1、进水水质
目前，离子交换制备除盐水工艺在电厂锅炉补给水处理中应用较广泛，采用蒸馏法海水淡化装置时，其后处理宜采用一级除盐加混床或混床系统。浙江某电厂采用海水淡化低温多效加蒸汽压缩喷射器(MED－TVC)的产品水(蒸馏水)和第一效凝结水作为离子交换器进水水源，MED－TVC装置产品水水质见表1。
由表1可知，离子交换器进水水质较好，TDS≤5mg/L，工艺设计可按一级除盐系统。
表1 进水水质
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项目技术 |
数据 |
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产品水质量(TDS)/(mg/L) |
≤5 |
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装置调节范围/% |
50～100 |
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进入水箱产品水温度/℃ |
35 |
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进入水箱凝结水温度/℃ |
35 |
2、工艺流程
海水淡化蒸馏水和第一效凝结水→"阳阴床+混床"→超纯除盐水
表2 出水水质
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项目 |
指标 |
技术数据 |
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逆流再生阳离子交换器 |
Na+/(μg/L) |
＜3 |
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逆流再生阴离子交换器 |
电导率/(25℃μs/cm) |
＜0.06 |
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逆流再生阴离子交换器 |
SiO2/(μg/L) |
＜10 |
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逆流再生阴离子交换器 |
TOC/(μg/L) |
＜200 |
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混合离子交换器 |
电导率/(25℃μs/cm) |
＜0.06 |
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混合离子交换器 |
SiO2/(μg/L) |
＜10 |
|
混合离子交换器 |
TOC/(μg/L) |
＜200 |
本工程采用母管制连接，当采用表1的水质进水时，阴床及混床出水均可进入后续除盐水箱，即:四套系统可运行，3用1备。当使用备用水源时，需切换阴床产水阀，使产水进入混床，最终混床出水进入除盐水箱，即:两套系统可运行，1用1备。此设计能满足不同进水时系统出力要求，系统出力按每套160～240m3/h设计。
3、系统设计
3.1离子交换系统的工艺原理
除去溶解于水中的各种电解质称为除盐。离子交换除盐，即:H型阳树脂将待处理水中各种阳离子交换成H+，OH型阴树脂交换成OH－。交换生成的H+和OH－中和生成水，从而达到除盐的目的。离子交换还可去除原水中各种溶解态的杂质离子和水中含有的有机物、非活性硅等，以生产出满足锅炉补给水用水要求的除盐水。
进水中的阳、阴离子与树脂中的H+，OH－发生交换，反应式如下:
阳树脂:(H－Ｒ)+(M+)→(M－Ｒ)+(H+)
阴树脂:(OH－Ｒ)+(X－)→(X－Ｒ)+(OH－)
其中M+为阳离子，X－为阴离子强酸性阳树脂对阳离子的交换顺序依次为:Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞Na+＞H+，由此可知，当进水通过离子交换器时，进水中Na+被阳树脂交换的能力最弱。随着进水水量的不断增加，离子交换树脂工作层会逐渐下移，失效层将加厚。最后，H+被进水中阳离子置换。当发生离子交换的区域移至树脂的最下层时，最先泄漏的是被交换能力最弱的Na+。因此，检测阳离子交换器失效与否是以漏钠为标准的。
阴树脂对进水中阴离子的交换顺序依次为:SO2－4＞NO－3＞Cl－＞OH－＞HCO－3＞HSiO－3。由此可知，HSiO－3交换能力最弱。当离子发生交换时，树脂工作层会逐渐下移。最后，随着进水水量增加，OH－全部发生置换。当发生离子交换的区域移至树脂的最下层时，最先开始泄漏的是HSiO－3。因此，检测阴离子交换器失效与否是以漏硅为标准的。
混合离子交换器是将阴阳离子树脂按一定混合比例装填在离子交换器内，可同时交换水中的阴阳离子，交换反应分别生成H+、OH－，中和成水，完成除盐过程。本次设计中，为防止混合离子交换器因制水量过高而深度失效，规定周期制水量8000t。
3.2离子交换系统的运行
离子交换除盐系统主要由4台DN3200阳阴离子交换器，2台DN2500的混合离子交换器构成。阳、阴床树脂装填量均为300mm的压脂层及2400mm的交换层，混合离子交换器阳树脂装填量为450mm，阴树脂装填量为1350mm。离子交换器进水配水装置采用十字支母管式，中间集、排水装置采用母支管，出水集水装置采用水帽出水，出水口处安装树脂捕捉器，截留从交换器中泄漏的树脂。
3.2.1新树脂预处理
离子交换器罐体内填充树脂采用GB13659《001×7强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂》及GB13660《201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂》标准。
阳阴树脂出厂离子形态为Na型及Cl型，需要将其转型为H型及OH型。本工程采用双倍再生法转型，即:使用正常再生剂量的2倍再生液体积对树脂进行再生。第一次采用浸泡再生，所需时间约为24h，第二次采用正常的逆流再生，持续时间为30min。混床采用同时再生，即酸碱再生液同时进入罐体内，对树脂进行再生。
转型后的树脂在床体内进行正洗，直至床体出水与进水pH值相等。预处理过程不仅可将树脂转型，恢复交换容量，还可洗出混在其中的碎树脂。
3.2.2离子交换器运行
原水通过进水泵进入离子交换器，进水与树脂接触，树脂将水中的阳、阴离子从水中置换到树脂上，水中的离子被除去，得到合格的除盐水。设备运行一段时间后，需对中间排液管上的压脂层进行小反洗，去除运行时积聚的悬浮杂质及破碎树脂，确保系统的正常出力。离子交换器的设计参数见表3。
表3 离子交换器设计参数
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参数 |
阳离子交换器 |
阴离子交换器 |
混合离子交换器 |
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树脂型号 |
001×7 |
201×7 |
001×7MB/201×7MB |
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运行速率/(m/h) |
20～30 |
20～30 |
40～60 |
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树脂膨胀率/% |
100 |
100 |
100 |
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小反洗流速/(m/h) |
5～10 |
5～10 |
5～10 |
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周期运行时间/d |
＞7 |
＞7 |
～9 |
3.3离子交换系统的再生
离子交换系统的再生对于除盐系统的稳定、长久、有效的运行起到了关键性的作用，只有再生彻底的树脂，才能保障整个系统可靠运行。否则，直接影响后续运行时树脂的工作交换容量、出水水质、制水周期等环节，制约了本系统的经济效益。
3.3.1再生剂的选择
阳离子树脂再生可采用盐酸或硫酸置换进行再生，硫酸作为再生剂时，SO2－4易于树脂中的Ca2+，Mg2+反应，生成CaSO4、MgSO4
，这些产物会在树脂表面析出并结垢，妨碍运行及再生过程中的离子交换。盐酸和硫酸作为再生剂，主要区别见表4。
表4 再生剂的区别
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盐酸 |
硫酸 |
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价格高 |
价格便宜 |
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再生效果好 |
易生成沉淀，再生效果差 |
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腐蚀性强，对防腐要求高 |
防腐措施简单 |
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再生操作简单 |
操作复杂 |
本工程采用HCl作为阳树脂再生剂。
阴树脂一般采用NaOH作为再生剂，OH－离子置换阴树脂中阴离子，发生运行时的逆反应，使其恢复除盐能力。
离子交换系统再生时设计参数见表5。
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序号 |
阳离子交换器 |
阴离子交换器 |
混合离子交换器 |
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药剂 |
HCl |
NaOH |
HCl |
NaOH |
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时间/min |
40 |
40 |
30 |
30 |
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浓度/% |
3 |
3 |
5 |
4 |
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流速/(m/h) |
5 |
5 |
5 |
4 |
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耗量/(g/mol) |
55 |
65 |
150 |
250 |
离子交换系统的再生设备规格见表6。
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名称 |
规格 |
数量 |
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浓酸贮存罐 |
V=13.5 m3 |
2台 |
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浓碱贮存罐 |
V=13.5 m3 |
4台 |
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二氧化碳吸收器 |
DN65 |
4台 |
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阳床酸计量泵 |
3900L/h |
2台 |
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阴床碱计量泵 |
3200L/h |
2台 |
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混床酸计量泵 |
2500L/h |
2台 |
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混床碱计量泵 |
2300L/h |
2台 |
3.3.2离子交换器的再生步序
由于离子交换器罐体设备布置在化水车间内，而再生系统布置在室外的废水池上，物理距离较远。一般设计中，多采用酸碱喷射器作为再生液载体进行再生，但喷射器出口压力一般为0.12～0.2MPa，远距离输送液体时，不适宜。因此，酸碱计量系统宜采用液压隔膜泵输送，再生剂通过计量泵进入混合三通，配置成合适浓度再生液对树脂进行再生。
本工程除盐系统采用母管制，当任何一台床体树脂失效，出水不合格时，停止运行，启用备用床体投入制水，而本床体则自动切换到再生程序。再生前，床体进行小反洗，即:只对中排装置上的压脂层进行反洗，冲洗运行时堆积在压脂层中的颗粒物杂质，直至反洗出水澄清，时间约15～20min。小反洗结束后，进再生液，控制再生液流速＜5m/h，以防流速高，引起树脂乱层，再生时长约40min;再生液浸泡完后，关闭再生剂进液阀，进行置换，置换时间约为40min;置换结束后进行小正洗，将再生过程中残留在压脂层中的再生废液冲洗干净，时长约为20min，最后进行正洗，直至出水合格，再生结束。
4、结论
本工程运行的结果显示，离子交换系统可实现3用1备或1用1备，根据进水不同水质，可灵活切换。系统产水水质和水量均达标，能安全、稳定的满足后续系统对除盐水的需求。同时，具备设备、管道、支吊架布置美观、紧凑、自动化程度高，为今后类似的工程案例提供了参考依据。
