關鍵詞：自動軟化器,再生比耗,板式多路閥,氫鈉離子并聯水處理
摘要：詳細介紹了自動軟化器相對于傳統手工操作軟化器在降低能耗方面所具有的顯著優勢，同時分析了自動軟化器目前存在的一些不完善之處及其發展前景。
1 傳統手工操作軟化設備的弊病
在鍋爐水處理領域里，絕大部分單位采用離子交換方法，普遍存在著管理差、能耗高的問題，特別是中小型鍋爐房。
首先在水處理設備的購置選型上，多數單位是盡量選擇大尺寸軟化罐，以防止水處理量達不到要求。盡管這樣做可以完全滿足鍋爐用水量要求，但樹脂裝填量比實際要求大出4～5倍，每年破碎樹脂補充量多，鹽耗水耗電耗也比實際需要高出許多倍。
此外再生比耗高也是傳統手工操作設備很難克服的一個弊病。所謂再生比耗，就是實際鹽耗與理論鹽耗的比值；以NaCl再生劑為例，其理論鹽耗為58.5g/mol，即恢復樹脂1摩爾交換容量在理論上需要58.5克食鹽。實際鹽耗計算公式如下〔1〕：
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在許多鍋爐房中，再生劑的消耗量根本無人測量，其用量一般都是過量的。當然再生劑用量越多，樹脂再生程度也就越高，但從經濟角度考慮，只需要樹脂保持一定程度的再生水平就可以了，一般是最容易達到的再生水平，即只使樹脂的部分交換容量得到恢復。若單純地要求樹脂的再生水平，將樹脂的全部交換容量都恢復，則此時的鹽耗有可能是理論鹽耗的十幾倍，這是極不經濟的。
經勞動部門到北京地區一些鍋爐房進行抽樣檢測，其實際鹽耗均在150g/mol以上，再生比耗接近3，個別鍋爐房鹽耗達到400g/mol。不僅造成了原料鹽的極大浪費，而且由于所排放的再生廢液中鹽濃度高，對地下水源造成污染。此外，再生之前對樹脂的反洗操作和再生之后的置換清洗操作也完全憑操作人員的經驗來定，所以傳統手工操作水處理設備的正反洗和置換水耗量也往往超過理論耗量的數倍，造成水資源的大量浪費。
在離子交換樹脂的再生周期上，傳統手工操作設備的規范作法是通過定期(如每隔2小時)從軟化罐出口取水樣化驗一次，當發現水質硬度接近上限值時，立即切換備用罐，同時對失效罐進行再生。實際上當離子交換器出水硬度接近上限值時，還可以在臨界狀態下維持運行相當長的一段時間，保持出口水質硬度在合格范圍內。但由于傳統操作方式對水質硬度的監測是間斷性的，擔心不合格水進入鍋爐造成危害，所以就將尚能繼續運行的交換器提前進行再生。如一臺離子交換器的周期制水量可以達到120m3，卻往往只使用了80～90m3就提前對其進行再生，長此下去，必將造成各類能源的極大浪費。
2 自動軟化器在諸方面的優越性
自動軟化器于70年代末期就已在國外投入商業運行，90年以后開始進入我國。與傳統設備相比，自動軟化器的優越性能主要表現在以下幾方面。
首先外形尺寸和占有空間比同樣出力的傳統設備大大縮小。如生產能力同樣為40t/h的鈉型軟化設備，傳統設備的軟化罐單缸尺寸φ2500×6500mm，而自動軟化器單罐尺寸為φ1600×3500mm，其所占用空間是傳統設備的22%。由于軟化罐容積的縮小，樹脂充填量也大為縮小，每年的破碎樹脂補充量僅是傳統設備的16%。
自動軟化器在工藝流程上與傳統設備有很大區別。傳統設備的工藝流程如圖1，需要容積很大的溶鹽池，在溶鹽池內，鹽液濃度8%～10%，并須耐腐蝕性能良好的不銹鋼鹽泵，正反洗、置換清洗和正常操作運行均由罐體外部的管路閥門控制，不但管系復雜，因鹽液腐蝕等原因造成設備維修工作量大。
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自動軟化器工藝流程如圖2，用體積很小的塑料再生液儲罐(對于制水量在20～25t/h的自動軟化器，再生劑儲罐外形尺寸為φ800×1030mm)取代了傳統設備的龐大溶鹽池和不銹鋼鹽泵。再生劑儲罐內的鹽液濃度達25%，在板式多路閥中依靠水的射吸作用將儲罐中的鹽液帶入軟化罐，進入軟化罐中的鹽液濃度已被稀釋到8%左右。正反洗、進再生劑、置換清洗及正常交換運行等操作過程全部在軟化罐體內進行，省略了大量外管路閥門，外型極其簡單。板式多路閥與罐體內管路和過濾裝置等均為PVC材質或其它具有高度耐腐蝕性材質，可有效抵御鹽液侵蝕。
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1——板式多路閥 2——運行罐 3——備用罐 4——生水進口管 5——軟水出口管 6——廢液出口管 7——再生劑儲罐 8——體內過濾裝置
板式多路閥各通路均為電磁閥通斷控制，靠電磁力開啟和彈簧力關閉。該閥接受可編程控制器的各種指令信號并對不同的通路進行自動啟閉操作。
自動軟化器的實際鹽耗量是根據原水水質情況，經過現場反復調試及精確測算后取得最切合實際的周期制水量，將該周期制水量作為設定值輸入可編程控制器，由該控制系統實現自動運行。其控制過程如下：由安裝在交換器出口的孔板式流量計測算出水流量，并通過差壓變送器將流量信號轉變為0～10mA電流信號輸入可編程控制器，當所測定流量已達到事先設定的周期制水量值時，可編程控制器隨即發出指令，停止該罐運行，切換備用罐繼續運行，同時按編好的程序依次對失效罐進行反洗、進鹽、置換、正洗等各步操作。
由于自動軟化器的進鹽量、置換清洗及正反洗用水流量等均按事先編好的程序進行精確控制，可將再生鹽耗、水耗降至最低，接近于理論耗量；如一臺逆流再生定量型自動軟化器，其實際鹽耗僅為60g/mol左右，再生比耗僅為1.05～1.10。
下面僅舉一例進行說明。我公司初軋廠加熱爐兩臺汽化冷卻余熱鍋爐滿負荷運行時，耗水量為22t/h，給水硬度≤0.03mmol/L。原水硬度較高，為8mmol/L。以往采用一套傳統型單級逆流再生固定床式雙罐鈉離子交換器，1997年引進北京泰克尼公司的一套TA-800QF2定量型自動軟化器，諸項性能比較如表1。
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經過兩年來的認真核算，平均每年降低運行成本53萬元，投運僅半年即可收回全部改造投資。
3 自動軟化器不足之處及其發展前景
早期的自動軟化器為定時型即時間周期型自動軟化器，由調試人員根據原水硬度情況和用水負荷情況調整好再生時間周期，然后由定時器進行控制。實踐表明此類自動軟化器的使用范圍非常有限，僅適用于負荷一成不變的情況。而絕大多數蒸汽鍋爐的負荷均處在時刻變化之中，有時甚至是大幅度變化。此時定時型自動軟化器的再生不是超前就是滯后。
盡管定量型自動軟化器是目前的主要形式，且能夠適應鍋爐負荷變化，但當原水硬度發生變化時，定量型就可能像定時型那樣出現再生超前或滯后。使用地表水時，其硬度值是不穩定的；而使用地下水或自來水作原水時，其水質硬度一般來說還算穩定，但有時也會出現變化。所以使用定量型自動軟化器的單位，每天必須取原水水樣化驗一次，以便根據原水硬度變化情況隨時調整周期制水量。
定性型自動軟化器目前尚處于試驗階段，沒有投放市場。其主要工作過程是依靠安裝在軟化罐出口處的電極探頭對軟化罐出口水質進行在線連續自動監測，將水質硬度信號隨時送可編程系統。當水質硬度達到上限值時，可編程控制器立即發出指令切換備用罐，同時對失效罐進行再生。它完全克服了定量型及定時型自動軟化器因負荷與原水水質變化而出現的再生不足或再生過量的弱點，總能將再生周期控制得恰到好處，是一種理想的自動軟化器型式。
定性型自動軟化器之所以至今還沒有成為定型產品被投放市場，原因是它的關鍵技術電極探頭尚未過關。
因為鈣鎂鹽類僅是總含鹽量中的一部分，簡單的電極探頭僅能根據溶液電導率測試其總含鹽量，不能對鈣鎂鹽類進行選擇性測試。盡管目前已有數字式水質硬度計投放市場，但該類硬度測試還是離線間斷型測試。
目前國內所有在用的自動軟化器均為鈉型軟化器，而原水在經過單純鈉型軟化后，盡管去除了鈣鎂離子復合硬度，但堿度絲毫沒有降低，含鹽量還較原水有所增加〔2〕。這樣的給水進入鍋爐后，經過蒸發濃縮，其堿度和含鹽量將達到相當高的程度，易產生汽水共騰，惡化蒸汽品質，為了降低鍋爐水堿度和含鹽量，必須加大鍋爐排污量，從而造成熱能的大量浪費。
所以使用原水堿度≥5mmol/L的蒸汽鍋爐或蒸發量≥20t/h的蒸汽鍋爐，為了達到減少排污量，節約熱能的目的，不能采用單純鈉型軟化水處理形式，而要采用氫鈉離子并聯式水處理形式。
由于工藝流程復雜，自動軟化器目前還沒有氫鈉離子并聯水處理形式，而僅為單純鈉型軟化形式，這就限制了自動軟化器的使用范圍，使它不適合于原水堿度高的地區或大容量鍋爐。在上述領域內，水處理裝置仍為傳統手工操作設備。將自動軟化技術引入氫鈉離子并聯水處理領域有著巨大的節能潛力，盡管目前實現這一目標有一定的難度，但隨著不斷的科技進步，這些困難必將會被克服。
此外，由于自動軟化器的控制系統采用微機，而其切換、運行、再生及清洗置換等具體操作采用板式多路閥，目前上述備品備件均為進口，國產備件尚未過關。所以全套自動軟化設備的價格比同樣生產能力的傳統手工設備要高5～7倍，致使許多單位從初投資角度考慮，仍然選擇傳統手工操作設備，但隨著進口備件國產化和微機的迅速普及，自動軟化器的價格也將降下來。
4 結論
由于自動軟化器技術具有體積小，占地少，樹脂和鹽消耗量低、節約能源等優點，加之技術的不斷完善，各類功能不斷齊全，更加適合于各類復雜條件下的軟化水處理作業。
盡管自動軟化器技術作為新生事物，還存在一些不成熟和不完善之處，但從其發展普及速度和巨大的節能功效來看，21世紀水處理領域必將是自動軟化器的天下。
參考文獻
［1］王春蓮.鍋爐水處理技術培訓考核問答.北京：北京市勞動局，1997
［2］許興煒.低壓鍋爐水處理技術.北京：中國勞動出版社，1991作者：李元章 來源：谷騰水網
