提高一級除鹽水周期制水量效果研究

鄧健韜

(中外合資合肥第二發(fā)電廠，合肥 231607)

1 設(shè)備概況

安徽省合肥第二發(fā)電廠除鹽系統(tǒng)為2×350MW燃煤發(fā)電機組提供高純度除鹽補給水，該系統(tǒng)由兩系列除鹽系統(tǒng)組成。其中一級除鹽采用單元制，分別由一臺陽床、一臺脫碳器、一臺陰床組成串聯(lián)系統(tǒng)。陽床、陰床同時運行，同時再生。為了提高一級除鹽的周期制水量，改善出水水質(zhì)，減少酸堿耗。本文對工藝流程中進水水量進行調(diào)整，尋找適合本廠設(shè)備運行的合適流量。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

在一級除鹽設(shè)備中離子在水體中的移動速度受到濃度差的影響，靠近樹脂表面H+、OH-離子多，所需要交換的陽、陰離子少。以Ca2+為例，存在反應(yīng)：2RH++Ca2+==R2Ca2++2H+，當Ca2+與基團H+交換后即達到去除離子作用。假設(shè)Ca2+在樹脂表面水膜中的平均移動速度為V，從水膜外端移動至內(nèi)端樹脂表面交換基團的距離為S，理論上所需時間為S/V=T。為了減少時間T，增加單位時間內(nèi)交換離子的速度與數(shù)量可以從減少移動距離S，和增加移動速度V來進行考慮。其中V的改變主要受到溫度影響，不方便加以控制。所以為了達到減少時間T的目的，本文從減少水膜厚度S進行討論。

單元化反應(yīng)床中某顆離子交換樹脂顆粒，從流體力學中可以直觀得到：“水體流經(jīng)樹脂表面的速度越高，表面水膜厚度越小”的結(jié)果。即：當水體進入一級除鹽系統(tǒng)時流量越大，樹脂表面的水膜厚度就越薄，所需交換的離子移動的距離就越短，在單位時間內(nèi)會有更多的離子移動到樹脂表面，同時離子可以更加迅速地被交換去除。[1]

2.2 實驗準備

為了驗證上述理論在實際中的表現(xiàn)，我們通過對比試驗的方式進行了論證。考慮受到來水水質(zhì)變化的影響以及一級除鹽設(shè)備內(nèi)樹脂板結(jié)程度的不同，為了讓試驗更加具有代表性，我們選取了一系列大反洗再生后運行兩個制水周期的一級除鹽系統(tǒng)做為研究對象。該套系統(tǒng)設(shè)備完好，內(nèi)部樹脂層高度正常、分布均勻。在進行流量調(diào)整前平均周期制水量在3500t。試驗期間一級除鹽失效再生均由同一人嚴格按照規(guī)程相關(guān)規(guī)定進行再生。

2.3 實驗方法

將來水水量從70t/h到130t/h進行調(diào)節(jié)測試，相應(yīng)流量流經(jīng)交換層的流速為14m/h到26m/h。以出水導電度、Na+、SiO2的含量驗證流速對周期制水量及離子交換效果的影響。本文流量、流速僅以活性炭床進口流量表為基準進行記錄、換算。

2.3.1 實驗數(shù)據(jù)及初步分析

經(jīng)過一系列實驗，檢測出水離子濃度，得出一級除鹽系統(tǒng)在運行的前、中、后時期與流速之間的關(guān)系如下：

圖1 實驗數(shù)據(jù)

(1)當該一級除鹽系統(tǒng)新投運時(出水量小于1000t)，反復調(diào)整水量，檢測出水中Na+、SiO2含量，發(fā)現(xiàn)并無明顯變化。來水無論高、低流速在該套設(shè)備中的離子交換均可以較為徹底地進行。

(2)當該一級除鹽系統(tǒng)投運至中期時(出水量在1000t～2000t)，通過改變流量，檢測出水Na+濃度開始有變化，SiO2含量變化不大。

(3)當該一級除鹽系統(tǒng)投運至后期時(出水量大于2000t)，水量大小對出水導電度開始有較大影響，在合適的范圍內(nèi)(小于100t/h)，出水Na+濃度明顯隨流量增大而減少，SiO2也會有略微減少。超過范圍后(100t/h～130t/h)Na+濃度逐漸增加，SiO2逐漸恢復至低流量時濃度水平。

分析：在一級除鹽系統(tǒng)投運初期，陽床、陰床中的樹脂均在可交換狀態(tài)，有效樹脂層高度高，原水與可以進行離子交換的樹脂接觸時間長。所以無論如何調(diào)整流量大小，水體中離子均可較為徹底地被交換。

投運至中期時，陽床、陰床頂部的樹脂開始失去交換能力，有效樹脂層高度逐漸減少，水體中所需交換的離子與可以進行離子交換能力的樹脂反應(yīng)接觸時間開始變短。流速提高后樹脂表面水膜厚度降低，需要去除的離子可以在較短的時間移動到樹脂表面進行交換，在單位時間內(nèi)可交換的離子數(shù)量多，所以出水水質(zhì)指標隨著水流量增大而變好。

投運至后期，陽床、陰床頂部樹脂完全失去交換能力，僅靠反應(yīng)器中部樹脂進行離子交換，有效樹脂層高度大量減少，水體中離子與樹脂反應(yīng)接觸時間大量減少。當流量在100t/h時達到平衡：離子移動至樹脂表面并進行交換的時間正好與整個水體通過有交換能力的樹脂層的時間相同，在瞬間得到完全的交換。在水體流量大于100t/h后，盡管樹脂表面水膜厚度更薄，離子移動時間更短，但是由于反應(yīng)器中有效交換樹脂高度大幅減少，水體與樹脂接觸時間不足以讓需要去除離子交換完畢，所以出水離子含量會有所增加。

我廠一級除鹽系統(tǒng)設(shè)計中陰床為雙室雙層床，上部為弱陰樹脂，下部為強陰樹脂，該設(shè)計可以較好的根據(jù)交換特性對水中陰離子進行交換，交換能力大于陽床，同時我廠一級除鹽失效普遍為陽床先于陰床失效。所以在上述實驗過程中對于陰離子的去除效果改變并不明顯。僅通過提高陽床的處理效率便對整個出水的導電度有了大幅改觀。

在實際應(yīng)用過程中，我廠為一級除鹽系統(tǒng)供水的專用水泵流量從100t/h上升至130t/h時電流變化為28A～35A。盡管隨流量增加，電流變化不大，但本著節(jié)能降耗的目的，我們在一個制水周期內(nèi)將流量嚴格控制在100t/h，結(jié)果該系列一級除鹽的周期制水量確實有所提升，但仍然沒有達到我們預(yù)期的效果。

2.3.2 全程高流速下的制水效果

進一步實驗，在全程使用130t/h流量制水時，周期制水量得到突破。

再次分析以上結(jié)果：一級除鹽陽、陰床的交換過程實際上是工作層不斷推移的過程。截取整個交換柱中的一段，當水經(jīng)過該段最頂端離子開始被交換，到最底端時被交換完畢，這樣的層面即被稱作工作層(交換帶)[2]。我們以陽床為例，天然水體中陽離子通常包含Ca2+、Mg2+、Na+等多種離子，這些離子都可以與RH陽樹脂進行交換，按照樹脂吸附能力的大小不同，已經(jīng)與吸附能力較小的陽離子交換后的樹脂可以再次與交換能力強的離子進行交換。按照能力強到弱順序可以排為：Ca2+、Mg2+、Na+。首先當水流進過樹脂時，Ca2+、Mg2+、Na+這三種離子均被樹脂交換，在陽床內(nèi)的樹脂層中形成一個固定布局的工作層。當通水量增加以后，來水中的Ca2+也可以與已經(jīng)與Mg2+交換過的樹脂R2Mg型樹脂進行交換，反應(yīng)為：Ca2++R2Mg==R2Ca+Mg2+。同理Mg2+與RNa也可以進行再次交換，最后Na+不斷的向陽床底部前進，這樣的一段樹脂層我們稱為工作層，而Na+未經(jīng)過的樹脂區(qū)域稱為未工作層，未工作層內(nèi)樹脂均為RH型，水流經(jīng)過該區(qū)域時水質(zhì)不會有變化。也就是說在交換過程的每一個瞬間，只有工作層的樹脂在發(fā)揮交換作用。當工作層移動到陽床出水末端后繼續(xù)通水，Na+會最先泄漏出來，隨后為Mg2+，最終Ca2+漏出。即所需要去除的離子就會穿透、泄漏出來，隨即完成一個制水周期，需要停運再生。按照我廠現(xiàn)行標準，當陽床出水Na+開始增加后即為失效。這種穿透是發(fā)生在工作層末端某一個或者幾個點狀區(qū)域，在末端仍然存在一部分未失效樹脂，它們的交換能力不能得到利用。所以工作層越厚，Na+穿透點出現(xiàn)得越早，樹脂利用率就越低，此時就必須進行再生。影響工作層厚度的原因主要有兩方面：一是水流經(jīng)過交換柱的均勻分布(此因素屬于設(shè)備范疇，主要受床內(nèi)布水裝置的影響，不做討論)；二是離子交換速度。很明顯，通過第一部分的實驗、分析，可知水流速度越快，水中離子被交換完畢的速度也就越快，此時陽床內(nèi)樹脂的工作層就越薄，工作層底部移動到陽床樹脂層底部的時間就越長。同時也可以解釋在第一系列試驗中第三部分關(guān)于一級除鹽系統(tǒng)運行至后期時出水水質(zhì)在流量大于100t/h后變差。由于前期的反復調(diào)整試驗，該離子交換器的工作層已逐漸增厚，在流量提高后，需要去除的離子得不到完整的交換，而從工作層底部突破，造成出水水質(zhì)下降，一級除鹽失效。

3 結(jié)論

通過上面兩個階段的實驗，證明了一級除鹽系統(tǒng)應(yīng)按照高流速運行。在全程使用高流速運行時可以有效的減少工作層厚度，延緩工作層底部移動至交換器樹脂層底部的時間，使交換器中樹脂得到充分利用。在來水酸堿度較為穩(wěn)定的時間段內(nèi)，周期制水量由3000噸左右提升至4200噸以上，減少再生頻率，提高工作效率，減少酸堿耗，提高經(jīng)濟效益。