双流弱酸阳床运行参数的优化和出水特性

摘要：通过对双流弱酸阳床运行和再生参数的优化，提高了弱酸阳床的周期制水量，降低了酸耗。全面分析了弱酸阳床的出水特性，为以弱酸阳床出水为补水的循环冷却水系统各项指标的控制和调整提供了依据。

关键词：双流弱酸阳床　循环冷却水　碱度　硬度

华能德州电厂三期工程2×660MW机组循环冷却水使用经多级沉砂后的黄河水，水的碱度一般为3.3mmol/L，硬度为5.5 mmol/L（1/2Ca²⁺+1/2Mg²⁺）左右，碱度、硬度均比较大。为了提高浓缩倍率，节约用水，采用双流弱酸阳床对循环冷却水补水进行100%处理。整个系统共有12台φ3000的双流弱酸阳床，设计出力275t/h，使用D113树脂，其中上部填装高度为800mm，下部为1100mm。设备投入使用前曾委托有关单位进行了一系列的试验，选定了缓蚀阻垢剂，最终确定循环水浓缩倍率控制6倍，单台弱酸阳床出水的碱度到2.0 mmol/L时为失效终点，控制各台交换器出水混合后的碱度为0.8 mmol/L左右。实际运行过程中，循环水的碱度、硬度不时超标，威胁着设备的安全经济运行。同时，弱酸阳床还存在着再生用酸比耗高，周期制水量少等问题。为了对双流弱酸阳床的运行特点有更深刻的了解，对双流弱酸阳床制水和再生过程进行了全面测试，优化了其运行条件。

1　运行条件的确定

1.1 上、下进水流量的确定

树脂的工作交换容量与水质、流速和树脂层高度有关^[1]，双流弱酸阳床中上层树脂填装量少，占总树脂量的42.1%，但上层树脂能够得到充分的再生。在双流弱酸阳床运行过程中，快速关闭下部进水门，稳定后取样，就可以测得上部出水水质。根据上、下层树脂的量和其他厂家的经验，分别选取上部进水占总进水量的40%、45%和50%测试。在总流量为250 t/h，弱酸阳床出水碱度为2.0时，测得上层树脂出水水质如下：

由此可见，在上部进水流量占总流量的45%时，上、下层树脂几乎同步失效，所有树脂的交换基团能够得到充分利用。

1.2 进酸、置换和正洗时间的确定

为防止再生过程中产生硫酸钙垢，借鉴其他厂家经验，进酸浓度控制在0.6%左右^[2]，流量100t/h。先再生上部树脂，再生废液由中排排出，中排出水呈酸性后关中排门，开底部排水门，再生全部树脂。对再生过程中排水的碱（酸）度、硬度等指标进行测量，结果见表2。

说明：1.表中负值表示酸度。

2.进酸、置换用水为弱酸阳床出水，碱度为0.8 mmol/l左右。

由表2可以看出，上进酸80分钟后中排排水已成酸性，可以转为下进酸，下进酸130分钟后，排水呈酸性，如果再继续进酸，排水的酸度增长很快，说明酸的利用率迅速降低。由于弱酸树脂很容易再生，因此下进酸时间以130—140分钟为宜。置换20分钟后排水已成碱性，至30分钟，排水中硬度也大幅下降。正洗15分钟后，测得的排水硬度已小于进水中的硬度，设备再生完毕，可以转入运行或备用。综上所述，确定的再生条件为：

2 双流弱酸阳床的出水特性

2.1 弱酸阳床的反应机理

循环水补水经过弱酸阳离子交换处理，能将水中主要结垢成份如Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃-去掉一大部分，其化学反应如下：

2RCOOH +Ca(HCO₃)₂→（RCOO）₂ Ca+2CO₂+2H₂O …………（1）

2RCOOH +Mg(HCO₃)₂→（RCOO）₂Mg+2CO₂+2H₂O …………（2）

可能存在的反应：

2RCOOH +CaCl₂→（RCOO）₂Ca+2HCl……………………（3）

2RCOOH +MgCl₂→（RCOO）₂Mg+2HCl……………………（4）

2RCOOH +CaSO₄→（RCOO）₂Ca+H₂SO₄……………………（5）

2RCOOH +MgSO₄→（RCOO）₂Ca+H₂SO₄……………………（6）

2.2 双流弱酸阳床的出水特性

保持双流弱酸阳床进水总流量为250t/h，其中上进水流量为110—115 t/h左右，在整个运行周期，弱酸阳床出水的碱度、硬度及钙硬与运行时间的关系如下图所示：

由于原水中硬度大于碱度，由图1可以看出，永硬水经双流弱酸阳床处理后，出水具有以下几个特点：

（1）弱酸阳床投运初期出水硬度较大，随即迅速下降。初期出水硬度大的原因，可能为再生过程中产生有微细的CaSO^₄结晶，在制水过程中又重新溶解到水中；另一个原因是交换反应产生的H⁺与没有得到再生的钙型或镁型树脂发生离子交换，将Ca²⁺、Mg²⁺置换下来，即弱酸阳床在转入运行制水后，反交换还会延续一段时间。

（2）弱酸阳床投运初期酸度较大，而且在以后运行的20多个小时的时间内，出水都呈酸性，表明发生了反应式（3）～（6）所示的交换。这说明在弱酸阳床运行的前期，不但能除去碳酸盐硬度，还能分解水中部分中性盐，生成无机强酸。这也是永硬水经弱酸离子交换床处理后，其腐蚀性增强的原因。对一台弱酸阳床来说，其前期出水是酸性的，要使各个弱酸阳床出水混合后保持一定的碱度，最好按均匀的时间间隔再生弱酸阳床。

（3）永硬水经弱酸离子交换床处理，其出水仍然为永硬水。

（4）弱酸阳床出水中的镁/钙比大于进水中的镁/钙比，即弱酸树脂对钙离子的选择性系数比对镁离子的大。

（5）在制水的大部分过程中，碱度、硬度等指标增长比较缓慢，但在运行50多个小时后，增长速度加快，即使如此，仍然没有失效的突变点。

2.3 整个制水周期出水平均碱度和树脂工作交换容量的计算

根据测得的数据，将出水碱度看作时间的函数，拟合得：

………… （7）

式中 M——出水碱度，mmol/l

t——时间，小时

平均碱度为：

…………（8）

式中 ——出水平均碱度，mmol/L

Q ——弱酸阳床出水流量，t/h

树脂的工作交换容量可由下式求出：

…………（9）

式中 q——树脂的工作交换容量，mol/m³

M0——原水碱度，mmol/L

V——树脂的体积，m³

已知原水的平均碱度为3.3 mmol/L，流量为250t/h，到出水碱度为2.0 mmol/L时运行时间约为70小时，由式（7）、（8）和（9）可以计算出整个运行周期出水的平均碱度为0.738 mmol/L，树脂的工作交换容量为3346mol/m³。

总进酸时间为220分钟（其中上进酸80分钟），进酸浓度0.6%，流量100 t/h，再生比耗为：≈1.0

2.4 不同失效终点下的出水平均碱度和树脂工作交换容量

在调整循环冷却水指标时要特别注意，弱酸阳床控制不同的失效终点，其出水的平均碱度差别很大，另外树脂的工作交换容量也与所控制的失效终点有关，具体计算结果见表3：

3 结束语

通过对双流弱酸阳床运行和再生条件的调整，增加了弱酸床的周期制水量，降低了酸耗，再生比耗接近1，再生过程排出的废酸量很低，与反洗水混合后几乎不用加碱中和就能达到排放标准，经济效益明显。同时，通过对双流弱酸床出水各主要指标的测试和计算分析，对其出水特性有了深刻的认识，为循环冷却水系统指标的调整提供了可靠的依据和可行的方法。