离子交换树脂在汽机和工艺凝结水精处理中的应用
更新时间：2011-11-16 13:58
来源：中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209
作者: 杨崇涛
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引言
离子交换树脂是一种带有官能团，即具有交换离子的活性基团、并且具有网状结构、不溶性的高分子化合物。离子交换树脂因为具有极强的吸附性能，因此其利用范围也非常的广。一般常见于如下的应用领域：（1）水处理；（2）食品工业；（3）制药行业；（4）合成化学和石油化学工业；（5）环境保护；（6）湿法冶金及其他。目前，我国的火力发电行业中，300兆瓦以上的火力发电机组已经不断的增多，由于火力发电需要通过大量的使用水，通过加热水产生的蒸汽推动叶轮转动，从而切割磁力线发电。水蒸气凝结后会带有许多在电力生产过程中吸附的离子，影响水质，如果不将这些凝结水作处理，直接循环利用会影响整个发电系统的正常工作。同样在石油化工和煤化工生产领域也需要大量的使用水蒸气作为热源介质和工艺介质用于生产当中，由于换热器等设备的泄露和管道的腐蚀等因素，使蒸汽凝结水常常受到盐类、油类、有机物、金属腐蚀、溶解氧等的污染。因此，我们需要对凝结水进行精处理，以使其能回收利用。在处理过程中，目前常见的方法就是利用离子交换树脂的吸附作用来保证凝结水的纯净。而在这个过程中，既有使用凝胶型离子交换树脂的又有使用大孔型离子交换树脂的，本文将研究二者尤其是后者在汽机和工艺凝结水精处理中的应用。
2大孔型强酸性阳离子交换树脂与大孔型强碱性阴离子交换树脂
2.1大孔型强酸性阳离子交换树脂
大孔型强酸性阳离子交换树脂一般都含有大量的强酸性基团，比如磺酸基－SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如SO3－，能吸附结合溶液中的其他阳离子。
大孔型强酸性阳离子交换树脂在使用一段时间之后，是需要进行再生处理的，这个过程实际上就是通过采用化学药品使离子交换反应朝着相反的方向进行，使得大孔型强酸性阳离子交换树脂的官能集团能够恢复到初始状态，以便于再次重复的使用。
2.2大孔型强碱性阴离子交换树脂
这类树脂含有强碱性基团，如季胺基－NR3OH，能在水中离解出OH－而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。
大孔型强碱性阴离子交换树脂的再生原理与大孔型强酸性阳离子交换树脂基本相同，只是在具体的再生的时候前者使用的是强碱，而后者则是强酸。大孔型强碱性阴离子交换树脂通过强碱的处理，吸附的阴离子被放出，然后与OH-结合而恢复原来的功能。
2.3普通凝胶型树脂与大孔型离子交换树脂的区别
按照离子交换树脂本体的微孔形态可将离子交换树脂分为凝胶型和大孔型等。普通凝胶型离子交换树脂是通过纯单体混合物经缩合或者聚合形成的，在外观上一般是呈现出透明装，骨架结构呈现出微孔状。由于离子交换树脂在工作的时候，主要的原理就是离子交换反应，而离子交换反应是通过离子交换树脂的交联大分子链间距离而形成的孔隙（微孔）扩散到交换基团附近进行的。在这个过程中，离子交换树脂的孔径会随着交联度的增加而不断的变小，而随着凝胶体的溶胀而不断的变大。在树脂处于干燥的状态下，孔径是不存在的，树脂只有化学结构孔，而且网孔一般都非常的小，一般而言平均的孔径之后1~2纳米大小，而且不同的树脂孔径大小也不相同。由于普通的凝胶型树脂孔径较小，不利于粒子运动，因此在直径较大的分子通过树脂时，容易造成树脂的网眼堵塞，再生的时候，也很难脱落，容易受到有机物的污染，再生能力较低。
而大孔型树脂则是在离子交换树脂形成的时候，即在发生聚合反应的时候加入了一定量的致孔剂，从而使得离子交换树脂最终在内部形成多孔海绵状构造的骨架，这样就会使得离子交换树脂内部形成大量的永久性的微孔。由于加入了致孔剂，大孔型离子交换树脂的孔径能够达到100到500纳米，相较于普通离子交换树脂的1到2纳米，简直是云泥之别。这使得大孔型离子交换树脂相较于普通的凝胶型离子交换树脂具有更强的离子交换能力。而且，大孔型离子交换树脂的表面积可以增大到超过1000m2/g，这就使得离子交换树脂与交换介质有了更大的接触面积，能够有效地缩短离子扩散的路程。
总之，和普通凝胶型离子交换树脂相比较，大孔型离子交换树脂内部的孔隙又多又大，表面积也相应要大很多，活性中心相对较多。因此，用作离子交换的时候，扩散的速度更快，交换的速度也相应的要快不少，一般而言比普通凝胶型离子交换树脂的交换速度要快10倍，极大地提高了交换效率。除此之外，大孔型离子交换树脂得益于大孔径的构造，能够更加耐溶胀，而且不易破碎，耐氧化和磨损的能力也更强，对温度的适应性也更好，而且在大的有机物通过时，不容易堵塞，再生能力较强。
3大孔型强酸性阳离子交换树脂与大孔型强碱性阴离子交换树脂实际应用中的表现
本文研究的中国神华煤制油凝结水处理站装置由中国石油集团工程设计有限责任公司大连分公司设计、施工总包，2006年4月30日完工中交。本凝结水处理系统是回收煤液化、煤制氢、天然气制氢、备煤制剂、轻烃回收、酚回收、污水汽提、脱硫、油品储运等高、中、低压工艺凝结水和空分、煤制氢等汽机凝结水并加以处理，把处理合格后的凝结水再用于煤液化、煤制氢、加氢稳定、硫磺回收等生产装置中。神华煤直接液化示范项目凝结水处理站在接收了该设备之后，即对其投入了使用，本次研究即为神华煤制油厂的回收煤液化、煤制氢、空分等生产装置和其他辅助装置产生的蒸汽凝结水的处理系统中的离子交换树脂在汽机和工艺凝结水精处理中的作用。
本凝结水处理系统分为汽机凝结水和工艺凝结水两部分，汽机和工艺两种凝结水离子交换系统工艺结构和原理基本一致，主要的区别在于汽机部分为两级混床，而工艺凝结水部分只有一级混床。汽机凝结水处理后做高压锅炉给水和减温减压器减温水使用，工艺凝结水处理后做中、低压锅炉给水使用。
汽机凝结水主要污染物包括了金属腐蚀产物、盐类、溶解氧等，其处理工艺主要包括降温、除铁、除盐、换热、除氧，经处理合格后为煤制氢、煤液化、加氢稳定、硫磺回收等装置及减温减压器提供高压除氧水。对汽机凝结水的除铁主要是在木质纤维素覆盖过滤器中完成的。工艺凝结水污染物除了以上汽机凝结水所包括的污染物之外，还主要有油类和其它有机物等。其处理部分由扩容系统（高中低压）、降温、除油除铁、除盐、除氧系统组成。其除油除铁系统由木质纤维素加活性炭复合双膜过滤器、活性炭过滤器和精密过滤器组成。汽机和工艺凝结水的除盐主要是在离子交换器中进行。阳离子交换器内装填的是大孔型强酸性阳离子交换树脂。混合离子交换器内装填的是由大孔型强酸性阳离子交换树脂与大孔型强碱性阴离子交换树脂以1:2的比例混合构成的混合离子交换树脂。汽机凝结水除盐时，经除铁系统过滤后的凝结水首先进入阳离子交换器，与大孔型强酸性阳离子交换树脂进行交换反应，能够有效的去除水中的阳离子。采用阳离子交换器，一方面可以去除一部分阳离子，使混床的再生次数降低，运行周期大大提高；另一方面可以提供混床运行的酸性条件，增加混床去除阴离子的能力，阴树脂的交换容量也因此而提高。去除阳离子之后的出水直接进入一级混合离子交换器，去除水中的阳离子和阴离子。其中阴离子经过与大孔型强碱性阴离子交换树脂的交换反应而去除。此时的水质可以达到电导率≤0.1μS/cm，SiO2≤20μg/L，而后进入二级混合离子交换器以保证出水水质的绝对安全。工艺凝结水除盐与汽机凝结水除盐工艺原理一样，只是少了二级混合离子交换器，其阳床出水直接经一级混合离子交换器处理后完成除盐处理。其出水水质可以达到电导率≤0.2μS/cm，SiO2≤20μg/L，经过以上几轮的过滤处理之后，能够保证水质的安全。以下是汽机和工艺凝结水处理前的来水和处理后的出水的水质指标情况：
|
指标 来水 |
PH | 电导率μS/cm |
SiO2 μg/L |
铁 μg/L |
铜 μg/L |
油 mg/L |
溶解氧 μg/L |
| 汽机 | 9 | ≤50 | 30-80 | 100-1000 | ≤30 | ≤50 | |
| 工艺 | 9 | ≤50 | 30-80 | 100-1000 | ≤30 | ≤30 | ≤50 |
|
指标 出水 |
PH | 电导率μS/cm |
SiO2 μg/L |
铁 μg/L |
铜 μg/L |
油 mg/L |
溶解氧 μg/L |
| 汽机 | 8-10 | ≤0.1 | ≤20 | ≤20 | ≤3 | ＜7 | |
| 工艺 | 8-10 | ≤0.2 | ≤20 | ≤20 | ≤3 | ≤1 | ＜15 |
由以上两个表格数据可以看出，在该凝结水处理系统中，大孔型强酸性阳离子交换树脂与大孔型强碱性阴离子交换树脂都得到了充分有效地运用，使得蒸汽凝结水能够安全的循环利用。
4结语
本次研究的凝结水处理系统大量的采用了大孔型强酸性阳离子交换树脂与大孔型强碱性阴离子交换树脂，通过阳离子交换器和混合离子交换器以及二级混合离子交换器的综合作用，能够保证凝结水的水质安全。该凝结水处理系统能够为神华煤制油厂节省大量的水资源费用。同时，采用大孔型离子交换树脂，还具有再生率高，购买离子交换树脂的综合成本较低，水精处理效果较好等特点。离子交换树脂的大量运用，有效地为神华煤直接液化示范项目减少了水资源费用的开销，降低了单位生产值的资源消耗水平，是响应清洁生产的积极有效行为。
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收稿日期：2011-06-08
作者简介：杨崇涛（1981-），男，助理工程师，研究方向：工业水处理技术及水汽系统.
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