離子交換智能再生技術應用研究

高商牛 夏國平

（中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部，200540）

工業化應用

離子交換智能再生技術應用研究

高商牛 夏國平

（中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部，200540）

對離子交換系統樹脂激活護理遠程在線傳輸梯度分段智能再生控制做了詳細介紹，通過對污染樹脂進行祛除污染激活護理、優化再生工藝過程、梯度分段智能再生控制和建立新的樹脂梯度分段再生平衡等途徑，降低樹脂再生過程中鹽酸和氫氧化鈉消耗，并通過大量試驗數據的對比分析，印證了梯度分段智能再生控制優于現行常規的單一濃度再生效果，具有較大的推廣應用價值。

離子交換 樹脂再生 梯度分段 智能控制

中國石化上海石油化工股份公司（以下簡稱上海石化）熱電部是以供熱為主的熱電聯產單位，熱電部東區化學水處理系統采用離子交換處理工藝，低硅水經陽床、弱陰床、強陰床處理后至混床處理。近年來，隨著離子交換樹脂使用年限的增加，離子交換系統運行效果逐年下降，樹脂污染逐漸累積，造成再生鹽酸和氫氧化鈉消耗不斷增加。通過對污染樹脂進行祛除污染激活護理，優化再生工藝過程，實行智能再生調節，建立新的樹脂再生平衡，從而實現降低鹽酸和氫氧化鈉消耗。

2013年9月，上海石化熱電部與重慶漢能環保工程技術有限公司（以下簡稱漢能公司）合作，以東區第二套離子交換系統，即陽床（5＃～8＃）、陰床（5＃～8＃）作為研究對象，對樹脂激活護理、遠程在線傳輸、智能再生控制系統改造。2013年10月完成技術改造并投運，2014年1月試驗結束，達到了預期目標。

1 系統概況

1.1 東區化學水處理系統流程

水廠來的低硅水經過兩根直徑為500 mm（Dg500）的生水母管進入陽離子交換器進行陽離子交換，其出水經兩根直徑為400 mm（Dg400）的母管送入除碳器，除去二氧化碳后進入中間水箱，由中間水泵升壓后經兩根Dg400母管依次送入弱堿陰離子交換器和強堿陰離子交換器（二者串聯運行）進行陰離子交換和除硅后，其出水作為一級除鹽水通過兩根Dg400的母管進入一級除鹽水箱，一級除鹽水由一級除鹽水泵升壓后，經過兩根Dg400的母管送入體外再生混床離子交換器進行深度除鹽，其出水作為二級除鹽水進入二級除鹽水箱。二級除鹽水由二級除鹽水泵升壓后，經過4根不同口徑管道至1＃、2＃、3＃外供水聯箱向外供水。水處理設備設計最大出力為1 250 t／h。

1.2 酸再生系統

再生用的鹽酸其質量分數為30%，酸計量箱中的鹽酸，經過酸噴射器升壓并稀釋到質量分數為2%～3%后，送入陽離子交換器或混床再生塔進行陽樹脂再生。每4臺陽離子交換器合用一套酸計量箱及酸噴射器，混床再生塔單獨設計一套酸計量箱和噴射器。酸噴射器水源是中間水泵出口的陽離子交換水。

1.3 堿再生系統

再生用的氫氧化鈉其質量分數為32%，再生時，堿計量箱中的氫氧化鈉經過堿噴射器升壓并稀釋到質量分數為2%～4%后，再經過蒸汽噴射器使堿液加熱到40℃左右，然后送入陰離子交換器或混床再生塔進行陰樹脂再生。每4臺強、弱堿陰離子交換器合用一套堿計量箱、堿噴射器和蒸汽噴射器，堿噴射器水源是經過還原泵升壓后的二級除鹽水或反洗水箱中的回收水，噴射器汽源采用0.8～1.3 MPa的蒸汽。

2 離子交換智能再生技術原理

離子交換智能再生技術有兩個關鍵點：一是對離子交換中作為載體的樹脂進行化學激活護理，提高樹脂的交換能力和使用周期；二是通過對再生系統加裝智能再生控制器，對相關設備、管路等加裝穩流器，通過系統化的升級改造及科學演算制定優化的再生工藝，從而更好地控制再生曲線和再生濃度梯度，實現降低離子交換系統再生鹽酸和氫氧化鈉的消耗。

2.1 樹脂激活

用作水處理的樹脂因生產原因及長時間使用后，受難以置換的重金屬及有機物污染，使其交換容量下降，導致周期制水量下降，運行周期縮短［1］。樹脂激活護理技術采用HONG－SP2藥劑，利用等電原理通過徹底的化學置換反應過程，有效置換出樹脂沉積的鐵離子、有機物等污染物。采用具有專利技術的HONG－SP2藥劑，在罐體內進行循環，在樹脂表面形成表面活性的同時生成巨大的氫離子或氫氧根離子膜濃度梯度。一方面對樹脂孔網堵塞進行祛除，另一方面對樹脂官能團進行修復，重構樹脂結構，從而恢復樹脂的活性，增加樹脂的交換容量，達到延長制水周期，增加制水量的目的。

2.2 智能再生

根據離子交換器除鹽系統優化運行參數計算，將系統最優運行方案程序化輸入HONG－NS智能再生控制系統，利用控制系統對再生過程進行智能化控制。

“HONG－HN離子交換系統智能控制”即：HONG－SP（藥劑）＋HONG－EP（傳輸）＋HONG－NS（控制）＝HONG－HN，主要包括三大核心技術：樹脂激活護理、遠程在線傳輸、智能再生控制。第一，離子交換樹脂激活護理技術采用HONGSP2藥劑，利用等電原理通過徹底的化學置換反應過程，有效置換出樹脂沉積的鐵離子、有機物等污染物，洗出污染物后進行樹脂采樣分析，完成激活處理。第二，遠程在線傳輸利用互聯網技術將系統運行技術數據上傳到網絡，管理者可隨時利用互聯網對平臺進行訪問，了解當前系統運行狀況及問題，實現遠程監控，提供遠程技術服務。第三，離子交換系統智能再生控制應用于離子交換系統的再生過程，實現全自動再生以及最適梯度分段式再生。該系統利用計算機進行數據分析，從而實現再生過程的精細化控制，將常規再生過程中的進酸、進堿部分分為3個階段，置換出樹脂中吸附的各種離子，從而提高鹽酸和氫氧化鈉利用率，降低鹽酸和氫氧化鈉消耗消耗，減少廢水排放。

3 離子交換智能再生技術的應用

以東區化學水處理系統中4臺陽床和4臺陰床，以及對應的一套酸堿再生系統作為研究對象。根據目前再生系統現狀，為實現離子交換智能再生目標，在系統優化方案設計時，增加了酸堿濃度在線顯示裝置、酸堿溫度在線顯示裝置、酸堿狀態預警裝置、水質pH檢測裝置、梯級再生裝置和樹脂激活等。

3.1 離子交換樹脂激活

3.1.1 數據采集

樹脂激活處理前，分別采集陰陽樹脂樣本進行污染分析，鑒別樹脂的污染因子及污染程度，大致分為陽樹脂氧化、陰陽樹脂鐵離子污染、陽樹脂鋁離子污染、陽樹脂鈣離子污染、陰樹脂硅離子污染以及油類和有機物對陰陽樹脂的污染等方面。

3.1.2 配制激活藥劑

通過對樹脂污染分析，得到分析數據組，據此配制適合強酸性的苯乙烯系陽離子交換樹脂、弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂、強堿性季胺I型陰離子交換樹脂、弱堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂等各項祛污藥劑。

3.1.3 激活系統構成

激活系統一般有在線激活系統和離線激活系統兩種方式。根據東區系統現狀和生產需要，采用在線激活系統，即在對噴射器裝置改造的基礎上，加裝一套定制設備，定制設備受遠程智能再生控制系統控制監測，可在系統運行同時進行樹脂激活，并實現遠程控制、錯誤預警等功能。

3.1.4 樹脂復蘇激活過程

采用在線激活系統流程，噴射裝置部分經改良加裝一套定制設備，由定制設備連接HONGPS噴射器，輸入相應配制的特殊藥劑。第一次再生時，定制設備的加藥劑及溶液進行混合，第一次再生結束時，由定制設備經HONG－PS噴射器將陰陽樹脂激活劑輸入罐內，浸泡4 h達到激活效果后進行第二次再生，排水，大反洗，至出水澄清。此法可在不影響水處理運行的同時進行遠程控制樹脂激活。

3.2 再生系統改造

再生系統改造前采用單一濃度再生，改造后，加裝了智能再生控制系統，包括智能控制箱、電動調節閥、定制噴射器（對原有噴射器進行改進）、在線酸堿濃度計、穩流裝置等設備，并遵循與原有系統情況相匹配的原則。改進后的再生系統改變了以往傳統的單一濃度再生方式，保持合適的濃度梯度進行再生，有效緩解再生過程中的二次污染，最大程度地減少非液源性污染的產生，并合理分配再生液用量，減少再生過程中的過度用量。

3.2.1 梯度再生原理

根據來水中各種離子的含量情況，將常規再生過程中的進酸、進堿部分分為3個階段，分別用于針對性地交換出樹脂中吸附的各種離子：第一階段，容易去除的鈣離子等；第二階段，鈉、鉀等常規離子；第三階段，主要是鐵等具有較特殊的等電點特性的金屬離子。

3.2.2 系統結構

通過對離子交換器數據的實際測量，組合制作相對應的設施。

（1）HONG－PS噴射器。通過對噴嘴的改良，加裝HONG－PS噴射器，達到控制進出再生液的目的。

（2）流量穩定裝置。在各個主要管道加裝流量穩定器，解決管道內溶液不穩定的問題。

（3）智能調節模組。通過探頭把各項實時數據傳輸給智能芯片，智能芯片可即時傳輸各項指令，同時把各項數據反映到中央服務器上，在由計算機處理的同時人工同樣可監控，以保證整個運行過程的完善。

（4）智能控制調節閥。由智能控制系統連接的調節閥控制并保證各溶液的進出流量及穩定數據，通過集成控制箱接收或傳輸信號指令。

（5）通過分組無線服務技術（GPRS）傳輸控件及執行機構。實時在線傳輸各項指令，保證系統設備跟中央服務器相連接，當出現智能系統解決不了的問題時，保證服務器馬上接收報警信號，每0.5 s完成一項數據傳輸。

3.3 智能再生控制

HONG－NS離子交換智能再生控制系統是新一代全中文微機型智能控制系統，適用于離子交換系統的再生過程，能實現全自動再生以及最適梯度分段式再生，還能有效提高酸堿利用率，降低人的工作強度。其不同于一般的集成控制系統，可通過無線裝置連接中央服務器，通過漢能公司開發的遠程無線監控平臺，可實現再生過程的遠程實時監控，將物聯網的理念引入工業技術領域。

3.3.1 系統原理

HONG－NS離子交換除鹽水再生智能控制系統由信息接收端、信息處理器、執行機構、中央服務器、遠程監控平臺5大部分組成。其基本原理是利用計算機數據分析，實現再生過程的精細化控制。通過電控執行機構，使再生液濃度、流量精確符合設計值，并跟蹤交換器實際運行工況，實現梯級分段式再生，從而實現并維持低鹽酸和氫氧化鈉消耗狀態。

3.3.2 系統組成

整個系統包括：（1）具備無線遠程數據傳輸功能和控制數據執行功能的控制箱；（2）由2～4組在線水質儀表組成的信息接收端；（3）由2～4組電控調節閥組成的執行機構；（4）遠程監控平臺及中央服務器后臺服務。

3.3.3 系統實現功能

該系統可實現以下功能：（1）實現智能化再生控制，再生過程一鍵式控制，無需人工操作；（2）根據來水水質情況，制定三段式再生曲線，設定相應參數，實現最優化再生；（3）根據季節變化等因素導致的水質變化，通過中央服務器反饋信息及時調整再生曲線，保持低酸堿消耗狀態；（4）根據交換器離子交換樹脂的實際運行情況在線實時調整再生鹽酸和氫氧化鈉消耗量，實現精確控制；（5）記錄床體運行再生次數，自動執行雙倍再生，維持樹脂清潔；（6）智能調節鹽酸和氫氧化鈉的再生廢水的排放量，使其達到排污最小化；（7）結合平臺數據記錄功能，發現及預防再生過程中出現設備隱患，保障運行安全。

3.4 數據監控與管理

3.4.1 遠程在線監控

利用互聯網技術將系統運行技術數據上傳到網絡，管理者可在任意地點利用互聯網對平臺進行訪問，了解當前系統運行狀況。同時通過平臺，還可以對裝有漢能離子交換智能再生控制系統的其他企業系統運行狀況進行了解對比，并通過平臺進行交流互動。技術人員通過電腦、移動通訊裝置等對運行系統進行24 h全天候訪問監控，對反饋數據由計算機進行數據處理分析，及時掌握系統運行狀況，達到與現場人員系統狀況的相同處理，保證低耗穩定的系統運行狀態。

3.4.2 建立完善的數據記錄臺賬

在完成樹脂激活和智能再生控制系統改造之后，應對系統運行進行科學的記錄管理，并建立相應的臺賬，便于日后尋找問題及優化改善。

3.4.3 信息交互及參數修改

在使用智能再生控制系統對再生過程進行控制的過程中，技術人員可就水質情況，定期與技術支持方人員進行互通。通過遠程監控平臺，根據水質變化情況制訂出當前最合適的再生曲線，以便維持系統低消耗運行狀態。

4 離子交換智能再生技術應用效果分析

上海石化熱電部東區化學水處理系統中陽床（5＃～8＃）、陰床（5＃～8＃）共用一套鹽酸和氫氧化鈉再生系統，改造前以單一濃度進行再生，改造后以水質變化情況制訂出當前最合適的再生曲線進行智能再生控制。

4.1 試驗數據對比

試驗期間，對東區5＃～8＃陽陰床再生運行消耗數據進行了統計，與同期運行的其他陽陰床進行了橫向對比。

（1）陽床對比

漢能改造陽床組13床次，同期其他陽床組13床次，運行數據表明同期其他陽床組鹽酸消耗為1.09 kg／t，漢能改造陽床組鹽酸消耗為0.99 kg／t，下降比例為9.2%（見表1）。

表1 漢能改造陽床組與同期其他陽床組再生數據

（2）陰床對比

漢能改造陰床組13床次，同期其他陰床組13床次，運行數據表明同期其他陰床組氫氧化鈉消耗為0.83 kg／t，漢能改造陰床組氫氧化鈉消耗為0.69 kg／t，下降比例為16.9%（見表2）。

表2 漢能改造陰床組與同期其他陰床組再生數據

4.2 樹脂激活對制水的影響分析

樹脂對不同的離子交換能力不同，樹脂的污染其本質是樹脂吸附了親和力更強的（相比再生劑離子）離子，無法用正常的再生方式恢復。HONG－SP2激活劑采用樹脂親和力介于污染離子和再生離子之間的物質，先將污染物替換出來，再用再生劑將激活劑離子置換出來。此項技術提高了樹脂的利用率，有效地提高了周期制水量。

4.3 經濟效益分析

（1）酸堿部分

根據東區研究對象試驗期間運行數據計算，鹽酸消耗下降9.2%，氫氧化鈉消耗下降16.9%，按鹽酸550元／t，氫氧化鈉800元／t計算，即每年節約費用44萬元左右。如果在東西區全面推廣應用，預計每年可節省費用150萬元。

（2）節約再生用水和減少廢水排放

根據研究對象試驗期間數據統計測算，東區每年可節約29 kt除鹽水及減少相應的廢水排放。如果在東西區全面推廣應用，預計每年可節省除鹽水90 kt以上，并減少相應的廢水排放。

5 結語

目前化學水處理樹脂再生的常用方法是采用單一的等濃度再生法，再生前也未對樹脂作祛污激活護理處理，對于一些已老化、污染嚴重的樹脂再生處理能力不強，再生過程中存在鹽酸和氫氧化鈉過度消耗的問題。以東區5＃～8＃陽陰床為研究對象，通過對樹脂激活護理、遠程在線傳輸、采用梯級分段濃度智能再生控制，與現行常規再生方式相比，在酸堿利用率上有較大幅度的提升，能有效降低再生過程中鹽酸和氫氧化鈉消耗，并可節約大量的再生用除鹽水和減少相應的廢水排放，具有較大的推廣應用價值。

［1］ 張維科.再生方法對陽離子交換樹脂再生度的影響［J］.熱力發電，2013，42（3）：88－90.

Study on Application of Intelligent Regeneration Technology for Ion Exchange

Gao Shangniu，Xia Guoping
（Thermal Power Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540）

The remote online transmission gradient segment intelligent regeneration control for activating nursing of resin in ion exchange system was introduced in details.Proposals were raised to reduce consumption of hydrochloric acid and sodium hydroxide during the regeneration process of resin such as activating nursing of pollution elimination for the polluted resin，optimization of regeneration process，gradient segment intelligent regeneration control and establishing new resin gradient segment regeneration control，and so on.Based on comparison and analysis of a great deal of experiment data，itwas testified that the gradient segment intelligent regeneration controlwas superior to the current conventional single concentration in effectiveness，and had high value for popularization and application.

ion exchange，resin regeneration，gradient segment，intelligent control

1674－1099 （2014）06－0036－05

TM621.8

A

2014－11－02。

高商牛，男，1961年出生，1981年畢業于上海電力學院熱能動力專業，工程師。曾從事鍋爐水處理運行技術管理工作20余年，現從事科技項目管理工作。