高硬度、高堿度原水用于鍋爐時(shí)，單純的軟化處理，雖然除去了硬度，卻保留了過(guò)高的堿度，進(jìn)入鍋爐后，隨著(zhù)鍋爐運行的蒸發(fā)濃縮，鍋水堿度將急劇增高，不僅將增大鍋爐排污，浪費燃料，降低鍋爐熱效率，并增加鍋爐補給水量，而且將顯著(zhù)影響蒸汽質(zhì)量，嚴重的甚至發(fā)生汽水共騰事故和鍋爐金屬的堿腐蝕。因此，高硬度、高堿度原水需要進(jìn)行軟化降堿處理，以達到除去硬度，降低堿度至適當值的目的。

中國東北某化工企業(yè)配備2臺額定工作壓力1.6MPa、蒸發(fā)量35m3/h的蒸汽鍋爐，其中一臺鍋爐24小時(shí)連續運行，另一臺鍋爐以備用為主，生產(chǎn)量大時(shí)需兩臺同時(shí)運行。

釆用地下水作為原水，其水質(zhì)檢測結果：平均堿度為5.9mmol/L，屬于高硬度、高堿度水，需要進(jìn)行軟化降堿處理?？紤]各種因素，決定采用氫-鈉離子交換系統進(jìn)行軟化降堿處理。為防止鍋爐結垢、提高蒸汽質(zhì)量、降低鍋爐排污率，要求系統出水硬度＜0.03mmol/L、堿度≤0.9mmol/L，確保鍋爐排污率不超過(guò)5%（鍋水濃縮不低于20倍）的情況下，鍋水堿度符合GB/T1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標準的要求（即鍋水濃縮20倍后，堿度≤24.0mmol/L）。

軟化降堿氫-鈉離子交換系統

因為原水為地下水，不僅硬度和堿度較高，而且可能含有泥砂等雜質(zhì)，因此采用疊片式過(guò)濾器過(guò)濾泥砂，以確保離子交換器進(jìn)水濁度小于5NTU。

對于氫離子交換樹(shù)脂的選擇，有強酸性H+和弱酸性H+離子交換樹(shù)脂可選，弱酸性H+離子交換樹(shù)脂具有交換容量大、出水不產(chǎn)生強酸、系統出水質(zhì)量易控制、再生酸耗低、廢酸濃度低、廢液處理成本低等優(yōu)點(diǎn)。下面將兩種樹(shù)脂通過(guò)樹(shù)脂填裝量、再生用酸量的計算結果進(jìn)行比較：

a) 樹(shù)脂填裝量計算：

為了使H+交換器與Na+交換器基本同步失效、同時(shí)再生，H+交換樹(shù)脂與Na+交換樹(shù)脂的比例需根據原水的碳酸鹽硬度（即原水堿度）和非碳酸鹽硬度（即原水總硬度與堿度之差值）的比例以及保留的堿度來(lái)確定。已測得原水總硬度6.2mmol/L、堿度5.9mmol/L，則原水中碳酸鹽硬度=堿度=5.9mmol/L，非碳酸鹽硬度=總硬度-堿度=6.2－5.9=0.3mmol/L，要求軟化降堿處理后系統出水堿度≤0.9mmol/L，因此H+交換需除去的碳酸鹽硬度為5.9－0.9=5mmol/L，Na+交換需除去的硬度為6.2－5=1.2mmol/L。查得弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的工作交換容量為1800～2000mol/m3，強酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的工作交換容量為800～1200mol/m3；鍋爐蒸發(fā)量為35m3/h，考慮到鍋爐排污等損耗，鍋爐補給水處理量按38m3/h計，24小時(shí)連續運行，以每天再生一次，計算弱酸性H+交換樹(shù)脂填裝量V弱H、強酸性H+交換樹(shù)脂填裝量V強H、Na+交換樹(shù)脂填裝量VNa如下：

式中：
Q——交換器周期制水量，按24小時(shí)再生一次計，單位為m3；
YD——需除去的硬度，單位為mmol/L；
k——保證出水硬度合格的安全系數，一般弱酸性H+交換樹(shù)脂取1～1.2，強酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂（包括H+交換和Na+交換），取1.2～1.8；
E——樹(shù)脂的工作交換容量，單位為mol/m3。

從計算結果可知：由于弱酸性H+交換樹(shù)脂的工作交換容量遠大于強酸性H+交換樹(shù)脂，因此僅需填裝2.8m3弱酸性H+交換樹(shù)脂，如果采用強酸性H+交換樹(shù)脂則需6.8m3。

b) H+交換樹(shù)脂一次再生用酸量計算：

根據上述計算的樹(shù)脂填裝量，對于順流再生軟水器，弱酸性H+交換樹(shù)脂和強酸性H+交換樹(shù)脂再生時(shí)，一次再生用酸量分別計算如下：

式中：
mz——再生一次所需的濃酸量，kg；
VR——樹(shù)脂罐內填裝的樹(shù)脂體積，m3；
E——樹(shù)脂的工作交換容量，一般強酸性H+交換樹(shù)脂按1000mol/m3計算，弱酸性H+交
換樹(shù)脂按1800mol/m3計算；
k——再生劑比耗，對于強酸性H+交換樹(shù)脂一般逆流再生時(shí)取1.2～1.8；順流再生時(shí)取2～3.5；弱酸型H+交換樹(shù)脂一般只需取1.0～1.1；
M——再生劑的摩爾質(zhì)量，用酸再生時(shí)，HCl為36.5；
ε——再生劑的純度，一般工業(yè)用濃鹽酸（HCl）30%～33%。

從計算結果可知：雖然弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂比強酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂價(jià)格高，但樹(shù)脂填裝量和再生用酸量要少得多；而且再生酸液濃度，一般弱酸性樹(shù)脂再生僅需1.5%~2%HCl，強酸性樹(shù)脂再生需3%～4%HCl。因此，選用弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，總體投資成本和再生成本以及廢液處理成本低得多，且環(huán)保壓力少。

通過(guò)分析比較，本系統采用弱酸性H+交換樹(shù)脂除去碳酸鹽硬度，并通過(guò)除二氧化碳器（簡(jiǎn)稱(chēng)除碳器）除去碳酸鹽硬度經(jīng)H+交換后產(chǎn)生的CO2，以達到降堿目的；然后再進(jìn)入填裝有強酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的Na+交換器，進(jìn)一步除去非碳酸鹽硬度和剩余的碳酸鹽硬度。其水處理工藝流程為：原水→原水泵→疊片式過(guò)濾器→弱酸性+H交換器→除碳器→除碳水箱→中間水泵→Na+交換器→軟水箱→鍋爐補給水泵→進(jìn)鍋爐；弱酸性H+交換器再生時(shí)的廢酸液排入化工廠(chǎng)污水池統一處理。

現場(chǎng)照片

根據上述計算結果，考慮到交換器反洗所需膨脹高度和樹(shù)脂罐產(chǎn)品的規格尺寸，設計配置氫-鈉離子交換軟化降堿水處理系統為：H+交換樹(shù)脂罐采用兩臺直徑為1.5m、高度2.4m，罐內填裝2.8m3弱酸性H+交換樹(shù)脂；Na+交換樹(shù)脂罐采用兩臺直徑為1.2m、高度2.2m，罐內填裝1.6m3 Na+交換樹(shù)脂；配套用于H+交換器再生的鹽酸罐和Na+交換器再生的鹽水罐各一臺，罐體直徑為1.5m、高度1.2m；選用耐酸腐蝕的潤新63640（F112A3）流量型控制閥，組成二套雙閥雙罐的H+交換系統和雙閥雙罐的Na+交換系統，可實(shí)現一用一備或兩套并聯(lián)運行（分別再生），產(chǎn)水量達到38m3/h～76m3/h。

63640（F112A3）

由于H-Na離子交換系統最終出水都經(jīng)過(guò)鈉離子交換處理，所以弱酸性H+交換器運行終點(diǎn)的控制不需太嚴格，只要出水中硬度降低量與進(jìn)水堿度基本相當即可，系統的出水質(zhì)量主要以控制Na+交換器出水硬度為運行終點(diǎn)。為此在鈉離子交換器出口安裝潤新44710（F84）在線(xiàn)硬度監測儀，實(shí)時(shí)檢測出水硬度，當出水硬度高于0.03mmol/L時(shí)，儀器報警并發(fā)出信號，使系統實(shí)現無(wú)人職守（定期人工復測）的自動(dòng)控制管理。

兩套弱酸性H+交換器和Na+交換器均采用“潤新閥”特有的互鎖線(xiàn)互鎖，使氫-鈉離子交換系統至少有一套處于運行狀態(tài)，確保氫-鈉離子交換系統始終有合格的出水來(lái)滿(mǎn)足鍋爐給水需求。另外，為了降低設備的能耗，確保系統的供水壓力，原水泵、除炭水泵釆用變頻控制。

該氫-鈉離子交換軟化降堿水處理系統投入運行近一年來(lái)，系統運行和再生及監測均可實(shí)現自動(dòng)控制，通過(guò)每周對出水水質(zhì)進(jìn)行抽樣復測驗證，系統出水硬度和堿度均符合要求，鍋爐給水和鍋水水質(zhì)達到國家標準要求，鍋爐排污率和鍋爐熱效率達到節能減排要求，蒸汽質(zhì)量得到保證，用戶(hù)反映良好。

※ 本應用案例由沈陽(yáng)潔明水處理設備有限公司提供