固定床离子交换除盐系统的运行优化

公司第一套大化肥装置，是以天然气为原料年产30万吨合成氨、52万吨尿素的大型化肥装置，其配套锅炉用水由两级固定床离子交换除盐系统供给。一级固定床除盐系统包括2台阳双室固定床离子交换器、1台脱碳塔和2台阴单室固定床离子交换器，制水能力约为105m3／h，阴阳离子交换器均采用的是对流再生的方式，再生液分别为NaOH溶液和HCl溶液。
一、出现的问题
1.制水周期缩短
该装置的一级除盐系统采用的是母管制制水的方式，阴阳离子交换器的失效分别判断，阴阳离子交换器失效后亦分别再生。阳离子交换器的失效是以其出水的Na+含量以及监控对应阴离子交换器出水在线电导率来判断，阴离子交换器的失效是以其出水的二氧化硅含量以及监控其出水的在线电导率来判断。
根据系统原始设计数据以及实际的运行经验，规定阴阳离子交换器批量制水达2100m3时，不管运行阴阳离子交换器出水的水质是否有变化均对其停运再生，即正常负荷下，阴阳离子交换器的制水周期为20h。
在该套装置运行的前十几年里，一级除盐系统的2套阴阳离子交换器几乎都能达到规定的制水周期，可是近几年，频繁出现阴阳离子交换器提前失效，达不到制水周期的现象。
2007—2012年一级除盐系统离子交换器运行周期统计见表1。

表1 2007—2012 年一级除盐系统离子交换器运行周期统计

2.再生消耗增加
受一级除盐系统阴阳离子交换器频繁出现周期缩短的影响，阴阳离子交换器再生的次数也相应的增加，为了保证除盐水的合格供应，调整了阴阳离子交换器再生时再生液的用量，造成了一级除盐系统再生液耗量以及再生自耗水量的增长。见表2。

表2 2009—2012 年除盐系统酸碱及原水单耗

二、原因分析
1.原水的温度低
据统计发现，装置一级除盐系统阴阳离子交换器运行周期缩短的现象大多发生在冬季。该除盐系统采用的是离子交换除盐，离子交换的过程是树脂颗粒与水溶液接触时，阴阳离子进行扩散和交换的过程。在一定范围内，提高原水温度，能提高离子和分子的热运行速度，降低水的黏度，加快液膜扩散和孔道扩散速度。所以，将原水温度保持在20~40℃，会使离子交换反应速度更快，离子交换反应更加彻底。而装置一级除盐系统的原水为水厂直接过来的生产原水，冬季最低温度只有4℃左右，低温不利于离子交换反应的进行。
2.再生液温度低
再生效果对离子交换器运行周期影响很大。提高再生液温度会加快再生时离子扩散速度，对再生有利。如果把再生液HCl溶液预热至40℃来再生阳离子交换树脂，就能改善树脂中铁及氧化物的清除效果；把再生液NaOH溶液预热后来再生阴离子交换树脂，对于硅酸性阴树脂的再生效果更显著。试验证明，当再生液温度只有16℃时，阴离子交换树脂硅酸洗脱率只有50%，当把再生液加热至35℃时，硅酸洗脱率接近100%。而装置的再生液均为常温，夏季最高可达32℃左右，而冬季最低只有4℃左右，低温不利于离子交换器的再生。
3.阴离子交换器无顶压操作
装置阴离子交换器为逆流再生的单室固定床，其运行时原水水流至上而下流动，再生时再生液则自下而上流动。再生和置换时离子交换树脂不发生乱层是保证逆流再生效果的关键，再生时采用气顶压的方式是保障该离子交换器再生时不乱层的重要手段。但装置由于硬件条件的限制，导致其设计的气顶压设施多年未投入使用。
4.再生操作不规范
装置一级除盐系统的再生采用的是手动再生的方式，不同的操作工之间对再生液的浓度以及再生每一步的时间的把握存在差异，对于离子交换器的再生不利。
三、解决措施
1.提高原水的温度
增加了1台冷凝液换热器，使进阳离子交换器前的原水与除盐系统回收的主装置冷凝液进行换热，提高原水的温度。表3为2015年1—8月原水经过换热前后的温度数据，由表3可知，即使在冬季原水经过换热后水温仍可达20℃以上，达到了离子交换反应较理想的工作温度。

表3 2015 年1—8 月除盐系统原水换热前后温度对比

2.提高再生液温度
2.1.提高再生稀释水的温度
除盐系统再生稀释水泵用水为精除盐的除盐水，装置制备合格的除盐水分装在2个不同的除盐水箱中，水箱A中的除盐水来自于纯原水制备，其温度只比环境温度高约2℃，水箱B中的除盐水来自于原水制备和冷凝液制备，冬季最低温度都在25℃左右。改造为除盐系统再生稀释水泵新增进水管线，用水箱B中的除盐水作为离子交换器再生时的稀释水，从而达到提高进入离子交换器再生液温度的目的。
2.2.提高阴离子交换器再生液的温度
阴离子交换器用30%的NaOH溶液经过除盐水稀释后进行再生，为进一步提高阴离子交换器再生效果，对碱储槽以及碱管线改造增加低压蒸汽伴热管线，通过低压蒸汽对NaOH溶液进行加热提温，既避免冬季极冷气温下NaOH溶液结晶，又提高了NaOH溶液再生阴离子交换树脂时硅酸的洗脱率，保证了阴离子交换树脂的再生效果。
3.增加顶压操作
装置阴离子交换器原始设计的顶压进气阀门为只有开关2个阀位的气动阀，顶压的进气量无法调节，当外界工厂空气管网压力波动的时候，使得再生时顶压压力不稳定，影响离子交换器再生时进再生液的浓度和速度，以至于长期不能投用。
改造为在原顶压进气气动阀前增加手动阀门，对离子交换器再生时需要的顶压工厂空气压力和空气量进行调节，通过调试保证顶压的效果。
4.优化离子交换器再生操作
1.1.建立再生智能监控系统
安装再生智能监控系统，该系统主要是对再生液的流速、浓度进行智能监控和优化，确保再生时不会出现树脂循环分层现象，并改变传统单一浓度再生方式，保持浓度梯度，有效缓解二次污染，同时合理分配再生液用量，减少再生过程中的浪费。每次再生离子交换器时只需启动智能再生操作平台，便可通过该系统的中央服务器，对每一次再生进行实时监测，监测再生液的浓度，进再生液的时间等重要参数，并通过数据反馈，及时对再生液浓度，时间等参数进行调整，实现再生浓度的梯度分布，达到智能再生的目的。
1.2.恢复离子交换器的自动再生操作
清理离子交换器附属的气动阀，对长期故障或位置信号不到位而影响自动程序运行的阀门进行维修或更换。
在建立再生智能监控系统的基础上，对离子交换器自动再生程序进行优化和调试，调整了阳离子交换器再生时反洗、放水和置换的时间。将阴离子交换器再生时的大反洗操作改为小反洗操作，同时增加顶压操作，调整了排水和置换的时间，见表4、表5。

表4 阳离子交换器再生参数优化

表5 阴离子交换器再生参数优化

四、实施效果
近几年，通过对装置持续的改造，一级除盐系统得到了一定的优化，阴阳离子交换器基本上都能达到既定的周期，而且再生酸碱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，盐酸单耗下降了11.22%，而液碱的消耗下降了27.08%，见表6。

表6 2014 年酸碱耗与2011—2012 年平均酸碱单耗对比

五、结束语
在离子交换水处理系统中，离子交换树脂不可避免的会受到污染或老化，致使树脂的性能下降，进而造成离子交换器的制水周期缩短，再生消耗高，出水水质不好等一系列的问题。针对这种情况，除了定期复苏离子交换树脂，定期增补新树脂的方法外，还应从离子交换器日常的再生工作上入手，优化离子交换器的再生操作，为再生提供更合理、更合适的条件，使离子交换树脂保持较高的再生度，进而保证每一次离子交换器的再生效果。

上一篇：电渗析法处理氨氮废水研究进展
下一篇：超滤膜技术得运用原理、特点及问题与应用策略

固定床离子交换除盐系统的运行优化

我们的优势：