固定床離子交換除鹽系統的運行優化

公司第一套大化肥裝置，是以天然氣為原料年產30萬噸合成氨、52萬噸尿素的大型化肥裝置，其配套鍋爐用水由兩級固定床離子交換除鹽系統供給。一級固定床除鹽系統包括2臺陽雙室固定床離子交換器、1臺脫碳塔和2臺陰單室固定床離子交換器，制水能力約為105m3／h，陰陽離子交換器均采用的是對流再生的方式，再生液分別為NaOH溶液和HCl溶液。
一、出現的問題
1.制水周期縮短
該裝置的一級除鹽系統采用的是母管制制水的方式，陰陽離子交換器的失效分別判斷，陰陽離子交換器失效后亦分別再生。陽離子交換器的失效是以其出水的Na+含量以及監控對應陰離子交換器出水在線電導率來判斷，陰離子交換器的失效是以其出水的二氧化硅含量以及監控其出水的在線電導率來判斷。
根據系統原始設計數據以及實際的運行經驗，規定陰陽離子交換器批量制水達2100m3時，不管運行陰陽離子交換器出水的水質是否有變化均對其停運再生，即正常負荷下，陰陽離子交換器的制水周期為20h。
在該套裝置運行的前十幾年里，一級除鹽系統的2套陰陽離子交換器幾乎都能達到規定的制水周期，可是近幾年，頻繁出現陰陽離子交換器提前失效，達不到制水周期的現象。
2007—2012年一級除鹽系統離子交換器運行周期統計見表1。

表1 2007—2012 年一級除鹽系統離子交換器運行周期統計

2.再生消耗增加
受一級除鹽系統陰陽離子交換器頻繁出現周期縮短的影響，陰陽離子交換器再生的次數也相應的增加，為了保證除鹽水的合格供應，調整了陰陽離子交換器再生時再生液的用量，造成了一級除鹽系統再生液耗量以及再生自耗水量的增長。見表2。

表2 2009—2012 年除鹽系統酸堿及原水單耗

二、原因分析
1.原水的溫度低
據統計發現，裝置一級除鹽系統陰陽離子交換器運行周期縮短的現象大多發生在冬季。該除鹽系統采用的是離子交換除鹽，離子交換的過程是樹脂顆粒與水溶液接觸時，陰陽離子進行擴散和交換的過程。在一定范圍內，提高原水溫度，能提高離子和分子的熱運行速度，降低水的黏度，加快液膜擴散和孔道擴散速度。所以，將原水溫度保持在20~40℃，會使離子交換反應速度更快，離子交換反應更加徹底。而裝置一級除鹽系統的原水為水廠直接過來的生產原水，冬季最低溫度只有4℃左右，低溫不利于離子交換反應的進行。
2.再生液溫度低
再生效果對離子交換器運行周期影響很大。提高再生液溫度會加快再生時離子擴散速度，對再生有利。如果把再生液HCl溶液預熱至40℃來再生陽離子交換樹脂，就能改善樹脂中鐵及氧化物的清除效果；把再生液NaOH溶液預熱后來再生陰離子交換樹脂，對于硅酸性陰樹脂的再生效果更顯著。試驗證明，當再生液溫度只有16℃時，陰離子交換樹脂硅酸洗脫率只有50%，當把再生液加熱至35℃時，硅酸洗脫率接近100%。而裝置的再生液均為常溫，夏季最高可達32℃左右，而冬季最低只有4℃左右，低溫不利于離子交換器的再生。
3.陰離子交換器無頂壓操作
裝置陰離子交換器為逆流再生的單室固定床，其運行時原水水流至上而下流動，再生時再生液則自下而上流動。再生和置換時離子交換樹脂不發生亂層是保證逆流再生效果的關鍵，再生時采用氣頂壓的方式是保障該離子交換器再生時不亂層的重要手段。但裝置由于硬件條件的限制，導致其設計的氣頂壓設施多年未投入使用。
4.再生操作不規范
裝置一級除鹽系統的再生采用的是手動再生的方式，不同的操作工之間對再生液的濃度以及再生每一步的時間的把握存在差異，對于離子交換器的再生不利。
三、解決措施
1.提高原水的溫度
增加了1臺冷凝液換熱器，使進陽離子交換器前的原水與除鹽系統回收的主裝置冷凝液進行換熱，提高原水的溫度。表3為2015年1—8月原水經過換熱前后的溫度數據，由表3可知，即使在冬季原水經過換熱后水溫仍可達20℃以上，達到了離子交換反應較理想的工作溫度。

表3 2015 年1—8 月除鹽系統原水換熱前后溫度對比

2.提高再生液溫度
2.1.提高再生稀釋水的溫度
除鹽系統再生稀釋水泵用水為精除鹽的除鹽水，裝置制備合格的除鹽水分裝在2個不同的除鹽水箱中，水箱A中的除鹽水來自于純原水制備，其溫度只比環境溫度高約2℃，水箱B中的除鹽水來自于原水制備和冷凝液制備，冬季最低溫度都在25℃左右。改造為除鹽系統再生稀釋水泵新增進水管線，用水箱B中的除鹽水作為離子交換器再生時的稀釋水，從而達到提高進入離子交換器再生液溫度的目的。
2.2.提高陰離子交換器再生液的溫度
陰離子交換器用30%的NaOH溶液經過除鹽水稀釋后進行再生，為進一步提高陰離子交換器再生效果，對堿儲槽以及堿管線改造增加低壓蒸汽伴熱管線，通過低壓蒸汽對NaOH溶液進行加熱提溫，既避免冬季極冷氣溫下NaOH溶液結晶，又提高了NaOH溶液再生陰離子交換樹脂時硅酸的洗脫率，保證了陰離子交換樹脂的再生效果。
3.增加頂壓操作
裝置陰離子交換器原始設計的頂壓進氣閥門為只有開關2個閥位的氣動閥，頂壓的進氣量無法調節，當外界工廠空氣管網壓力波動的時候，使得再生時頂壓壓力不穩定，影響離子交換器再生時進再生液的濃度和速度，以至于長期不能投用。
改造為在原頂壓進氣氣動閥前增加手動閥門，對離子交換器再生時需要的頂壓工廠空氣壓力和空氣量進行調節，通過調試保證頂壓的效果。
4.優化離子交換器再生操作
1.1.建立再生智能監控系統
安裝再生智能監控系統，該系統主要是對再生液的流速、濃度進行智能監控和優化，確保再生時不會出現樹脂循環分層現象，并改變傳統單一濃度再生方式，保持濃度梯度，有效緩解二次污染，同時合理分配再生液用量，減少再生過程中的浪費。每次再生離子交換器時只需啟動智能再生操作平臺，便可通過該系統的中央服務器，對每一次再生進行實時監測，監測再生液的濃度，進再生液的時間等重要參數，并通過數據反饋，及時對再生液濃度，時間等參數進行調整，實現再生濃度的梯度分布，達到智能再生的目的。
1.2.恢復離子交換器的自動再生操作
清理離子交換器附屬的氣動閥，對長期故障或位置信號不到位而影響自動程序運行的閥門進行維修或更換。
在建立再生智能監控系統的基礎上，對離子交換器自動再生程序進行優化和調試，調整了陽離子交換器再生時反洗、放水和置換的時間。將陰離子交換器再生時的大反洗操作改為小反洗操作，同時增加頂壓操作，調整了排水和置換的時間，見表4、表5。

表4 陽離子交換器再生參數優化

表5 陰離子交換器再生參數優化

四、實施效果
近幾年，通過對裝置持續的改造，一級除鹽系統得到了一定的優化，陰陽離子交換器基本上都能達到既定的周期，而且再生酸堿的消耗以及原水的消耗都有不同程度的下降，相比于2011—2012年的平均值，鹽酸單耗下降了11.22%，而液堿的消耗下降了27.08%，見表6。

表6 2014 年酸堿耗與2011—2012 年平均酸堿單耗對比

五、結束語
在離子交換水處理系統中，離子交換樹脂不可避免的會受到污染或老化，致使樹脂的性能下降，進而造成離子交換器的制水周期縮短，再生消耗高，出水水質不好等一系列的問題。針對這種情況，除了定期復蘇離子交換樹脂，定期增補新樹脂的方法外，還應從離子交換器日常的再生工作上入手，優化離子交換器的再生操作，為再生提供更合理、更合適的條件，使離子交換樹脂保持較高的再生度，進而保證每一次離子交換器的再生效果。

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