[导读] 在锅炉水处理工作中，离子交换器的交换、再生、反洗等所有水处理流速，均应由安装在软化罐外垂直管段上的玻璃转子流量计来确定。通过分析各类水处理流速的重要性及列举实例，说明了安装玻璃转子流量计的必要性，它将有助于克服目前中小型锅炉房普遍存在的盲目操作，不计水处理运行成本的现状，为节能降耗贡献一份力量。
1 引言
在水处理检测过程中发现，许多锅炉房，特别是广大中小型锅炉房对其水处理操作人员无软化水成本考核指标，未制定严格的管理制度，仅以能制备优质软化水一项指标为度，造成不惜成本、严重浪费食盐和水的现象。
对锅炉水处理的经济核算，主要是针对在水处理过程中，对消耗的再生剂用量的核算。通常称再生剂的耗量是指：能使水处理设备中的交换剂恢复1mol 的交换能力所消耗的再生剂的量。对于钠离子交换器来说，离子交换器中树脂的再生剂为食盐，因此，再生时所用的食盐的数量，就称为盐耗。一般来说，制出相同量的合格软化水，盐耗越低，就越经济。然而有时也会出现盐耗虽然较低，但由于再生不充分，树脂得不到充分利用，制水周期较短，再生较频繁，从而出现自耗水量较大的现象，影响了树脂的使用寿命。因此，再生剂的耗量，是一项很重要的经济指标。经济核算应将再生盐耗与树脂的工作交换容量二者结合起来，在保持较高的树脂工作交换容量的前提下，尽量降低再生盐耗。而要做好上述工作，则几乎完全依赖安装在离子交换器外部水处理管路上的玻璃转子流量计。
2 玻璃转子流量计的作用
首先应明确一个前提，玻璃转子流量计到底是干什么的。它是用来显示水的瞬时流量的，其显示单位为“m3/h”。在透明的玻璃锥管内，浮子的上标所对应的锥管刻度线上具体位置即水的瞬时流量值，用该瞬时流量值除以离子交换器的内截面积即水流速。如1台内径为Φ1500mm的单级逆钠交换器，其内截面积为A=1.766m2，当其处于正常交换运行时，罐外垂直管段上的玻璃转子流量计所显示的瞬时流量为70m3/h，则其交换运行流速V＝40m/h。玻璃转子流量计的作用，就是要确定1台离子交换器的各类水处理流速。而为什么要确定水处理流速，它对水处理运行的重要究竟如何？下面来详细进行分析。
3 各类水处理流速的重要意义
3.1 交换流速
原水通过树脂层的交换流速，很大程度上决定了交换过程的“量”，即单位面积上出水量的大小。影响交换流速的因素是很多的，如：
①原水水质，在相同的交换流速下，原水水质的好坏，对出水质量的影响是很大的，如表1。
表1 原水水质对出水质量的影响
原水总硬度(mmoL/L)
交换流速(m/h)
出水残硬(mmoL/L)
4.5
40.0
0.02
12.0
40.0
0.08
注：在处理上述两种不同硬度的原水时，所使用的钠离子交换设备、再生剂浓度、树脂层高都相同。
根据表1，对不同的原水水质应选择不同的交换流速才能达到合格的出水残硬。
②设备类型对交换流速的要求：对于逆流再生和浮床式交换器来说，其树脂的保护层质量好，所允许的交换流速就比顺流再生固定床离子交换器大一些。
另外，值得注意的是交换流速对树脂工作交换容量的影响。如果交换流速在一定范围内选择时，对树脂的工作交换容量并没有什么显著的影响；但如果流速继续提高，就会导致树脂工作交换容量降低。一般认为交换流速超过一定范围以后，每增加10m/h的流速，树脂的工作交换容量降低约15%。而且流速过大的时候，树脂层的压头损失也要相应增大。总之，在生产中掌握以上规律，能够在保证出水质量和较高的树脂工作交换容量前提下，优选出最合理的工作交换流速。
3.2 反洗流速
离子交换树脂在交换过程结束后，为了保证再生过程的顺利进行，需要对树脂层进行反冲洗操作，反洗起物理作用，目的为：
① 使树脂松弛、膨胀和重新调整。这样可以使以后的再生和交换流速更均匀。
② 在交换过程中，残留在树脂层上部的原水污物和破碎树脂可以被反洗出去，防止悬浮物等杂质对树脂的封闭、污染而影响树脂工作交换容量的发挥，并能减少以后交换过程中的压力损失。
③ 使树脂层上部分布成带的离子交换树脂可以在整个树脂层中得到较充分的混合。
反洗用水的水温可控制在20℃左右，树脂膨胀程度与反洗流速的关系见图1。
一般情况下，反洗树脂时，可以用自来水或水质较好的原水冲洗。反洗过程中，采用比较强烈的短时间的反洗，比长时间的缓慢的反洗来得有效。然而要注意的是，对采用石英砂垫层的固定床，不易采用过分强烈的反冲洗，以防止将石英砂垫层冲起，从而打乱石英砂垫层的级配。一般反洗流速控制在10～20m/h之间，最高不得超过25m/h，流速由低到高，当树脂层经冲洗已经膨胀后，就可以适当降低反洗流速。随着反洗流速的增加，树脂层将膨胀至原高的1.5～1.6倍，树脂层膨胀后，反洗排水清晰即为反洗终点。一般反洗过程如无特殊要求，约需1刻钟左右。
3.3 再生流速
再生流速主要决定树脂的再生程度，其关系见表2。
表2 再生流速与树脂再生程度的关系
再生流速(m/h)
13.3
5.5
3.9
2.5
1.5
再生程度(%)
50.1
80.1
90.3
96.3
99.4
注：上述5次试验，均是在相同的设备和用7%浓度盐水再生剂的条件下进行的。
一般来说，树脂的交换过程取决于滞留膜扩散，而其再生过程则取决于非常困难的内扩散，从而大大延长了树脂的再生时间。当然再生流速最终体现在再生剂和树脂的接触时间上。例如，对苯乙烯系磺酸基阳离子交换树脂，其交换接触时间仅30秒左右就可以满足要求，而再生接触时间为45分钟以上。这样再生流速就必然要比交换流速慢得多。但如果再生剂中杂质浓度很高，再以低流速去再生树脂就不合适了。海水作再生剂时，对树脂的再生流速就比食盐水高得多。另外降低再生流速不能是无限制的，低到一定程度，非但不能起到好的作用，当再生剂中已出现大量的反离子时，还可能出现再生的逆反应。
同时，优选出最佳的再生流速，可使得在确保出水残硬不超标的前提下，使再生盐耗降至最低，甚至接近理论盐耗58.5g/moL。
根据经验，对于浮床式钠离子交换器，当再生剂的NaCL浓度为7%时，再生流速可控制在2m/h左右；而对于逆流再生固定床式钠离子交换器，同样使用7%浓度的Nacl再生剂，再生流速可控制在1.5m/h。只有这样，才能使树脂达到最高的再生程度，盐耗降至最低，同时，又不会出现再生的逆反应。
3.4 对于各类水处理流速的调整过程试验
单级钠离子交换水处理设备的调整过程比较简单，可以按交换、反洗、再生、置换和清洗等5个过程分别进行。
交换过程中，主要是在固定其它的试验条件下，根据原水水质和设备的特点，优选出最合理的交换流速，以保证在高质量的情况下取得高效率。
反洗过程中，主要试验出使树脂膨胀到规定高度同时以不打乱石英砂滤层级配的反洗流速即反洗强度。
再生过程中，由于影响再生过程的因素比较多，试 验起来也比较复杂。应抓住影响再生效果的主要因素 即再生盐耗、浓度和流速分别进行试验。固定其中两 个因素，试验另一个因素与树脂工作交换容量的关系， 分别优选出最合理的盐耗（g/moL）、再生剂浓度（%）和流速（m/h）。保证在树脂恢复一定程度工作交换容量的情况下，取得最经济的再生条件。
置换及清洗过程中，主要是要试验出置换过程的时间，以及清洗水量、流速和质量的关系，优选出经济合理的置换及清洗流速。
设备调试过程中，其主要运行参数如出水残硬、树脂工作交换容量、周期制水量等均达到设计要求时，即可投入生产。
4 玻璃转子流量计的安装使用要求
前已述及，对于一般钠离子交换器，必须经过反复推敲，优选出最合理的交换、再生、反洗、置换和清洗流速，以达到经济合理运行之目的。而确定上述各类水处理流速则完全依赖玻璃转子流量计，所以必须正确地安装和使用玻璃转子流量计。
玻璃转子流量计主要由锥管、浮子、与管路相连接的上下基座、上下层压紧密封盖和上下止挡所组成，结构形式见图2。
其工作原理为在垂直的透明锥管内，装有可上下移动的浮子（转子）。当流体自下而上流经锥管时，被浮子节流，在浮子上下游之间产生压差，浮子在此压差作用下上升。当使浮子上升的力与浮子的重力、浮力及粘性力三者的合力相等时，浮子处于平衡位置，因此流经玻璃转子流量计的流体流量与浮子的上升高度，亦即与流量计的流通面积之间存在着一定的比例关系。
流经流量计的流体流量由下式计算[3]：
式中 Q ——容积流量，m3/h；
α ——流量计的流量系数；
ε ——流量计的膨胀系数；
g ——重力加速度，g＝9.8m/s2；
△F——流量计的流通面积，m2；
Vf ——锥体内浮子体积，m3；
ρ ——流量计浮子上游横截面上被测介质的密度，kg/m3；
ρf ——流量计浮子材料的密度，kg/m3；
Ff ——流量计浮子横截面积，m2。
该玻璃转子流量计可耐酸碱腐蚀，平时依靠装在其下游即流量计上方的针型调节阀来调节流量。流量计必须垂直安装，流量计中心线与铅垂线的夹角不得超过5°。水流方向应从流量计的下部进入，上部流出。流量计下部即上游应安装控制阀门。流量计使用时，先缓慢开启上游阀门直至全开，然后再用下游的针型调节阀调节流量即流速。流量计停止工作时，应缓慢关闭流量计上游的控制阀门。对于进入流量计的水质要求：首先应确保水中各类悬浮物含量≤5mg/L，这就要求应在流量计上游安装过滤装置。流经流量计的水温应≤80℃，所以凡是与流量计连接的管路不得连接蒸汽管路，以免烫坏流量计。
5 具体应用实例
特钢650工段汽化冷却余热锅炉房水处理间使用两个Φ1500mm逆钠交换器，一备一用。1999年以前，从未测试过实际盐耗和树脂的实际工作交换容量，只要保证出水硬度合格就行。该水处理间平均年产合格软化水16万吨，每年耗工业用盐2300吨。并且由于频繁再生，向地沟排放大量高浓度废液，不仅对周边环境造成严重污染，而且使得所用地下水的硬度和含盐量逐年提高，水处理设备再生周期逐年缩短，形成恶性循环。
1999年夏季，在首钢总公司能源管理部门的督促指导下，每台逆钠交换器均在其再生废液出口和软化水出口管路上安装了玻璃转子流量计；安装后才发现，以往凭借所谓经验进行盲目操作时，交换流速高达60m/h，再生流速达4m/h，使得树脂的实际工作交换容量仅有570mol/m3，实际再生程度也仅有70%，实际盐耗却高达130g/mol。后经现场反复调试，在确保出水硬度合格的前提下，将交换流速调到35m/h，再生流速调到1.7m/h，此时再进行测试，树脂的实际工作交换容量达到970mol/m3，再生程度达到95%，盐耗降至72g/mol。
1999年7月中旬至2000年7月中旬这1年内，经统计，在周期制水量和出水硬度相同的情况下，实际用盐量比过去下降了27%，年平均节省工业用盐620吨，按其价格350元/t 计算，每年可降低水处理运行成本21.5万元，同时也大大减轻了由于排放再生废液而对地下水源的污染程度。
6 结论
在水处理运行中，必须根据实际情况，找出最适宜的各类水处理流速（交换、反洗、再生流速等）并严格按其操作，才能确保在出水质量合格的前提下，将水处理运行成本降至最低限度，达到经济合理运行之目的。
目前在我国有近90%的中小型锅炉房水处理设备上，没有安装玻璃转子流量计，并且单级钠离子交换器设备生产厂家在其设备出厂时，也基本未配备玻璃转子流量计，这是很不合理的，它使得各类水处理运行流速的调整根本无从谈起，水处理化验工在进行盲目操作，无法进行水处理运行经济成本核算工作。更有甚者，由于无法调节再生流速，目前国内有许多中小型锅炉房的水处理操作工，还在采用早已被禁止使用的浸泡式再生法，使得再生反应很快达到动态平衡，树脂转型不彻底，食盐利用率很低，盐耗可达理论盐耗的3～4倍，而周期制水量仅为正常操作的60%，造成极大的浪费。
总之，上述作法仍属于以往计划经济体制下的粗放式管理模式，在国内目前中小型锅炉房水处理运行方面，存在着十分巨大的节能降耗潜力。我们应该大力推广应用玻璃转子流量计，将目前的水处理运行方式，由粗放型改为集约型，从整体上提高广大水处理运行管理及操作者的素质和节能意识。