張得侖 張娟娟 劉道科

(金川集團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)生嚴重的結(jié)垢而導致生產(chǎn)無法進行，因此必須進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。

金川集團股份有限公司(以下簡稱金川集團)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，進入開式循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)，服務于生產(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械雜質(zhì)，然后進入離子交換器生產(chǎn)軟化水，生成的軟化水進入循環(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，當空氣經(jīng)開式噴淋冷卻塔與循環(huán)軟化水進行傳熱、傳質(zhì)時，空氣中的粉塵也進入循環(huán)冷卻軟化水系統(tǒng)。每年進入系統(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入循環(huán)軟化水系統(tǒng)后會發(fā)生式(1)～(4)化學反應，形成微酸性環(huán)境，使冷卻塔混凝土中部分Ca2+、Mg2+離子溶解進入循環(huán)水中。為保證水質(zhì)硬度指標，循環(huán)軟化水水池需要定期進行溢流排水，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、風化腐蝕，冷卻塔塔體混凝土腐蝕剝落后進入水池，在水池底部形成大量淤泥，導致微生物滋生并進入管網(wǎng)系統(tǒng)，進一步堵塞、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行傳熱、傳質(zhì)，利用少量水的汽化潛熱來達到循環(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。脫落的填料碎片進入循環(huán)軟化水水池，然后隨循環(huán)軟化水進入冷卻系統(tǒng)，造成爐體毛細管和設(shè)備冷卻通道堵塞，給系統(tǒng)安全運行帶來風險。

1.5 新水進入循環(huán)軟化水后硬度超標

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)生新水進入循環(huán)軟化水水池導致硬度超標事件的發(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行有效攔截，避免它們進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，改變吸水流向及標高，重新分布進水口的流態(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，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，化學性質(zhì)穩(wěn)定，更具有微孔吸附功能，可達納米級標準(4～500 nm)，孔道表面積可達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行浸泡再生、沖洗，就可以使樹脂恢復原有狀態(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致水質(zhì)超標，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)軟化水導入其中一臺離子交換器中進行再處理，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，向軟化器底部進水，對軟化器內(nèi)所有樹脂進行重新分層清洗。第二步為浸泡，即樹脂的再生過程，其化學反應過程如式(5)～(6)所示。如果反應過程不充分，樹脂再生不徹底，則會嚴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)軟化水導入離子交換器進行再處理的過程中，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)失效指標規(guī)定為進水和出水無濃度差，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，將軟化水硬度指標由120～140 μmol/L 升高至200 μmol/L，達到在維持設(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，降低了維護費用。

3)節(jié)省水資源。當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。

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)軟化水導入離子交換器進行再處理，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，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。