影響鈉離子交換器出水品質的因素和預防措施

王書平 馬照春 劉香玲 上海鐵路局徐州機務段

鍋爐水處理是保障鍋爐安全運行的主要部分。蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐普遍采用鈉離子交換器進行水質軟化處理，這種鍋外化學水處理設備分為手動操作和自動操作兩種。通常采用化學分析方法檢驗鍋爐給水硬度指標，以反映鈉離子交換器水處理效果，檢驗鍋爐爐水堿度和氯量指標反映鍋爐爐水質量。徐州機務段現有一臺2 t臥式燃煤鍋爐（使用手動再生雙柱體鈉離子交換器供水）和一臺4 t臥式燃油鍋爐（使用自動再生單柱體鈉離子交換器供水）。這兩臺鍋爐水處理設備各有優缺點，都能保證鍋爐給水硬度達到≤0.03 mmol/l國家標準（GB1576-2001），但是在水處理設備應用過程中存在影響出水質量諸多因素，結合現場經驗進行分析探討，提出預防措施。

1 鈉離子交換器作用原理

1． 1鈉離子交換器結構

鈉離子交換器由樹脂罐體、控制器、軟水箱、再生鹽箱和進排水管路組成。罐體是玻璃鋼（BL）材質，樹脂為強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，交聯度7%，規定型號001×7，舊型號為732，代表式RNa。控制器分為手動和自動再生兩種。手動再生鹽液是質量百分比濃度為8%~10%的NaCl溶液，自動再生鹽液質量百分比濃度為飽和NaCl溶液。軟水箱是鐵質內防腐箱體。再生鹽箱為塑料材質或水泥砌成。進排水管路為PV管材。

1． 2鈉離子交換器離子交換反應

式一：軟化過程

式二：再生過程

1． 3鈉離子交換器中樹脂實際離子交換過程

樹脂經過不斷的軟化和再生，在實際交換過程中分為失效層（飽和層）、交換帶（工作層）、保護層（未交換層）三個階段層，前兩層都是由小變大，保護層是由大變小，直至消失。根據出水質量要求來確定失效終點和再生時機。樹脂出水硬度與出水量變化用圖1曲線表示。

圖1 樹脂出水水質變化曲線圖

如圖1所示：A點和B點為樹脂交換的初期和中期，此時出水中無Ca2+、Mg2+，B點為保護層末消失，B點為保護層消失點。B點和C點為樹脂交換末期，出水中Ca2+、Mg2+濃度逐步增大，直至達到硬度≤0.030 mmol/l標準要求。此時樹脂失效，需要再生，無保護層，工作層達到底部樹脂，失效層逐步增大。C點為樹脂失效再生點，D點為樹脂完全無交換能力，一般交換樹脂在C點就進行再生，CD期為樹脂出水不合格期。其中AC期為樹脂出水合格期，出水量大小由樹脂工作層厚薄決定，工作層越薄，樹脂的交換容量越大，樹脂的利用效率越高，交換周期越長。

1． 4手動和自動鈉離子交換器應用效果比較

手動和自動鈉離子交換器應用效果比較見表1。

表1 手動和自動鈉離子交換器項目比較

2 影響交換器出水質量的因素及預防措施。

2.1 影響交換器出水硬度的因素

影響交換器出水硬度的因素有：交換樹脂、罐體安裝、操作方法、軟水蓄水箱。

2.1.1 交換樹脂決定交換器出水質量的優劣

雖然柳冠中和李樂山分別有自己的工業設計觀點，但是仔細研究后也會發現很多共同點。比如，李樂山和柳冠中一樣十分注重實事求是，重視設計調查工作，他對國內尚沒有構建系統的設計調查方法感到憂慮，認為沒有調查就沒有發言權，沒有經過詳細設計調查的作品將是不切實際甚至是十分危險的。為此，他花了7年時間進行此方面的研究，每年都帶領學生進行大規模的設計調查，完成了國內第一本關于設計調查的專著《設計調查》[7]，促進了工業設計的健康發展。除此之外，李樂山十分注重實踐，要求學生暑假要下企業實踐、畢業設計在企業完成，這樣可以使學生縮小設計與生產之間的距離，因此培養出來的畢業生十分受企業歡迎。

工業鍋爐常用樹脂型號為 001×7（732）中鈉型（RNa）樹脂，這種 001×7樹脂型號包括氫型（RH）和鈉型（RNa）兩種，在樹脂選擇上應與交換器、再生劑相匹配，不能混淆，否則新換裝樹脂第一次出水水質較好，再生后則不能滿足鍋爐水質要求。

預防措施：（1）查看樹脂型號是否與要求一致。離子樹脂裝填交換器中之前要仔細確認，尤其辨別是否鈉型（RNa）樹脂，否則要求立即退換。（2）檢查樹脂是否失水和破碎。如果樹脂外觀不潮濕，手觸無濕潤感，需要將樹脂倒入盛有飽和NaCl水溶液浸泡8 h以上，再加水逐漸稀釋再用。若發現樹脂有較多破碎，需要用50目（0.03 mm孔徑）的篩子進行篩分。新樹脂破碎多由于失水和運輸過程中積壓、摩擦造成的，或者生產廠家生產工藝不達標，以次充好，樹脂顆粒不均勻等引起的。（3）查看是否對新樹脂進行預處理。新樹脂使用前應當先用2%~4%的NaOH溶液浸泡和沖洗，后用4%~5%HCl溶液浸泡和沖洗，以消除新樹脂中殘存的溶劑、低分子聚合物和生產中吸附的鐵銅離子。最低限度應用清水（最好軟水）將樹脂沖洗到排出水無色為止。許多交換器使用初期存在樹脂顏色加深，頂部破碎層厚，出水量明顯下降均與新樹脂裝填前沒進行好預處理有關。（4）查看樹脂裝填數量。樹脂裝填應符合GB/T13659的要求，固定床樹脂層高不得小于800 mm，但也不宜過滿，一般裝填高度以樹脂反洗膨脹高度應不低于樹脂床層高度的40%為宜。

2.1.2 罐體安裝

制造交換器所用的材料應符合JB/T2932-1999、JC/T587相應國家標準和行業標準。罐體安裝是要保證多路閥閥體及內部中心管路密封無滲漏，其次做好罐體內部防腐和防止鹽液罐的污染準備。罐體內部防腐主要防止鐵離子污染樹脂，造成樹脂的工作交換容量降低，出水能力明顯下降，樹脂再生困難。閥體及管路密封無滲漏主要防止生水污染軟水，出水質量不達標。

預防措施：（1）罐體安裝前應檢查內表面有防腐涂層或襯里，防腐層應符合要求。（2）檢查鹽液罐應選用具有抗氯化鈉腐蝕的材料或做好防腐。（3）多路閥閥體在壓力0.2 MPa~0.5 MPa范圍內應能正常工作，液相換位應準確無誤，且不發生泄露和竄流。（4）樹脂被鐵污染嚴重后，用10%的鹽酸進行再生，浸泡時間為5 h~8 h，然后用10%NaCl溶液進行再生，并將Cl-清洗到與進水Cl-含量接近為止。

2.1.3 操作方法

如果對交換器操作方法不當，會發生出合格軟水量少，再生周期短現象。人工操作鈉離子交換器主要在樹脂再生過程和溶鹽濃度變化影響交換器出水質量。全自動鈉離子交換器主要與設置出水量或時間大小有關，其次鹽的濃度和純度不夠。

預防措施：（1）樹脂再生容易發生偏流和錯層現象。在樹脂再生過程中，反洗時進水閥開度不宜過大，有小變大過程，將樹脂逐步浮起，減少樹脂層的結塊或堵塞，同時以排出水中無樹脂顆粒夾帶出去為度。反洗過程要保證進行到出水澄清為止。（2）再生過程中進再生液要將樹脂上部的殘水排除，防止該水稀釋再生鹽液濃度。其次再生液流經樹脂的時間要不低于40 min，一般在1 h，確保樹脂交換完全。（3）配制再生鹽液濃度盡量穩定在8%~10%范圍，配完后需用密度計或波美計測試。配制的水盡量使用軟水，可以提高樹脂交換容量，再生鹽應使用二級以上的工業食鹽（工業食鹽標準如表2）。

表2 工業食鹽等級標準

配鹽池盡量不用水泥池或鐵制容器，如果使用該類鹽池應采取防腐盡量避免再生液的污染。（4）全自動交換器設置再生時間或流量應定期試驗，找到合適的參數值，避免提前再生或滯后再生造成浪費，首次使用以原水硬度和樹脂交換容量來計算確定。一般在該值增減5 t上下浮動設定。使用后以化驗水質變化來修改該設定值，以求設備達到最佳運行狀態。

2.1.4 軟水蓄水箱

鍋爐軟水蓄水箱一般為鐵質，往往存在軟水被鐵離子污染，尤其鍋爐使用初期鍋水堿度上升較慢，排出水為暗紅色等現象。

預防措施：（1）對軟水蓄水箱做好防腐，定期化驗軟水箱中水質，發生變化后及時查看防腐層有無破損。（2）軟水箱中水量以滿足鍋爐使用即可，盡量使軟水不斷被鍋爐使用，減少存放時間。

2.2 影響交換器出水氯量的因素

影響交換器出水氯量的因素有：原水氯量升高和再生液被帶入軟水。

2.2.1 原水氯量升高

鍋爐使用的原水是自來水，水中含有氯量變化較大，最低值為85 mg/l，最高值165 mg/l，由于原水氯量升高造成鍋爐爐水氯量升高，按照原有鍋爐氯量排水控制值排污將會引起過度排污而浪費。

預防措施：要求經常性化驗原水氯量，發現變化明顯時要進行水質全分析，重新修訂鍋爐氯量排水控制值，以達到鍋爐安全經濟運行。

2.2.2 再生液被帶入軟水

手工再生時發生在淋洗過程，沒有將再生劑沖洗完全就出水。自動再生發生淋洗時間設定短也會造成再生液被帶入鍋爐，使爐水氯量超標嚴重，通過排污也降低不下來。

預防措施：手工再生時在對樹脂淋洗過程后化驗出水氯量，如果出水氯量值接近原水氯量即可出水，否則繼續淋洗。自動再生可將淋洗時間設定延長2 min~5 min即可，同時化驗出水氯量，直到與原水接近為止。

3 結束語

在安裝使用鈉離子交換器過程中，就應當遵循樹脂離子交換和再生原理特性，盡量消除設備本身存在的影響出水質量的不利因素。多年實踐證明：段對兩臺鍋爐水處理設備采取了軟水箱和管路防腐，使用高精度專用水處理再生鹽（NaCl含量≥99.2%），規范樹脂再生過程操作方法，增加再生出水時化驗原水和出水硬度、氯量關鍵指標，反復調試交換器運行參數等措施，明顯提高了鍋爐水質質量，使得鍋爐始終安全運行。