自动软化器技术在水处理领域的应用
关键词：自动软化器,再生比耗,板式多路阀,氢钠离子并联水处理
摘要：详细介绍了自动软化器相对于传统手工操作软化器在降低能耗方面所具有的显著优势，同时分析了自动软化器目前存在的一些不完善之处及其发展前景。
1 传统手工操作软化设备的弊病
在锅炉水处理领域里，绝大部分单位采用离子交换方法，普遍存在着管理差、能耗高的问题，特别是中小型锅炉房。
首先在水处理设备的购置选型上，多数单位是尽量选择大尺寸软化罐，以防止水处理量达不到要求。尽管这样做可以完全满足锅炉用水量要求，但树脂装填量比实际要求大出4～5倍，每年破碎树脂补充量多，盐耗水耗电耗也比实际需要高出许多倍。
此外再生比耗高也是传统手工操作设备很难克服的一个弊病。所谓再生比耗，就是实际盐耗与理论盐耗的比值；以NaCl再生剂为例，其理论盐耗为58.5g/mol，即恢复树脂1摩尔交换容量在理论上需要58.5克食盐。实际盐耗计算公式如下〔1〕：
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在许多锅炉房中，再生剂的消耗量根本无人测量，其用量一般都是过量的。当然再生剂用量越多，树脂再生程度也就越高，但从经济角度考虑，只需要树脂保持一定程度的再生水平就可以了，一般是最容易达到的再生水平，即只使树脂的部分交换容量得到恢复。若单纯地要求树脂的再生水平，将树脂的全部交换容量都恢复，则此时的盐耗有可能是理论盐耗的十几倍，这是极不经济的。
经劳动部门到北京地区一些锅炉房进行抽样检测，其实际盐耗均在150g/mol以上，再生比耗接近3，个别锅炉房盐耗达到400g/mol。不仅造成了原料盐的极大浪费，而且由于所排放的再生废液中盐浓度高，对地下水源造成污染。此外，再生之前对树脂的反洗操作和再生之后的置换清洗操作也完全凭操作人员的经验来定，所以传统手工操作水处理设备的正反洗和置换水耗量也往往超过理论耗量的数倍，造成水资源的大量浪费。
在离子交换树脂的再生周期上，传统手工操作设备的规范作法是通过定期(如每隔2小时)从软化罐出口取水样化验一次，当发现水质硬度接近上限值时，立即切换备用罐，同时对失效罐进行再生。实际上当离子交换器出水硬度接近上限值时，还可以在临界状态下维持运行相当长的一段时间，保持出口水质硬度在合格范围内。但由于传统操作方式对水质硬度的监测是间断性的，担心不合格水进入锅炉造成危害，所以就将尚能继续运行的交换器提前进行再生。如一台离子交换器的周期制水量可以达到120m3，却往往只使用了80～90m3就提前对其进行再生，长此下去，必将造成各类能源的极大浪费。
2 自动软化器在诸方面的优越性
自动软化器于70年代末期就已在国外投入商业运行，90年以后开始进入我国。与传统设备相比，自动软化器的优越性能主要表现在以下几方面。
首先外形尺寸和占有空间比同样出力的传统设备大大缩小。如生产能力同样为40t/h的钠型软化设备，传统设备的软化罐单缸尺寸φ2500×6500mm，而自动软化器单罐尺寸为φ1600×3500mm，其所占用空间是传统设备的22%。由于软化罐容积的缩小，树脂充填量也大为缩小，每年的破碎树脂补充量仅是传统设备的16%。
自动软化器在工艺流程上与传统设备有很大区别。传统设备的工艺流程如图1，需要容积很大的溶盐池，在溶盐池内，盐液浓度8%～10%，并须耐腐蚀性能良好的不锈钢盐泵，正反洗、置换清洗和正常操作运行均由罐体外部的管路阀门控制，不但管系复杂，因盐液腐蚀等原因造成设备维修工作量大。
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自动软化器工艺流程如图2，用体积很小的塑料再生液储罐(对于制水量在20～25t/h的自动软化器，再生剂储罐外形尺寸为φ800×1030mm)取代了传统设备的庞大溶盐池和不锈钢盐泵。再生剂储罐内的盐液浓度达25%，在板式多路阀中依靠水的射吸作用将储罐中的盐液带入软化罐，进入软化罐中的盐液浓度已被稀释到8%左右。正反洗、进再生剂、置换清洗及正常交换运行等操作过程全部在软化罐体内进行，省略了大量外管路阀门，外型极其简单。板式多路阀与罐体内管路和过滤装置等均为PVC材质或其它具有高度耐腐蚀性材质，可有效抵御盐液侵蚀。
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1——板式多路阀 2——运行罐 3——备用罐 4——生水进口管 5——软水出口管 6——废液出口管 7——再生剂储罐 8——体内过滤装置
板式多路阀各通路均为电磁阀通断控制，靠电磁力开启和弹簧力关闭。该阀接受可编程控制器的各种指令信号并对不同的通路进行自动启闭操作。
自动软化器的实际盐耗量是根据原水水质情况，经过现场反复调试及精确测算后取得最切合实际的周期制水量，将该周期制水量作为设定值输入可编程控制器，由该控制系统实现自动运行。其控制过程如下：由安装在交换器出口的孔板式流量计测算出水流量，并通过差压变送器将流量信号转变为0～10mA电流信号输入可编程控制器，当所测定流量已达到事先设定的周期制水量值时，可编程控制器随即发出指令，停止该罐运行，切换备用罐继续运行，同时按编好的程序依次对失效罐进行反洗、进盐、置换、正洗等各步操作。
由于自动软化器的进盐量、置换清洗及正反洗用水流量等均按事先编好的程序进行精确控制，可将再生盐耗、水耗降至最低，接近于理论耗量；如一台逆流再生定量型自动软化器，其实际盐耗仅为60g/mol左右，再生比耗仅为1.05～1.10。
下面仅举一例进行说明。我公司初轧厂加热炉两台汽化冷却余热锅炉满负荷运行时，耗水量为22t/h，给水硬度≤0.03mmol/L。原水硬度较高，为8mmol/L。以往采用一套传统型单级逆流再生固定床式双罐钠离子交换器，1997年引进北京泰克尼公司的一套TA-800QF2定量型自动软化器，诸项性能比较如表1。
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经过两年来的认真核算，平均每年降低运行成本53万元，投运仅半年即可收回全部改造投资。
3 自动软化器不足之处及其发展前景
早期的自动软化器为定时型即时间周期型自动软化器，由调试人员根据原水硬度情况和用水负荷情况调整好再生时间周期，然后由定时器进行控制。实践表明此类自动软化器的使用范围非常有限，仅适用于负荷一成不变的情况。而绝大多数蒸汽锅炉的负荷均处在时刻变化之中，有时甚至是大幅度变化。此时定时型自动软化器的再生不是超前就是滞后。
尽管定量型自动软化器是目前的主要形式，且能够适应锅炉负荷变化，但当原水硬度发生变化时，定量型就可能像定时型那样出现再生超前或滞后。使用地表水时，其硬度值是不稳定的；而使用地下水或自来水作原水时，其水质硬度一般来说还算稳定，但有时也会出现变化。所以使用定量型自动软化器的单位，每天必须取原水水样化验一次，以便根据原水硬度变化情况随时调整周期制水量。
定性型自动软化器目前尚处于试验阶段，没有投放市场。其主要工作过程是依靠安装在软化罐出口处的电极探头对软化罐出口水质进行在线连续自动监测，将水质硬度信号随时送可编程系统。当水质硬度达到上限值时，可编程控制器立即发出指令切换备用罐，同时对失效罐进行再生。它完全克服了定量型及定时型自动软化器因负荷与原水水质变化而出现的再生不足或再生过量的弱点，总能将再生周期控制得恰到好处，是一种理想的自动软化器型式。
定性型自动软化器之所以至今还没有成为定型产品被投放市场，原因是它的关键技术电极探头尚未过关。
因为钙镁盐类仅是总含盐量中的一部分，简单的电极探头仅能根据溶液电导率测试其总含盐量，不能对钙镁盐类进行选择性测试。尽管目前已有数字式水质硬度计投放市场，但该类硬度测试还是离线间断型测试。
目前国内所有在用的自动软化器均为钠型软化器，而原水在经过单纯钠型软化后，尽管去除了钙镁离子复合硬度，但碱度丝毫没有降低，含盐量还较原水有所增加〔2〕。这样的给水进入锅炉后，经过蒸发浓缩，其碱度和含盐量将达到相当高的程度，易产生汽水共腾，恶化蒸汽品质，为了降低锅炉水碱度和含盐量，必须加大锅炉排污量，从而造成热能的大量浪费。
所以使用原水碱度≥5mmol/L的蒸汽锅炉或蒸发量≥20t/h的蒸汽锅炉，为了达到减少排污量，节约热能的目的，不能采用单纯钠型软化水处理形式，而要采用氢钠离子并联式水处理形式。
由于工艺流程复杂，自动软化器目前还没有氢钠离子并联水处理形式，而仅为单纯钠型软化形式，这就限制了自动软化器的使用范围，使它不适合于原水碱度高的地区或大容量锅炉。在上述领域内，水处理装置仍为传统手工操作设备。将自动软化技术引入氢钠离子并联水处理领域有着巨大的节能潜力，尽管目前实现这一目标有一定的难度，但随着不断的科技进步，这些困难必将会被克服。
此外，由于自动软化器的控制系统采用微机，而其切换、运行、再生及清洗置换等具体操作采用板式多路阀，目前上述备品备件均为进口，国产备件尚未过关。所以全套自动软化设备的价格比同样生产能力的传统手工设备要高5～7倍，致使许多单位从初投资角度考虑，仍然选择传统手工操作设备，但随着进口备件国产化和微机的迅速普及，自动软化器的价格也将降下来。
4 结论
由于自动软化器技术具有体积小，占地少，树脂和盐消耗量低、节约能源等优点，加之技术的不断完善，各类功能不断齐全，更加适合于各类复杂条件下的软化水处理作业。
尽管自动软化器技术作为新生事物，还存在一些不成熟和不完善之处，但从其发展普及速度和巨大的节能功效来看，21世纪水处理领域必将是自动软化器的天下。
参考文献
［1］王春莲.锅炉水处理技术培训考核问答.北京：北京市劳动局，1997
［2］许兴炜.低压锅炉水处理技术.北京：中国劳动出版社，1991
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