beijing: China Power Press, 2008.

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[4] 韓隸傳,和慧勇,田文華，等. 分離系數(shù)與混合系數(shù)的定義和應(yīng)用[J].熱力發(fā)電,2010(9):11-13. HAN Lichuan, HE Huiyong, TIAN Wenhua，et al. Definitions of separation coefficient and mixing coefficient as well as their application [J]. Thermal Power Generation, 2010(9):11-13.

[5] 張澄信,宋敬霞.凝結(jié)水處理混床樹(shù)脂均勻混合的意義[J].華北電力技術(shù),1999,(4):19-21. ZHANG Chengxin, SONG Jingxia. Importance of uniform mixing resin used for mixed bed for condensate water treatment [J].North China Electric Power,1999(4): 19-21.

[6] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DL/T 333.1—2010)[S].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Study on separation and mixing characteristics of resin in high flow rate mixed bed

HE Huiyong1, TIAN Wenhua1, HAN Lichuan1, LI Peng1, LI Nan1, ZHU Xiaoliang1, ZHANG Fushou2

(1.Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710032, China;2. Huaneng Qinbei Power Plant, Jiyuan 454662, China)

In order to provide high quality water for thermal system in power plant. By researching on the factors impacting resin separation effect, separation and mixing effect can be sually represented with separation coefficient and mixing coefficient respectively. The author takes practical examples to verify the truth of the research.

condensate polishing; high flow rate mixed bed; regeneration degree; separation coefficient; mixing coefficient

2015-02-11。

和慧勇(1963—),男，研究員，研究方向?yàn)樗姀S水處理技術(shù)。

TM621.8

A

2095-6843(2015)04-0283-03