除鹽混床正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢原因分析及對(duì)策

梅武豐

(海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600)

0 引 言

海洋石油富島有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)富島公司)二期脫鹽水裝置精制水產(chǎn)能為500 t/h，主要以?xún)羲投诨恃b置回收的工藝?yán)淠骸⑼钙嚼淠簽閬?lái)源，通過(guò)采用活性炭過(guò)濾器+“陽(yáng)雙室浮動(dòng)床→除碳器→陰雙室浮動(dòng)床”一級(jí)浮動(dòng)式復(fù)床+離子交換混床的除鹽工藝除去水中的各種陽(yáng)、陰離子制得合格的精制水，以滿(mǎn)足富島公司二期化肥裝置和甲醇裝置的生產(chǎn)用水需求；其中，要求活性炭過(guò)濾器出水余氯<0.1 mg/L、耗氧量<2 mg/L，陽(yáng)雙室浮動(dòng)床出水Na+泄漏量<0.05 mg/L，除碳器出水殘余CO2<5 mg/L，陰雙室浮動(dòng)床出水電導(dǎo)率≤5 μS/cm、含硅量(以SiO2計(jì))≤0.05 mg/L，混床出水電導(dǎo)率≤0.2 μS/cm、含硅量(以SiO2計(jì))≤0.02 mg/L。

1 離子交換混床除鹽系統(tǒng)簡(jiǎn)介

富島公司二期脫鹽水裝置離子交換混床除鹽系統(tǒng)(工藝流程示意圖見(jiàn)圖1)設(shè)置在一級(jí)浮動(dòng)式復(fù)床之后，主要任務(wù)是制取高純度脫鹽水，以滿(mǎn)足各生產(chǎn)用戶(hù)對(duì)高品質(zhì)水的需求。該混床除鹽處理系統(tǒng)共設(shè)有4臺(tái)混床交換器(A/B/C/D)，采用三開(kāi)一備的方式進(jìn)行制水，混床設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力0.6 MPa、運(yùn)行壓差0.2 MPa，設(shè)計(jì)單臺(tái)混床制水能力為180 t/h、周期制水量為50 kt，要求所制產(chǎn)品水電導(dǎo)率≤0.2 μS/cm、含硅量(以SiO2計(jì))≤0.02 mg/L。

圖1 混床除鹽系統(tǒng)工藝流程示意圖

混床除鹽系統(tǒng)的除鹽原理是，將陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂按照一定的體積比例均勻混合裝在混床交換器內(nèi)，利用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂活性基團(tuán)上的H+和陰離子交換樹(shù)脂活性基團(tuán)上的OH-分別同時(shí)與水中的陽(yáng)、陰離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)生成水，達(dá)到除去水中鹽分的目的?；齑渤}系統(tǒng)制水操作非常簡(jiǎn)單，只需打開(kāi)混床交換器上部的進(jìn)水閥和下部的出水閥即可制得合格的產(chǎn)品水。

混床除鹽系統(tǒng)的工作周期主要包括制水、反洗分層、再生、樹(shù)脂混合和正洗5個(gè)步驟。當(dāng)混床運(yùn)行批量達(dá)到設(shè)計(jì)周期制水量或產(chǎn)水電導(dǎo)率(或含硅量)出現(xiàn)超標(biāo)時(shí)，需對(duì)混床進(jìn)行反洗操作使陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂分層，再向陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂層分別通入濃度4%～6%的酸、堿進(jìn)行再生處理，以使陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂重新恢復(fù)離子交換能力；混床再生加藥后，向混床交換器內(nèi)通入壓縮空氣使陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂均勻混合，再通入高流速水流正洗，以將樹(shù)脂層內(nèi)殘留的再生產(chǎn)物徹底清洗干凈，使混床重新恢復(fù)制取合格產(chǎn)品水的能力。

2 混床除鹽系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題

富島公司二期脫鹽水裝置自建成投產(chǎn)以來(lái)，混床運(yùn)行一直較為良好，運(yùn)行批量達(dá)到設(shè)計(jì)周期制水量時(shí)產(chǎn)水電導(dǎo)率和含硅量(以SiO2計(jì))均能?chē)?yán)格控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，但近年來(lái)出現(xiàn)混床再生后正洗出水電導(dǎo)率下降較為緩慢、正洗時(shí)間大幅延長(zhǎng)的情況，嚴(yán)重破壞除鹽系統(tǒng)的水平衡，影響裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。富島公司二期脫鹽水裝置混床正洗水流量通?？刂圃?40～150 t/h，從混床以往正洗情況來(lái)看，正洗時(shí)間控制在3 h左右基本可以將樹(shù)脂層中殘存的再生產(chǎn)物徹底清洗干凈，使再生后的混床恢復(fù)制取合格產(chǎn)品水的能力，但在2021年2月—2023年2月期間，混床再生后需要正洗7～10 h才能使出水電導(dǎo)率下降到產(chǎn)品水指標(biāo)范圍內(nèi)，正洗時(shí)長(zhǎng)相較于以往大幅延長(zhǎng)(見(jiàn)表1)。

表1 2021年2月—2023年2月混床正洗時(shí)長(zhǎng)抽查情況

3 混床正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢的可能原因

3.1 反洗分層效果差

混床樹(shù)脂反洗分層的實(shí)質(zhì)是，利用反向水流將混床內(nèi)均勻混合的陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂層緩慢托起并進(jìn)行水力篩分，從而達(dá)到陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂逐步完全分離的目的，同時(shí)還利用反洗水流松動(dòng)壓實(shí)的樹(shù)脂層和除去樹(shù)脂層中夾雜的污垢、破碎樹(shù)脂顆粒等?；齑矁?nèi)陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂反洗分層效果好，有利于提高樹(shù)脂再生效果；若反洗分層效果不好，陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂之間相互混雜，再生時(shí)會(huì)發(fā)生交叉污染，使混床正洗或運(yùn)行初期緩慢地釋放出酸根離子或鈉離子，進(jìn)而出現(xiàn)正洗水耗量增加或出水電導(dǎo)率下降緩慢甚至難以合格的情況。

3.2 再生質(zhì)量差

影響離子交換樹(shù)脂再生質(zhì)量好壞的主要因素有再生劑純度、濃度、用量、流速和溫度等。混床內(nèi)陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂層分別通入酸、堿進(jìn)行再生處理過(guò)程中，若再生參數(shù)控制不當(dāng)，如再生劑純度太低、再生液濃度不合適、再生劑用量偏小、再生液流速過(guò)快或再生液溫度過(guò)低，都會(huì)使混床內(nèi)陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂再生反應(yīng)不徹底，大大降低離子交換樹(shù)脂的再生效果，甚至還會(huì)因再生質(zhì)量差使正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢或難以合格而離子交換樹(shù)脂再生失敗。

3.3 樹(shù)脂混合不均勻

混床再生后樹(shù)脂混合的目的是使分層的陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂重新恢復(fù)均勻混合狀態(tài)，同時(shí)將附著在樹(shù)脂顆粒表面的再生廢物擦洗干凈?；齑矁?nèi)陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂混合得越均勻，離子交換除鹽時(shí)生成的H+和OH-便能迅速結(jié)合成H2O，混床出水水質(zhì)就越好；若樹(shù)脂混合不均勻，會(huì)出現(xiàn)上層陰離子交換樹(shù)脂多、下層陽(yáng)離子交換樹(shù)脂多的情況，正洗時(shí)沉積在下部的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂會(huì)緩慢釋放出殘余的酸再生液，使混床正洗出水呈酸性、電導(dǎo)率下降緩慢。

3.4 充水流量過(guò)大

為防止混合均勻的陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂在沉降過(guò)程中重新分層，混床樹(shù)脂混合過(guò)程中會(huì)開(kāi)啟中排管線(xiàn)上的控制閥將床內(nèi)水排盡，因此混床樹(shù)脂混合結(jié)束后需進(jìn)行充水排氣操作，以免直接高流量進(jìn)水對(duì)缺水狀態(tài)的樹(shù)脂層和床內(nèi)設(shè)施造成強(qiáng)烈沖擊。混床充水時(shí)，充水流量宜小不宜大，如充水流量過(guò)大，會(huì)使進(jìn)入混床內(nèi)的水流對(duì)樹(shù)脂層表面造成水力沖擊和擾亂，使樹(shù)脂表層不平整、局部出現(xiàn)分層的情況，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)混床正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢或頻繁異常波動(dòng)。

3.5 樹(shù)脂被污染或變質(zhì)

在混床除鹽過(guò)程中，陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂可能會(huì)受到氧化劑如游離氯的氧化而變質(zhì)，這種變質(zhì)會(huì)使樹(shù)脂結(jié)構(gòu)受到破壞，是不可逆且無(wú)法恢復(fù)的；陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂也可能受到有機(jī)物、油脂、懸浮物、膠體物質(zhì)、高價(jià)金屬離子以及再生劑中雜質(zhì)的污染，使樹(shù)脂離子交換的性能發(fā)生改變?；齑矁?nèi)陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂若被污染或變質(zhì)，樹(shù)脂的工作交換容量將會(huì)下降，制水周期會(huì)明顯縮短，再生后正洗出水水質(zhì)會(huì)明顯變差，如出現(xiàn)電導(dǎo)率下降緩慢或難以合格的情況。

4 原因排查與要因確認(rèn)

4.1 反洗分層情況檢查

按照原始設(shè)計(jì)制定的操作規(guī)程，富島公司二期脫鹽水裝置混床反洗分層時(shí)，將反洗水流量控制在100～120 t/h之間反洗20 min即可實(shí)現(xiàn)很好的反洗分層效果，但實(shí)際生產(chǎn)中因存在反洗強(qiáng)度控制不當(dāng)頻繁出現(xiàn)床內(nèi)布(集)水設(shè)施受損、反洗出口集水繞絲管被污堵致使反洗水流量提升困難等問(wèn)題，于是將反洗水流量調(diào)小到50～60 t/h之間反洗60 min以達(dá)到反洗分層的目的。從目前實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，反洗水流量調(diào)整后，陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂分層后的界面不再平齊、層次分明，約有5～10 cm的樹(shù)脂層明顯存在混雜不清的情況，顯然混床再生加藥時(shí)這部分樹(shù)脂無(wú)法避免出現(xiàn)交叉污染。觀察發(fā)現(xiàn)，雖然混床內(nèi)陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂分界面發(fā)生的輕微樹(shù)脂交叉污染并未影響其再生質(zhì)量，但其對(duì)混床再生正洗或制水初期出水水質(zhì)的不利影響卻無(wú)法忽略。

4.2 再生質(zhì)量檢查

為消除再生質(zhì)量對(duì)混床正洗效果的影響，在確保嚴(yán)格按照操作規(guī)程控制再生參數(shù)的前提下，富島公司二期脫鹽水裝置擇機(jī)對(duì)達(dá)到制水批量的混床采用2倍的再生劑用量進(jìn)行再生，或?qū)υ偕笳葱Ч畹幕齑策M(jìn)行二次再生操作。結(jié)果表明，雖然適當(dāng)增加再生劑用量或?qū)υ偕笳葱Ч畹幕齑策M(jìn)行二次再生操作可以在一定程度上提高樹(shù)脂的再生效果，但并未改善混床正洗出水水質(zhì)，混床正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢、正洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題仍未得到解決。

4.3 樹(shù)脂混合效果檢查

為查找混床再生后正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢、正洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的原因，富島公司二期脫鹽水裝置擇機(jī)對(duì)再生后正洗中的混床進(jìn)行二次樹(shù)脂混合操作，以觀察混床正洗出水電導(dǎo)率的變化情況。結(jié)果表明，重復(fù)進(jìn)行樹(shù)脂混合操作只有在混床樹(shù)脂混合不理想時(shí)可以在一定程度上提升混床正洗效果、減少混床正洗時(shí)間，但并不能從根本上加快混床正洗出水電導(dǎo)率下降速度并大幅縮減正洗時(shí)間。

4.4 充水流量檢查

富島公司二期脫鹽水裝置混床充水時(shí)通常將進(jìn)水流量控制在30～35 t/h左右，從實(shí)際效果來(lái)看，混床充水過(guò)程中進(jìn)入床內(nèi)的水流量未對(duì)樹(shù)脂表層造成水力沖擊和擾亂，混合均勻的樹(shù)脂表層也并未出現(xiàn)明顯不平整和局部分層的情況。因此，充水流量控制不當(dāng)造成正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢的可能可以排除。

4.5 樹(shù)脂污染或變質(zhì)情況檢查

富島公司二期脫鹽水裝置混床制水批量達(dá)到設(shè)計(jì)周期制水量時(shí)產(chǎn)水電導(dǎo)率和含硅量(以SiO2計(jì))均在合格指標(biāo)范圍內(nèi)，且在進(jìn)行混床樹(shù)脂性能測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)其制水批量可達(dá)設(shè)計(jì)周期制水量的3倍，這足以表明混床內(nèi)陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂的離子交換性能較好，并未出現(xiàn)明顯的樹(shù)脂被污染或變質(zhì)情況。另外，生產(chǎn)中混床內(nèi)的陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂也會(huì)根據(jù)情況定期更換或補(bǔ)加，從實(shí)際效果來(lái)看，樹(shù)脂的定期更換或補(bǔ)加并未使混床正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢的問(wèn)題得到改善。因此，樹(shù)脂被污染或變質(zhì)造成正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢的可能可以排除。

4.6 要因確認(rèn)

通過(guò)上述排查，基本可以判定，混床再生正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢、正洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的主要原因是，混床反洗分層后陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂層交界面存在5～10 cm的混雜不清樹(shù)脂層，這部分樹(shù)脂在混床再生加藥時(shí)不可避免會(huì)出現(xiàn)輕微交叉污染，使混床正洗時(shí)緩慢地釋放出酸根離子或鈉離子，從而影響了混床正洗出水水質(zhì)。

5 操作優(yōu)化調(diào)整措施

為解決混床再生后正洗出水電導(dǎo)率下降緩慢、正洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，富島公司對(duì)二期脫鹽水裝置采取了如下操作優(yōu)化調(diào)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之間，這樣既可使壓實(shí)的樹(shù)脂層緩慢松動(dòng)，不對(duì)床內(nèi)設(shè)施造成沖擊和破壞，又可將樹(shù)脂層表面的細(xì)碎樹(shù)脂顆粒和截留的懸浮雜質(zhì)通過(guò)排氣口逐步漂洗出去；混床反洗后期，若條件允許的話(huà)可在原有控制流量的基礎(chǔ)上將反洗水流量提高20%，如控制在60～70 t/h，使樹(shù)脂層膨脹率得到稍微提升，以促使陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂分層界面處浮沉不定的樹(shù)脂顆粒能夠適當(dāng)拉開(kāi)距離，盡量避免樹(shù)脂層落床時(shí)這部分樹(shù)脂顆粒再次混雜在一起。

(2)適當(dāng)延長(zhǎng)混床反洗分層時(shí)間。在合理控制反洗水流量以及樹(shù)脂膨脹率能得到保證的前提下，適當(dāng)延長(zhǎng)混床反洗分層的時(shí)間，如此可以給予浮沉不定的樹(shù)脂顆粒足夠時(shí)間拉開(kāi)距離，對(duì)于分層界面處浮沉不定的樹(shù)脂顆粒的有效分離十分有利，從而可降低樹(shù)脂層落床時(shí)這部分樹(shù)脂顆粒再次混雜的幾率。

(3)控制混床再生加藥時(shí)床內(nèi)水位穩(wěn)定。混床再生加藥過(guò)程中，在確保樹(shù)脂層被水充分浸泡的前提下，合理控制中排管線(xiàn)上的閥門(mén)開(kāi)度，以維持床內(nèi)水位穩(wěn)定、保證中排裝置排液均勻，防止上部的堿再生廢液進(jìn)入中排裝置不及時(shí)而竄入下部的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂層內(nèi)，或下部的酸再生廢液進(jìn)入中排裝置不及時(shí)而竄入上部的陰離子交換樹(shù)脂層內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致樹(shù)脂再生效果差或出現(xiàn)交叉污染的情況。

6 建 議

采取上述操作優(yōu)化調(diào)整措施后，混床正洗效果得到一定程度的提升，但要從根本上解決陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂分層界面存在的不平齊、層次不分明問(wèn)題，最理想的技改措施是在陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂之間裝填惰性樹(shù)脂——在陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂之間裝填高度約20 cm、密度大于陽(yáng)離子交換樹(shù)脂而小于陰離子交換樹(shù)脂的惰性樹(shù)脂，以便在陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂之間形成一個(gè)能起到調(diào)節(jié)和填充作用的緩沖帶，有效將陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂分隔在中排管中心線(xiàn)附近，這樣即使有少許樹(shù)脂混雜情況，它們也會(huì)被分散在惰性樹(shù)脂層中，所帶來(lái)的交叉污染基本上可以忽略，從而可徹底消除分層界面混雜不清的樹(shù)脂交叉污染后對(duì)混床正洗出水水質(zhì)造成的不利影響。