浅谈双室双层浮动床工艺设计及运行中的几点问题.docx

浅谈双室双层浮动床工艺设计及运行中的几点问题

[内容提要] 本文结合实际运行情况，说明双室双层浮动床可充分利用弱型树脂工交大、易再生的优良特性，能够适应较为广泛的水质。正确选择树脂工交对双室双层浮动床经济性的影响及应如何正确选择树脂工交，自由空间高度对经济运行的影响及应如何确定自由空间高度。为降低生产成本，双室双层浮动床可在20℃左右的水温运行。
[关 键 词] 双室双层浮动床 树脂水温 工交 自由空间

齐鲁石化炼油实业部除盐水站于2001年11月建成投用，生产一、二级除盐水。一级除盐水系统采用单元制双室双层浮动床工艺，设计水质为地下水。投用后，由于淄博市政府要求，进水改为地下水掺用黄河水，最大掺量为80％。黄河水水质与地下水水质差别较大：黄河水水质较差，含盐量最高达12mmol/l，有机物、浊度虽经部分去除，但余量仍较高。双室双层浮动床工艺及树脂在此水质条件下经受着考验。经过一年多的实际运行，总产水量310×104t，平均出水电导率为0.5μs/cm，硅泄漏率为7μg/l，出水水质良好；酸碱比耗为1.0～1.3，基本实现废水等当量自行中和，表现出良好的经济性及水质适应性。
以下，我们结合运行实际，浅谈一下双室双层浮动床设计及运行中的几点问题。

1 双室双层浮动床对水质的要求
1.1阳双室双层浮动床对水质的要求
一般认为：阳双室双层浮床适用于碱度/总阳离子摩尔比大于0.5，入口水硬度/碱度摩尔比在1～1.5，碱度＞2.0mmol/l，及含钠量较低的水质。强树脂与弱树脂比例接近1：1的情况下，其经济效益显著[1]。
我们认为：只要入口水的暂硬＞2.0mmol/l，即使含钠量偏大，也可采用阳双室浮床处理，经济性较好。
以我厂正在使用的阳双室浮床为例：双室双层浮动床设计进水水质为地下水，设计强树脂与弱树脂体积比为2.5：1.3，水质指标见表1。
表1 设计水质
项目
电导
碱度
硬度
Na+
Ca2+
Mg2+
CL-
单位
μs/cm
mmol/l
mmol/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
数据
876
3.95
6.25
15
85.88
23.4
70
项目
SO42-
NO3-
HCO3-
SiO2-
强酸阴离子
总阳
总阴
单位
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mmol/l
mmol/l
mmol/l
数据
49.8
10
241
7.3
3.18
6.91
7.12

进水水质[硬度]/[碱度]＝6.22/3.95＝1.57＞1.5，暂硬为3.95 mmol/l，Na＋/总阳离子＝(15/23)/6.91=9％。实际在使用设计水质运行时，树脂平均工交达1882mol/m3。
掺用80％黄河水后，进水质见表2。
表2 掺用黄河水后的水质
项目
电导
碱度
硬度
Na+
Ca2+
Mg2+
CL-
单位
μs/cm
mmol/l
mmol/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
数据
1080
3.5
6.45
92
75
32.4
122
项目
SO42-
NO3-
HCO3-
SiO2-
强酸阴离子
总阳
总阴
单位
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mmol/l
mmol/l
mmol/l
数据
141.6
23.15
213.5
10
6.7
10.45
10.2

进水水质[硬度]/[碱度]＝6.45/3.5＝1.82＞1.5，暂硬为3.5 mmol/l， Na＋/总阳＝(92/23)/10.45=38％，阳树脂的平均工交为1542mol/m3，再生比耗仅为1.05～1.1。
掺用黄河水后制水成本提高10.7％，主要增加再生酸碱费用，相比离子总量提高51％小的多，表现出良好的水质适应性及经济性。

1.2阴双室双层浮动床对进水水质要求
一般认为：阴双室双层浮动床适用于碱度/总离子摩尔比＞0.5，阴床入口水总阴离子/弱HCO3～酸阴离子摩尔比＜7的水质[1]。我们认为，如果进水中总强酸根阴离子＞2.5mmol/l，阴双室双层浮动床就具有很大应用价值。原因为：原水中的弱酸阴离子主要是HCO3-, HCO3- 经阳床后形成CO2，大部分可经除碳器除去，余量约为6～10mg/l。强酸根阴离子可用弱碱树脂去除，弱碱树脂工交一般为强碱树脂工交2倍多，强碱、弱碱树脂的配用使得弱碱树脂工交大、易再生、碱单耗低的优良特性能达到很好的发挥。
如：我厂除盐水站进水为地下水时，总强酸根阴离子＝3.18 mmol/l，树脂平均工交超过700 mol/m3（未失效），进水在掺用部分黄河水后，碱度/总离子摩尔比为0.33，总强酸根阴离子＝6.7 mmol/l，除碳后CO2余量为9mg/l，则阴床入口水总阴离子/弱HCO3-酸阴离子摩尔比＝（6.7＋9/44+10/60）/(9/44+10/60)=19＞7，树脂层高设计为H强碱：H弱碱＝1.2m：2.9m，再生比耗1.1～1.3，树脂平均工交超过900 mol/m3，经济效果显著。

2、树脂工交的选择
树脂工交的正确选择对双室双层浮动床的经济运行具有重大的影响。树脂工交选取过大，则树脂层高设计较低，使得实际周期制水量降低，酸碱单耗上升，经济性差；树脂工交选取过小，则树脂层高设计较高，使树脂用量增加，运行阻力增大，能耗、树脂破碎率上升。不同的资料推荐的树脂的工交差异较大，现仅将《工业水处理技术》（海洋出版社1992年版，以Book 1表示）；及《化工企业化学水处理设计计算规定》（以Book 2表示）双室双层浮动床树脂工交推荐数据对比见表3。

表3 工交参考数据
资 料 名 称
强酸阳树脂mol/m3
弱酸阳树脂mol/m3
强碱阴树脂mol/m3
弱碱阴树脂mol/m3
Book 1
1250～1300
2000～2500
350
650～700[2]
Book 2
850～950
1400～1700
350～400
800～850[3]

原设计时，根据《化工企业化学水处理设计计算规定》选取的双室双层浮动床内各树脂工交如下：强酸 850 mol/m3，弱酸 1500 mol/m3，强碱 400 mol/m3，弱碱 800 mol/m3。在设计水质下运行，阳床树脂平均工交达1882mol/m3，阴床平均工交达902mol/m3（阴床未失效），大大超过了设计选用值，与表2所列各工交参考数据也出入较大，造成了能耗及树脂用量的大大增加。究竟应如何正确选用树脂工交呢？
影响树脂工交因素较多，如：树脂层高度、运行流速及水温、再生剂比耗、再生剂纯度等，都对工交有较大影响，因而树脂的工交应根据特定的使用条件进行选取。
现以我厂弱碱阴树脂工交选取为例进行说明。影响弱碱阴树脂工交的主要因素有树脂层高、运行流速及水温、再生比耗、进水酸度、进水H2SO4酸度的百分数等。我厂浮床设计运行水温20℃～30℃，流速40m/h，设计周期制水量为3920t。根据某树脂厂《D301系列大孔弱碱性阴离子交换树脂性能研究》资料[4]，先假设树脂层高2.2m，查得此运行条件下时，工交q为980mol/m3。
进水H2SO4酸度的百分数为49.8/（49×3.18）=0.32,查H2SO4酸度修正系数为α1为1.015。
再生剂比耗为1.3，查再生剂比耗修正系α2为1。
设计进水酸度为3.18mmol/l，查酸度修正系数α3为1.03。
修正后树脂工交：q’=q×α1×α2×α3＝980×1.015×1×1.03＝1025 mol/m3。
由此计算树脂层高为：H＝S×Q×K1×K2/（q×F）=3.18×3920×1.1×1.15/(1025×7.06)＝2.18m。
(S:强酸根阴离子；K1树脂损耗系数取1.1；K2单元制双室浮床系统阴床工交过剩系数，取1.15；Q为设计条件下床子的周期制水量，F为床子的截面积。)
计算树脂层高值与假设值吻合，弱碱树脂工交应选为1025mol/m3。
据此，在设计水质条件下，弱碱阴树脂层高应为2.2m，比我厂设计值2.9m小0.7m。

3 自由空间高度的确定
自由空间高度的确定对床体高度的确定及填充树脂数量的确定具有重要的作用。自由空间高度不能过大或过小，过大，易使树脂层在成床或落床时产生乱层现象；过小，树脂在转型膨胀时无足够的空间，树脂受到挤压产生结块、破碎，清洗时间长及运行阻力大等现象。
自由空间高度是否合适是浮动床水处理工艺经常遇到的一个问题，如何确定自由空间高度，可借鉴的资料较少，或提出的观点可操作性较差。
我们认为确定自由空间高度的主要依据是树脂在使用过程中的转型膨胀。由于强酸强碱树脂在出厂基准态（强酸为Na型，强碱为CL型）时，体积较小，再生态体积最大；弱酸树脂情况与此相反：在出厂基准态（弱酸为H型，弱碱为OH型）时，体积较小，失效态体积最大，故自由空间高度值为树脂出厂的基准态体积乘以特定的使用情况下的最大转型膨胀率。下面列表说明见表4。
表4 自由空间高度表
位 置
树脂牌号
出厂基准态
转 型 膨 胀 率
自由空间高度
阳床上室
001×7 FC
[Na]型
[Na]型转为[H]型一般为10％
10％V0
阳床下室
D113 FC
[H]型
[Ca2＋]/[Mg2＋]=2时为10％～15%；
[Ca2＋]/[Mg2＋]=1时为15％～20%
（15％～20%）V0
阴床上室
201×7 FC
[Cl]型
[CL]型转为[OH] 一般为20％～25%
（20％～25%）V0
阴床下室
D301 FC
[OH]型
[OH]型转为[SO4] 型一般为20％；
[OH]型转为[CL] 型一般为25％～30%
（20％～25%）V0

V0为树脂出厂的基准态体积。
据列表中的自由空间高度及参照厂家提供的树脂样本资料、进水水质，可方便准确地确定双室双层床各室的自由空间高度或树脂的填充量，使运行更为经济。

4、再生水温及运行水温的选择
4.1再生水温的选择
一般认为：阴树脂再生温度应为35～40℃[5]。强碱树脂在此温度下再生有利于提高树脂的再生度，并提高硅的洗脱率。因而，一般水处理再生系统都设计有碱加热器，用以提高再生水温。
实际运行结果表明：阴双室双层床再生过程中，强碱阴树脂的再生水平很高，在采用30%的精碱再生时达436kg/m3，大大提高了树脂的再生度，抵消了由于再生液温度低产生的不利影响，即使再生水温在17～20℃亦能保证再生效果，阴床出水硅漏过率平均为7μg/l。水处理的碱加热器开工至今从未投用，既节约了蒸汽，又简化了操作，而且减少了由于加温对树脂造成的不利影响。因此，再生系统可不设计碱加热装置。

4.2运行水温的选择
一般认为：运行水温宜控制在25～35℃。一方面，运行水温对弱酸树脂的工交影响较大，弱酸树脂的工交随运行水温升高而增加，温度每上升1℃，工交增加25mol/m3左右。另一方面：水温控制35℃，有利于提高除碳效果。
经过一段时间的运行，我们认为，运行水温可根据强弱树脂的配用情况做适当调整，一般应保持在20～25℃，温度低时可适当加温。
(1)使用水质条件下若弱酸树脂工交偏低，可适当提高运行水温，反之，弱酸树脂工交有较大富裕时，可采用较低水温运行。
(2)一般树脂使用温度应不低于20℃，温度过低，则交换速度较慢，不利于经济运行。
(3)提高运行水温一般采用蒸汽加热，将导致蒸汽的巨大浪费及成本的显著增加。若将1吨水由20℃加热至35℃，需耗10kg/cm2蒸汽0.022t（60元/t），即成本上升1.32元/t水，占制水成本的1/3左右。
(4)我厂运行结果表明，运行水温在20～25℃与运行水温在30～38℃时周期制水量无明显差别；而运行于高水温下，阴树脂的氧化降解速度加快，造成树脂寿命的显著下降，特别是弱碱阴树脂强度相对其它树脂较差，运行水温高时，树脂破碎率显著增加。如我厂由于使用凝结水站换热水及黄河水，冬季水温较低20～25℃，运行100个周期后，D301树脂破碎不明显；夏季水温较高，为30～38℃，运行100个周期后，D301树脂部分呈粉末状破碎，破碎率约为5%。

5、结语：
我厂除盐水站进水由纯地下水改为掺用部分黄河水，水质发生了较大的变化，阴阳离子总量达到10mmol/l以上。我们通过调整树脂的充填量、调整运行及再生水温等措施，使床子的周期制水量达到4500－5500t，酸、碱单耗平均为38.5g/mol、50.4g/mol，达到了降低生产成本、简化操作的目的。

[参考资料]
1、冯敏.工业水处理技术. 北京：海洋出版社，1996.364.
2、冯敏.工业水处理技术. 北京：海洋出版社，1996.367.
3、卢宗义，杨天寿.化工企业化学水处理设计计算规定.主编 化工部工程建设标准编辑中心
4、D301系列大孔弱碱性阴离子交换树脂性能研究.杭州争光化工集团公司
5、施燮均，王蒙聚，肖作善.热力发电厂水处理.武汉水利电力大学1999.243.