高負荷工況下軟化器運行參數的優化研究與實踐

王兆平

（山東鋼鐵集團公司萊鋼煉鋼廠，山東 萊蕪 271126）

1 前言

中國鋼鐵企業經過近二十余年的發展，有很多經過改擴建的轉爐及配套設備仍將會在一段時期內繼續存在。設備不匹配的問題也會日益凸顯。對于低壓余熱鍋爐等老設備而言，軟水具有制作工藝設備相對簡單，成本相對除鹽水低廉等特點，它作為冷卻汽化用水仍有較高的應用價值[1]。目前很多經過擴建的老鋼廠所使用的軟水站普遍存在滿負荷或過載的工作狀況，高負荷工況下軟水站各項參數的研究與優化是一個急需研究的課題，這對軟水站的高負荷穩定運行有著重要的實際應用意義。

山東鋼鐵萊鋼煉鋼廠軟水站建成投產于2002年，隨著煉鋼廠產能的不斷提升，軟水站的軟水產量和工作負荷也在不斷地升高，當前，軟水站軟化器的運行流速為23～25m/h，屬于高負荷運轉。因此，老區軟水站就需要在現有設備基礎上對各項工藝參數進行優化和改進。

2 軟水站工藝設備概況

萊鋼煉鋼廠軟水站現擁有兩臺機械過濾器，四個一級軟化器，直徑2700mm（初次除硬度），兩個二級軟化器，直徑2000mm（二次除硬度），均為逆流再生固定床。軟化器使用樹脂為001x7酸性陽離子交換樹脂，6個軟化器共計裝有55.1t樹脂。目前軟水站的軟水產量為2000～2200t/d。每天約耗生水3000t。一級軟化器的設計運行流速為25～30m/h，目前的實際運行流速為28.1～38.6m/h，屬于高負荷甚至超負荷運行。

軟水站工藝設備簡圖如下：

圖1 軟水站工藝設備圖

老區軟水站生水硬度為380～550mg/L。軟化器的一個操作周期有制水，失效，再生，正洗等步驟，每隔4個周期進行一次反洗操作。

目前老區軟水站采用鹽溶解池作為再生液配制容器，鹽溶解池為半地下式，集溶鹽、過濾、再生液吸水井功能于一體。鹽溶解池內部有礫石（承托層）、石英砂（過濾層）及草席（擋浮渣）等組成的過濾基質，使用周期為3個月，每周期末徹底清理一次。目前采用自然溶解的方式進行溶鹽。

3 高負荷工況下軟化器運行參數的優化研究與實踐

3.1 軟化器操作的優化研究與實踐

煉鋼廠經過多次產能擴張后，部分操作已不適應當前高負荷工況，軟化器的操作必須加以改進。為了充分保證系統的穩定性，我們加入了預正洗操作。

預正洗的加入會使軟水站水耗少量上升，但它對最終的出水和下一級軟化器的保護至關重要。根據生水水質的不同，預正洗的時間通常會進行2～4分鐘，初始出水硬度通常在350～420mg/L，由于二級軟化器長期在線，對進水水質要求高，若不進行預正洗操作，具有較高硬度的初始出水會明顯縮短二級軟化器的使用周期并使軟化器的出水水質產生很大波動。

3.2 軟化器進水流量的優化

煉鋼廠老區軟水產量為1921m3/day，生水消耗量為2438m3/day，即101.6m3/h。受目前水箱容量限制及煉鋼生產節奏變化的影響，進水流量個別時間須維持在130～140 m3/h才能滿足生產需要。本次實驗設置了不同的進水流量，在生水水質相近（420～440mg/L）的情況下，研究不同進水流量對同一個一級軟化器（裝有樹脂10.2t）軟水產量的影響。

未優化之前，軟水站采用130m3/h的流量進行生產，經過對近幾年運行數據進行統計分析，110m3/h的進水流量即滿足生產需要，并作為日常生產中的最大進水流量進行控制。進水流量優化后，軟化器周期軟水產量平均值由原來的661m3變為723m3，上升9.4%。

3.3 再生液濃度的優化

3.3.1 軟化器再生系統的不足之處

在本次研究進行之前，再生液的配制及軟化器再生液注入方法如下：

取1噸工業鹽，投加至兩格鹽池中，注入新產軟水進行溶鹽。鹽溶解池水位控制在2.10～2.20m，再生液理論計算濃度為4.57%，浸泡4小時后，用鹽液泵注入待再生反應器。

本次研究從對鹽液池進行32次取樣實測，測量結果表明池中再生液頂層與底層之間濃度差別較大，頂層鹽溶液濃度為1.0068%，進鹽完畢后濾料上層余液密度為1.043%，不同高度的再生液密度存在較大的濃度梯度。

軟化器失效再生時，需等再生液溢流5～6分鐘后再關閉閥門進行浸泡再生。由于鹽液池在鹽液高度上存在較大濃度差，所以本次研究采用每天1～2次的頻率對再生液注入情況進行鹽液密度測量。

可以看出，0min時，注入液體為上次再生時管道內的殘存水，再生液注入初期，NaCl濃度很高，前6min平均濃度大于10%，最大值可達12.26%，不過隨著注入時間的延續，NaCl濃度迅速下降并穩定在2%左右，最終會小于2%。

3.3.2 鹽溶解池水位及投鹽量的研究與優化

由于鹽池集溶鹽和過濾功能為一身等原因，鹽溶解池不能夠安裝水力攪拌裝置，否則會造成再生液的二次污染、破壞過濾層結構。所以，再生液的濃度調整只能依靠投鹽量及鹽溶解池液位來調整控制。在優化之前，處于保護鹽水泵的需要，鹽溶解池水位控制在2.00～2.25m，在這種條件下，測得一級軟化器進鹽平均濃度為4.38～5.23%，再生液濃度不達標。本次研究對鹽溶解池設置了 1.90m，1.80m，1.70m，1.60m，1.50m五個水位。通過實驗發現1.70m的水位既能滿足一級軟化器的再生液進水量又不會造成水泵抽空的情況，是較為理想的再生液水位，同樣可得，1.55m是二級軟化器的理想鹽池液位。

經過不同的投鹽量和液位的正交試驗發現，采用“1.70m-1.25t”液位-投鹽量的組合，一級軟化器的進鹽平均濃度為6.54%，能夠較好的滿足軟化器的再生需要。其余組合會發生平均濃度不足、鹽液泵抽空、鹽液濃度過高鹽耗較大的情況出現。

4 結論和建議

4.1 結論

4.1.1 進水流量在90～130 m3/h之間，軟化器的周期軟水產量與進水流量成反比例關系，其下降程度為1.637噸軟水/(噸進水·噸樹脂)。

4.1.2 對于同一個軟化器，其余條件相同，再生液濃度在4.2～5.9%時，軟化器周期軟水產量與再生液濃度成正比。

4.2 建議

4.2.1 煉鋼廠軟水箱銹蝕嚴重，有效水位低。建議對水箱更換或大修，提高水箱蓄水能力，可以進一步調節進水流量，軟化器周期產水量還可以進一步提高。

4.2.2 對于軟化器的再生液濃度還需進一步研究，以確定在高負荷工況下較為準確的001x7系列再生液最佳經濟濃度范圍。

[1]張馳.提高鈉離子交換器工作交換容量淺析,工業安全與環保,2006(32):12～14.

[2]高愷.青島市村鎮居民環境意識及村鎮污水處理技術調查研究，青島理工大學，2009，81.

[3]給水排水設計手冊（第二版）第三冊，中國市政工程東北設計研究院，中國建筑工業出版社，2000.