【四川洁明之晨】双室双层浮动床在水处理中的应用

通过采用以双室双层浮动床为制水设备，不仅能够提高除盐水系统的供给能力，而且能够优化生产工艺，提高再生液的利用率，达到节能降耗增效益的目的。

一　全除盐是电厂化学水处理的主要生产过程，除盐水水质的好坏直接影响到全厂动力、热力设备的安全、长周期运行。我厂原有除盐水系统设计负荷为350t/h，由于“十五”改造的需要，外部所需除盐水量大大增加；原有除盐水制备设备不能满足生产需要，且原系统存在一定的缺陷，改造已成必然。经过调研和充分论证，决定在原有制水系统设备的基础上增加一套阴、阳双室双层浮动离子交换器。

二　生产系统工艺现状及问题分析
（一）工艺流程
   我们热化车间原有系统采用母管式运行方式，五台阳床、五台阴床及四台除碳器并联运行；其系统原理结构图如图1。这种运行方式有它的优越性：能单独控制阴、阳床的失效终点，且在供水负荷波动频繁、变化量大的情况下便于调整。作为如炼油化工行业的自备电厂，这种方式能够很好地保证安全生产。

（二）原系统存在的问题
 原系统存在以下两个方面的问题：
(1) 车间原有阴、阳床采用逆流再生有顶压固定离子交换器，所用离子交换树脂是大孔强型树脂，工作交换容量小，所以制水量较小，酸、碱耗等能耗指标较高；且再生时对再生酸碱吸收不完全，没有充分利用再生液就排放了，造成浪费而且环保废水排放费用高。因我厂再生废液需中和达标后方可直接向外排放。
(2) 逆流再生固定床再生步骤多，需要空气顶压，再生效果不稳定，受人为因素影响较大。
逆流再生固定床设备复杂，阀门多，全为手动控制，劳动强度大，操作工的主观随意性强，操作不标准化；床体中的中排管尼龙网套易破损，造成树脂跑损

三　可行性分析
为扩大原有除盐水系统处理量，同时解决原除盐水系统工艺和设备上的不足和技术落后，降低成本和能耗，通过调研及充分论证，本着工艺技术领先且自动化程度高的原则，决定采用国内运用成熟且技术先进的双室双层浮动床来增加除盐水处理量；采用PLC（Programmable Controller）对新增双室双层浮动床和整个再生系统进行控制。
（一）双室双层浮动床的工作原理
    双室双层浮动床是20世纪90年代中期从国外引进的先进化学除盐水制备设备，具有负荷大、能耗低、操作简单等优点，因此在国内被迅速推广。它的主要结构如图2。上下两层装有单头水帽，中间装有双头水帽的间隔离层。
它的主要特点是在罐体中装填大孔弱型和凝胶强型两种树脂，而间隔离层起到使树脂互不相混的作用。 前者工作交换容量大，并具有大孔树脂抗污染的能力。但只能吸附生水中强碱（或强酸）根离子，后者工作交换容量小，但对生水中弱碱（或弱酸）离子有较强的吸附能力。
 

双室双层浮动床利用两种树脂的特点，制水时从下向上，大孔弱型树脂先吸附生水中强碱（或强酸）根离子，凝胶强型树脂再吸附生水中剩余的弱碱（或弱酸）离子，保证出水合格；再者弱型树脂的结合H+（或OH－）的能力强，所以再生时可用强型的再生废液再生就可取得很好的效果。再生时从上向下，凝胶强型树脂先吸附高浓度再生液中H+（或OH－），再生液没有吸附完的H+（或OH－），由大孔弱型树脂吸附。因此对再生液能充分利用，排出的再生废液酸（或碱）度低，减少了再生废液中和处理量。
（二）性能比较
双室双层浮动床运行和再生方式既可提高制水量，又可降低酸（或碱）耗。再生时由于是从上到下，不需要空气顶压，简化再生过程，比逆流再生固定床再生少6个步骤，在加较大程度上减少了人为因素影响。同时由于运行是从下向上，整体将树脂托起，树脂间空隙大，其*大流理可达288m3/h。
比较而言，国内传统的逆流再生固定床，由于装填单一型号强型树脂，虽然能较好地吸附生水中的强酸碱离子，但工作交换容量小，而Φ3000固定床*大流量只能达176 m3/h。使得周期制水量小，能耗高。固定床的结构复杂，阀门多，中排管的尼龙网容易破损，既容易造成树脂跑损，又增加维修工作量。且再生时必须空气顶压，不易操作，易造成树脂乱层而使再生失败。
浮动床与逆流再生固定床（以阴床为例）的部份性能指标对比如表1
表1  ：性能指标对比表
床型 流速m/h 周期制水量(t) 碱耗g/mol
双室双层浮动床Φ2800 50 9000~17000 ≤55
逆流再生固定床Φ3000 29 3500~5500 75~80

四　实施
（一）工艺方案
   在不改变原有系统的总体运行方式的情况下进行扩容改造。即采用原有的母管式制水系统，阴、阳床总制水能力要提高。采用在原有阴、阳床系统中各增加一台双室双层浮动力床。系统原理方框图如图3。
 

中间水箱、除碳器，制水母管采用原有设备。单台双室双层浮动力床工艺流程图，如图4。
 

（二）实施、运行状况
在考虑满足生产供水能力的情况下，根据原有厂房及场地的现状，我们采用阴、阳各一台Φ2双室双层浮动床运行的关键步骤是启动成床，如控制不好，会造成树脂乱层而影响制水量，受操作工操作水平影响较大，因此我们采用PLC系统来进行全运行和再生全过程程控。在阳床出口安装在线Na+浓度监测表，在阴床出口安装pH表和电导率表，PLC系统通过监测Na+浓度、PH值和电导率数据，控制运行状况和失效点。
通过对再生系统的改造，加装气动隔膜阀、超声波液位计和酸、碱浓度计，通过PLC系统控制再生液流速、浓度和酸碱用量，并供固定床和浮动床共同使用，达到自动再生目的。
对浮动床的操作控制分为两大步即“再生”和“运行”，其工艺流程图如图4。
该系统在应用中设计了四种运行模式：点操――人工控制每歩各个阀门开关；歩操――人为控制每歩的时间；半自动控制分为“运行”——从“成床”至“停运”；“再生”——从“预喷射”至“备用”；全自动从“成床”—“运行”—“静置”—“停运”—“预喷射”—“进再生液”—“置换”—“清洗”至再生完成达“备用”全过程。

五　经济效益
（一）技术指标对比
该改造项目于2001年11月完成后，12月开始投用，到2002年5月，主要各项技术指标与固定床相比，如下表2：
表2  技术指标对比表 时间：2001年11月至2002年5月
 阳床周期平均制水量（t） 阴床周期平均制水量（t） 酸耗g/mol 碱耗g/mol 酸耗下降(%) 碱耗下降(%)
固定床 6280 4662 40.86 81.35  
浮动床 8488 9156 31.11 55.99 18.97 31.77
（注：酸、碱耗含义为阴、阳树脂每除去生水中1mol的阴、阳离子所消耗的酸或碱耗量，是衡量离子交换树脂化学除盐的主要能耗指标。）
（二）经济效益及社会效益
1、经济效益
以全年一台床制水50万吨计算，一套阴阳浮动床比固定床节约的资金如下：
阳浮动床全年节约酸量（30%）＝(浮动床酸耗-固定床酸耗)×全年制水量×30÷0.3
＝(40.86-33.11)×500000×3.0÷0.3≈38.75吨
 经济效益＝38.75×600(元/吨)≈2.32(万元)
阴浮动床全年节约碱量(30%)＝(浮动床碱耗-固定床碱耗)×全年制水量×2.2÷0.3
 ＝(81.35-55.99)×500000×2.2÷0.3≈92.99吨
  经济效益＝92.99×600(元/吨)≈5.57(万元)
一套浮动床一年可节约资金约7.89万元
注：①3mmol/l为阳床进水碱度和出水酸度的总和；
②2.2mmol/l为剩余的碳酸根离子的浓度和出水酸度的总和
2、社会效益
该系统采用了PLC系统，大大降低了操作工的劳动强度，提高了系统的可靠性和操作规范性。
双室双层浮动床的设备比原有固定床少了中排系统，减少了树脂的跑损及检修频次。降低了再生自用水，减少了排放量。

（一）项目的应用和推广价值
双室双层浮动床由于具有流量大、周期制水量大、能耗低等优点，自20世纪80年代末齐鲁石化引进以来，技术已发展成熟，有较高的经济效益及社会效益，石化企业热电厂已逐步使用，代替逆流再生固定床进行一级除盐。在要求供除盐水量大的电厂具有很大的推广使用价值。
（二）存在的问题及改进措施
(1) 开始成床步骤操作难度大，如乱层，会影响制水量。
(2) 因平时再生不能充分反洗，制水周期长容易积累悬浮物，如不进行体外再生（在清洗罐里反洗），各方面性能会下降。
(3) 提高PLC程控系统可靠性和操作工的技术水平。
(4) 安装配套清洗罐，定期清洗树脂。