離子交換器的維護(hù)

尚立光，王 寧，李 紅，李曉娜，程紅偉

（長(zhǎng)慶油田公司第一采油廠，陜西 延安 716000）

安塞油田工業(yè)鍋爐給水軟化工藝普遍采用逆流再生浮動(dòng)床鈉離子交換器，該裝置是在吸收國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制出的適合我國(guó)西部地區(qū)不同水質(zhì)使用條件下的軟化水裝置。設(shè)備使用過程中出現(xiàn)離子交換樹脂的性能衰減過快、出口水質(zhì)波動(dòng)大、裝置長(zhǎng)期停運(yùn)后水質(zhì)軟化能力下降等問題，導(dǎo)致頻繁更換樹脂，大大提高了鍋爐用水軟化成本。

一、鈉離子交換器工作原理

鈉離子軟化法是利用離子交換劑中的鈉離子置換出水中的鈣、鎂離子，既可以除去水中的暫時(shí)硬度，又可以除去永久硬度。鈉離子交換器運(yùn)行一段時(shí)間后，交換劑置換鈣、鎂離子達(dá)到飽和后，就失去軟化作用，如果需要繼續(xù)使用，必須經(jīng)過再生（還原）處理。處理方法是將5%～8%濃度的食鹽溶液再生劑輸入到交換器，利用食鹽溶液中的鈉離子把交換劑中的鈣、鎂離子置換出來。再生時(shí)形成的氯化鈣和氯化鎂為溶解性鹽類，可用水沖洗除去，從而恢復(fù)交換劑的軟化能力。LHZR系列全自動(dòng)鈉離子交換器所用樹脂型號(hào)為001×7(732)強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹脂，它是在苯乙烯—二乙烯苯共聚交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子基體上帶有磺酸基 (—SO3H)的離子交換樹脂，其酸性相當(dāng)硫酸、鹽酸等無機(jī)酸，它在堿性、中性，甚至酸介質(zhì)中都顯示離子交換功能，本產(chǎn)品具有交換容量高、交換速度快、機(jī)械強(qiáng)度好等特點(diǎn)，化學(xué)反應(yīng)式如下（Mg鹽相同）。

鈉離子交換器（見圖1）由交換柱、鹽液和控制系統(tǒng)三部分組成。交換系統(tǒng)大多由兩個(gè) (或兩組)交換柱組成；鹽液系統(tǒng)通常由溶鹽罐、鹽閥、浮子流量計(jì)等組成；控制系統(tǒng)包括微集成電腦 (或繼電器)組成的控制箱、多功能集成閥 (或稱多路閥、旋轉(zhuǎn)閥)、傳動(dòng)電機(jī)、液位傳感器等。其工藝流程一般為一個(gè)柱產(chǎn)水時(shí)，另一個(gè)柱自動(dòng)進(jìn)行松床、進(jìn)鹽、小清洗 (置換)、大清洗等過程，然后自動(dòng)切換，雙柱交替循環(huán)，達(dá)到連續(xù)產(chǎn)水。

圖1 鈉離子交換器結(jié)構(gòu)圖

二、設(shè)備常見問題及維護(hù)措施

1.樹脂油污染現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生

集輸站場(chǎng)原油一般采取套管換熱器、浮頭換熱器、大罐加熱盤管等工藝加熱，由于這些加熱設(shè)備的蒸汽流通管束平均使用壽命僅為2～3年，管材焊接處腐蝕滲漏現(xiàn)象頻繁發(fā)生，加熱管束外側(cè)介質(zhì)壓力高。因此，原油隨蒸汽回水進(jìn)入軟化水罐的幾率較高，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示2003年至今，共發(fā)生樹脂原油污染事件六起。

解決方法:

(1)停止使用可靠性較差的大罐加熱盤管加熱工藝，特殊情況下必須采用該工藝加熱，則將回水直接排入污水池。

(2)套管換熱器、浮頭換熱器等加熱設(shè)備則通過放空口每8h監(jiān)控一次回水中是否含油。

(3)首先將受污染的樹脂清理出交換柱，用50℃溫?zé)崴畬渲砻嬗臀燮矗谜羝麑⑾到y(tǒng)內(nèi)管線及交換柱進(jìn)行清洗置換。然后在方箱內(nèi)用8%～9%的溫?zé)釟溲趸c溶液對(duì)樹脂進(jìn)行復(fù)蘇處理。

2.蒸汽供熱金屬管網(wǎng)回水?dāng)y帶部分鐵銹，樹脂鐵污染嚴(yán)重

當(dāng)交換器出口水質(zhì)持續(xù)不合格時(shí)，打開離子交換器檢查樹脂時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，樹脂顏色由初裝時(shí)的紅色透亮，變成紅褐色部分變成黑色。表1為王窯集輸站更換樹脂后連續(xù)3年的含鐵情況監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別采集表層樹脂樣100g，去表面雜物，浸泡在20%的鹽酸溶液中24h后，對(duì)溶液中鐵含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表1 鹽酸溶液中鐵含量測(cè)定值

由表1可見，離子交換樹脂投用初期由于樹脂結(jié)構(gòu)空隙較大，鐵污染速度較快，當(dāng)其網(wǎng)狀空隙結(jié)構(gòu)逐漸趨于飽和后，其污染速度便逐漸減緩，一般認(rèn)為每100g樹脂中鐵含量接近150mg后，樹脂便失效。

被鐵污染的樹脂，一般用10%～20%的高濃度鹽酸浸泡的辦法來獲得復(fù)蘇，為了進(jìn)一步提高清洗效果，可將鹽酸溶液溫度提高至40℃左右。表2為坪橋集輸站使用4年后鐵污染嚴(yán)重的樹脂復(fù)蘇情況對(duì)比表。

表2 高濃度鹽酸復(fù)蘇處理前后樹脂性能對(duì)比表

3.增壓泵壓力不穩(wěn)影響出水水質(zhì)

為保證交換器出水水質(zhì)，軟化產(chǎn)水時(shí)進(jìn)口壓力一般維持在0.2～0.35MPa，排量一般控制在10～30m3/h，最高不超過40m3/h。現(xiàn)場(chǎng)安裝離子交換器額定產(chǎn)水量為8m3/h，而增壓泵額定排量均為25m3/h，揚(yáng)程為500m，采取控制泵出口閥開啟度的方式調(diào)節(jié)交換器出水量。由于增壓泵排量和揚(yáng)程均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過交換器能力，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開啟度造成水流不平穩(wěn)，導(dǎo)致出水水質(zhì)波動(dòng)較大，平面多通閥經(jīng)常出現(xiàn)竄漏或損壞故障。

解決方法:將原水增壓泵更換為排量為10m3/h，揚(yáng)程為35m的機(jī)泵，盡量保持整套裝置連續(xù)運(yùn)行。更換增壓泵后，交換器出口水質(zhì)平均硬度由0.027mmol/L下降至0.018mmol/L，平面多通閥、PVC管路使用壽命有300天延長(zhǎng)至750天。

4.蒸汽回水利用率低，離子交換器負(fù)荷重影響其使用壽命

根據(jù)GB1576-96《低壓鍋爐水質(zhì)》，蒸汽鍋爐給水硬度≤0.03mmol/L，但當(dāng)回水回收率越大時(shí)，鈉離子交換器的出水控制硬度可相應(yīng)提高，其關(guān)系如表3所示。

表3 冷凝回水回收率與控制硬度的關(guān)系

表3數(shù)據(jù)表明，當(dāng)冷凝回水回收率達(dá)80%時(shí)，即使鈉離子交換器出水的控制硬度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，達(dá)到≤0.15mmol/L，仍可將軟化水罐內(nèi)水質(zhì)控制在低于臨界值≤0.03mmol/L范圍內(nèi)，而目前安塞油田集輸系統(tǒng)鍋爐冷凝回水回收率很低（回收率不高于40%），大量蒸汽冷凝回水無法回收，不僅造成水資源的浪費(fèi)，軟化水量大大增加，更使得鈉離子交換器出水硬度值必須要控制在臨界值以下，使得產(chǎn)水時(shí)間不宜過長(zhǎng)，樹脂再生頻繁，經(jīng)濟(jì)性差。

5.設(shè)備長(zhǎng)期停用后樹脂儲(chǔ)存方式不當(dāng)造成樹脂失效

安塞油田部分聯(lián)合站采取夏季不加熱集輸工藝，導(dǎo)致多數(shù)蒸汽鍋爐及離子交換器7月至10月處于停用狀態(tài)。而該階段對(duì)于離子交換器及其內(nèi)部樹脂，一般采取再生后放置直至10月份再次啟用，對(duì)其中間過程中樹脂是否會(huì)因?yàn)槿彼А⒓?xì)菌滋生變質(zhì)等缺乏監(jiān)控。

正確的存放方式應(yīng)該是:離子交換柱完成再生、置換、正洗等工作過程后，向容器內(nèi)加入高于樹脂層10cm的3%～5%鹽酸溶液浸泡2～4h，然后進(jìn)行淋洗通柱。繼用3～4倍樹脂體積、同濃度的鹽酸溶液通柱，然后用凈水洗至接近中性，再用3%～5%的氫氧化鈉溶液浸泡4h，最后淋洗通柱。用同濃度的3～4倍樹脂體積的氫氧化鈉溶液通柱，最后用凈水清洗至pH值為中性，完成再生后注入高于樹脂層10cm的飽和食鹽水儲(chǔ)存，貯存期間應(yīng)使其保持濕潤(rùn)。一旦樹脂失水，使用時(shí)不能直接加水，可用澄清的飽和食鹽水浸泡，然后再逐步加水稀釋，洗去鹽分。

[1]王廣珠，汪德良，崔煥芳.離子交換樹脂使用及診斷技術(shù) [M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2004.