張得侖 張娟娟 劉道科

(金川集團(tuán)股份有限公司動力廠,甘肅 金昌 737100)

0 前言

現(xiàn)代化大型冶金工業(yè)生產(chǎn)中，大量循環(huán)使用的高品質(zhì)水作為冷媒。由于地區(qū)差異，中國西北地區(qū)原水硬度一般超過3 500 μmol/L，大約是中國南方地區(qū)原水硬度的15 倍。這種未經(jīng)處理的原水直接用于設(shè)備冷卻會產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)垢而導(dǎo)致生產(chǎn)無法進(jìn)行，因此必須進(jìn)行硬度降低處理或添加阻垢劑增大濃縮倍率后才能將其用作工業(yè)設(shè)備冷卻水。

金川集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱金川集團(tuán))是鎳、鈷、銅重要的生產(chǎn)基地，其大型冶金爐窯關(guān)鍵設(shè)備采用冷卻水來降溫[1]，對高品質(zhì)軟化水的需求量很大。金川集團(tuán)配備了大量的軟化水處理工藝系統(tǒng)。原水經(jīng)過陽離子交換樹脂去除其大部分Ca2+、Mg2+離子后，進(jìn)入開式循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)，服務(wù)于生產(chǎn)。這種水處理工藝解決了生產(chǎn)需求，但也帶來了一些不足，如消耗大量工業(yè)鹽資源、排放高鹽廢水，環(huán)境保護(hù)壓力大。此外，中國西北地區(qū)空氣含塵量較高，對開式結(jié)構(gòu)冷卻水系統(tǒng)會形成二次污染，堵塞和腐蝕冷卻設(shè)備。

因此，提高西北地區(qū)工業(yè)冷卻淡水資源利用率，提升冷卻軟化水品質(zhì)，改善設(shè)備冷卻環(huán)境，保證設(shè)備運行效率，對現(xiàn)代化企業(yè)提質(zhì)增效具有重要的意義。

1 循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)存在問題

循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)生產(chǎn)過程如圖1 所示。新水首先通過新水過濾器去除機(jī)械雜質(zhì)，然后進(jìn)入離子交換器生產(chǎn)軟化水，生成的軟化水進(jìn)入循環(huán)軟化水水池，通過水泵送至需要冷卻的設(shè)備；設(shè)備冷卻后，熱的冷卻水回到冷卻塔降溫，然后回到軟化水水池。目前循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)存在以下所述問題。

圖1 舊冷卻循環(huán)軟化水系統(tǒng)示意圖

1.1 空氣中含塵量的影響

由于西北地區(qū)及廠區(qū)空氣中的含塵量較大，當(dāng)空氣經(jīng)開式噴淋冷卻塔與循環(huán)軟化水進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)時，空氣中的粉塵也進(jìn)入循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)。每年進(jìn)入系統(tǒng)的污物超過30 t，水的濁度上升至15～30 NTU，懸浮污物在水流緩慢的地方沉降，造成設(shè)備換熱器污堵，爐體及設(shè)備運行效率降低，提前失效而進(jìn)入檢修周期。

1.2 Ca2+、Mg2+離子濃縮造成循環(huán)軟化水硬度升高

循環(huán)軟化水在降溫冷卻過程中被汽化蒸發(fā)，從而導(dǎo)致水池中Ca2+、Mg2+離子濃縮。此外，廠區(qū)空氣中的SO2與Cl2等酸性腐蝕氣體通過開式冷卻塔進(jìn)入循環(huán)軟化水系統(tǒng)后會發(fā)生式(1)～(4)化學(xué)反應(yīng)，形成微酸性環(huán)境，使冷卻塔混凝土中部分Ca2+、Mg2+離子溶解進(jìn)入循環(huán)水中。為保證水質(zhì)硬度指標(biāo)，循環(huán)軟化水水池需要定期進(jìn)行溢流排水，從而造成水資源消耗的加劇，樹脂磨損、再生用鹽的大量浪費以及高鹽廢水排放量的大幅上升。

1.3 冷卻塔塔體混凝土腐蝕剝落

由于冬季凍蝕、風(fēng)化腐蝕，冷卻塔塔體混凝土腐蝕剝落后進(jìn)入水池，在水池底部形成大量淤泥，導(dǎo)致微生物滋生并進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)一步堵塞、腐蝕管網(wǎng)系統(tǒng)，對管網(wǎng)、換熱器及冷卻管束造成點蝕，大幅度縮減了其使用壽命，增加檢修維護(hù)成本。

1.4 冷卻塔填料存在破損、老化

冷卻塔的作用是將交換廢熱后的軟化水與空氣進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)，利用少量水的汽化潛熱來達(dá)到循環(huán)水降溫的目的，而冷卻塔填料的作用是增加水與空氣傳熱、傳質(zhì)的面積，其主要制作材料是改性聚氯乙烯(PVC)或聚丙烯(PP)。這些材料在系統(tǒng)運行過程中存在破損、老化等問題。脫落的填料碎片進(jìn)入循環(huán)軟化水水池，然后隨循環(huán)軟化水進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，造成爐體毛細(xì)管和設(shè)備冷卻通道堵塞，給系統(tǒng)安全運行帶來風(fēng)險。

1.5 新水進(jìn)入循環(huán)軟化水后硬度超標(biāo)

循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)為設(shè)備提供冷卻水時，一般設(shè)有原水接口，保證軟化水供應(yīng)系統(tǒng)檢修或故障狀態(tài)下的臨時冷卻用水。在長期運行過程，由于用戶端的誤操作或閥門的泄漏，經(jīng)常發(fā)生新水進(jìn)入循環(huán)軟化水水池導(dǎo)致硬度超標(biāo)事件的發(fā)生。為保證軟化水硬度在設(shè)計范圍內(nèi)，不得不在一段時間內(nèi)大量排水置換，加劇了水資源和再生用鹽的消耗，加重了高鹽廢水的處理負(fù)荷。

1.6 樹脂工作臨界點無法確定

為了保證循環(huán)軟化水硬度，通常設(shè)定離子交換器失效硬度指標(biāo)為30 μmol/L，而循環(huán)軟化水硬度要保持低于175 μmol/L。這種設(shè)定會導(dǎo)致樹脂未得到充分利用，存在樹脂磨損、鹽耗增加和使用壽命降低等問題。但若不這樣限定，要控制循環(huán)軟化水硬度，又非人力所能為。

2 提升循環(huán)軟化水品質(zhì)的措施

針對上述循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題，通過工藝集成創(chuàng)新與綜合治理，采取以下措施提升冷卻循環(huán)軟化水品質(zhì)。

2.1 冷卻塔水池水泵入水口的防護(hù)處理

重新設(shè)計過濾網(wǎng)，在原1 目不銹鋼過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了一層10 目不銹鋼過濾網(wǎng)，同時將其長度擴(kuò)大一倍。兩層雜物捕集裝置可以有效捕獲2 mm 以上的雜物。

由于水壓的影響，雜物捕集裝置與池壁接觸處容易產(chǎn)生張口變形和漏洞。因此，在池壁接觸處采用∠40 不銹鋼角鋼與防護(hù)罩形成可滑動壓板，將水池中的填料、樹葉、大顆粒石子等雜物進(jìn)行有效攔截，避免它們進(jìn)入水池堵塞冷卻水循環(huán)通道。

2.2 水池底部淤積雜物及泥沙的攔截

冷卻塔塔體表面腐蝕剝落的混凝土及空氣中的重質(zhì)粉塵在水池底部沉積，形成大量淤積雜物及泥沙。因此，在冷卻塔水池底部入水口周圍預(yù)制高度為150～200 mm 的擋泥臺或擋泥板；同時在吸水彎管上部開口，改變吸水流向及標(biāo)高，重新分布進(jìn)水口的流態(tài)，利用不同區(qū)域水流速的不同和自然沉降過程，攔截90%以上的混凝土腐蝕剝離物及重質(zhì)粉塵，避免它們隨循環(huán)水進(jìn)入設(shè)備冷卻器內(nèi)形成沉積泥垢，腐蝕冷卻設(shè)備或直接堵塞冷卻水循環(huán)通道。

2.3 軟化水的再處理與離子交換器工藝創(chuàng)新

采用上述兩項措施后，水中大于0.1 mm 的重質(zhì)雜物和大于2 mm 的輕質(zhì)漂浮物都可以有效去除，但小于0.1 mm 的輕質(zhì)懸浮雜物還是無法去除，水的濁度仍然較高。

為了改變這種現(xiàn)狀，從投資小、改造簡單有效的思路出發(fā)，重新研究離子交換器的工作原理。

陽離子交換樹脂是帶有交換離子的活性基團(tuán)，具有耐酸、耐堿的特性，其直徑為0.3～1.2 mm，是一種由球形顆粒組成的多孔高分子化合物，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2]如圖2 所示。

圖2 陽離子交換樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

陽離子交換樹脂的堆積層是完美的沙濾模型，且粒徑均勻，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，更具有微孔吸附功能，可達(dá)納米級標(biāo)準(zhǔn)(4～500 nm)，孔道表面積可達(dá)1 000 m2/g。對于小顆粒懸浮物而言，陽離子交換樹脂是絕佳的吸附過濾材料。用電解質(zhì)NaCl 對陽離子交換樹脂進(jìn)行浸泡再生、沖洗，就可以使樹脂恢復(fù)原有狀態(tài)，實現(xiàn)周期循環(huán)利用。

2.3.1 循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)生產(chǎn)工藝優(yōu)化

循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)工藝過程中有兩個階段會造成水資源的大量消耗：一是冷卻塔降溫過程中大量熱冷卻導(dǎo)致軟化水汽化蒸發(fā)；二是因冷卻水蒸發(fā)濃縮或用戶端新水混入導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)，大量排污產(chǎn)生的消耗。

根據(jù)陽離子交換樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性，利用離子交換樹脂微孔吸附功能及層疊過濾原理，改單級軟化為“竄級”軟化，安裝管道，將一部分循環(huán)軟化水導(dǎo)入其中一臺離子交換器中進(jìn)行再處理，實現(xiàn)低Ca2+、Mg2+離子條件下的再吸附置換，以及軟化水中的懸浮微粒吸附與過濾。新的循環(huán)冷卻軟化水生產(chǎn)工藝流程如圖3 所示。

圖3 新冷卻循環(huán)軟化水系統(tǒng)示意圖

從圖3 可看出，將一部分循環(huán)軟化水旁通導(dǎo)入離子交換器后，由于取消了水池水質(zhì)不合格排污出口，只保留冷卻塔降溫時的水蒸發(fā)消耗與離子交換器再生時水資源的消耗兩個必要出口，水損失可以大幅度降低，離子交換樹脂的再生頻次減少，產(chǎn)生的高鹽水也相應(yīng)減少。

2.3.2 離子交換器工藝優(yōu)化

離子交換樹脂再生的第一步是反洗，反洗分為小反洗與大反洗。小反洗是打開小反洗閥，通過軟化器中排進(jìn)水，沖洗中排以上的樹脂表面；大反洗是打開大反洗閥，向軟化器底部進(jìn)水，對軟化器內(nèi)所有樹脂進(jìn)行重新分層清洗。第二步為浸泡，即樹脂的再生過程，其化學(xué)反應(yīng)過程如式(5)～(6)所示。如果反應(yīng)過程不充分，樹脂再生不徹底，則會嚴(yán)重影響單臺軟化器的制水能力。第三步是水自上而下通過樹脂層，將置換液中生成的Ca2+、Mg2+、Cl-及殘存的少量Na+清洗干凈[3]，然后徹底排放。當(dāng)排水pH值約為7.5 時，正洗結(jié)束，樹脂再生完畢。

改造軟化水生產(chǎn)設(shè)備形成新的冷卻循環(huán)水生產(chǎn)工藝流程后，對離子交換器工藝優(yōu)化。將旁濾循環(huán)軟化水導(dǎo)入離子交換器進(jìn)行再處理的過程中，軟化水中的懸浮物不僅會堵塞離子交換樹脂層中的孔隙，增大其水流阻力與運行壓降，也會覆蓋樹脂顆粒的表面，降低樹脂的交換容量。因此為了清除積聚在樹脂層中的懸浮物，采用“N 次小反洗+1 次大反洗”的先進(jìn)工藝操作方法，及時清洗樹脂吸附的微塵，降低循環(huán)水系統(tǒng)的雜質(zhì)含量。

2.3.3 陽離子交換樹脂處理臨界點的研究

如何確定離子交換樹脂到達(dá)再生處理階段，是整個改造后軟化水再處理工藝的難點。經(jīng)過多次試驗分析，通過檢測軟化水再處理工藝后與入口處的Ca2+、Mg2+離子濃度差，完美解決了軟化水離子交換樹脂處理臨界點把握不準(zhǔn)的問題，提高了樹脂處理效率，降低了樹脂再生時的鹽消耗。

具體操作如下：1)將原水離子交換樹脂失效的硬度指標(biāo)從30 μmol/L 提升至500 μmol/L 左右，從而提高離子交換樹脂水處理能力約25%；軟化水再處理系統(tǒng)失效指標(biāo)規(guī)定為進(jìn)水和出水無濃度差，且硬度約為200 μmol/L；2)再利用軟水再處理系統(tǒng)去除混入軟化水系統(tǒng)的硬度為500 μmol/L 軟水中的Ca2+、Mg2+離子，保持水硬度在200 μmol/L 左右，減緩原來硬度控制過低導(dǎo)致的軟水腐蝕問題，同時在維持設(shè)備污垢系數(shù)穩(wěn)定的條件下，達(dá)到換熱、結(jié)垢與腐蝕的平衡。

3 實施效果

1)實現(xiàn)循環(huán)冷卻軟化水的換熱、結(jié)垢和腐蝕的平衡。改造軟化水生產(chǎn)工藝，優(yōu)化離子交換器工藝后，在離子交換器中通入軟化水，陽離子交換樹脂吸附軟化水中濃縮的Ca2+、Mg2+離子，將軟化水硬度指標(biāo)由120～140 μmol/L 升高至200 μmol/L，達(dá)到在維持設(shè)備污垢系數(shù)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)換熱、結(jié)垢與腐蝕的平衡，鹽耗更少，綜合經(jīng)濟(jì)性更高。

2)降低循環(huán)冷卻軟化水濁度。通過技術(shù)改造將軟化水通入離子交換器，軟化水中的大量懸浮物或帶負(fù)電膠體被樹脂吸附及過濾，軟化水的濁度由改造前的約15 NTU 降低為約1.0 NTU，達(dá)到了飲用水的級別。同時離子交換器對微生物的吸附排出也發(fā)揮了作用，降低了污垢系數(shù)，提高設(shè)備冷卻系統(tǒng)的換熱效率，滿足設(shè)備使用周期的要求，降低了維護(hù)費用。

3)節(jié)省水資源。當(dāng)用戶端混入高硬度新水時，不再需要通過大量排水來降低總體硬度，只需通過該工藝流程就可以吸附掉多余的Ca2+、Mg2+離子，從而避免溢流排水造成的水資源浪費。

4)最大化樹脂交換潛力，提升軟水再處理能力。變革單級水處理工藝，創(chuàng)新采用“竄級”水處理工藝，完美解決軟水樹脂處理臨界點把握不準(zhǔn)的問題，提高了樹脂處理效率，降低了樹脂再生時的鹽消耗。由于準(zhǔn)確把握了樹脂交換臨界點，將軟化水再處理能力輕松提升至新水處理能力的40～50 倍，且省去了Ca2+、Mg2+離子濃縮導(dǎo)致的溢流排放操作，將水硬度保持在合理范圍，簡化運行維護(hù)。

5)減輕高鹽廢水處理壓力。改造后，不再溢流排污，軟化水的制作量減少，不僅節(jié)約鹽消耗量，而且減輕了下游高鹽廢水處理單位的生產(chǎn)壓力。

4 結(jié)束語

對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備、工藝及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改造，利用離子交換樹脂的微孔吸附功能及層疊過濾原理，將循環(huán)軟化水導(dǎo)入離子交換器進(jìn)行再處理，實現(xiàn)了低Ca2+、Mg2+離子濃度條件下的再吸附置換，以及軟化水中懸浮微粒膠體、微生物的吸附與過濾。該技術(shù)的推廣運行效果良好，有效地平衡了換熱、結(jié)垢與腐蝕三者的關(guān)系，降低了軟化水濁度控制指標(biāo)，大幅度消減排水操作，節(jié)約了寶貴的水資源，減輕了高鹽廢水的處理壓力。