CN1107651C - 工业用原水除氧软化处理新方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业用原水除氧软化处理的新方法及其设备，该方法设备是将氧化还原树脂与阳离子交换树脂结合在一体，同时除去工业用原水中溶解氧及造成水硬度的钙、镁离子，以及树脂再生还原继续使用，生产除氧软化水质量优良，超过国家锅炉用水规定的标准，是一种制造、操作简单方便灵活，高效，适用范围广，自耗水、NaSO3及NaCl分别各自节省50%。
Description
技术领域
本发明涉及一种水处理技术领域，特别是一种工业用原水除氧软化处理新方法及其设备。
背景技术
工业用原水例如天然河水、自来水、井水等中含有钙、镁等二价金属离子及溶解氧，常称硬水，经加热后会产生碳酸钙、碳酸氢镁或氢氧化镁之类沉淀物，附着在锅炉和/或炉管等受热设备内表面形成坚硬水垢，水垢生成后极大地影响导热能力，降低锅炉的热效率，大大浪费能源，例如水垢的导热系数比钢铁的导热系数小数十倍到数百倍。据有关专家测算1毫米厚的水垢会浪费燃料10％。此外水垢还会造成锅炉龟裂，危及人身及设备的安全。因此国家明确规定(GB1576-96)低压锅炉水质标准中规定，锅炉给水硬度≤0.03毫克当量/升(meq/L)。传统的工业用原水软化是采用强酸性阳离子交换树脂再生软化器，经阳离子交换树脂处理除去能生成水垢的钙、镁等离子使水软化，然后再将失效后的阳离子交换树脂用10％NaCl水溶液再生，继续使用。该传统工艺要经反洗、加盐液、正洗、运行出水等步骤，自耗水(即排放水)占软化水总产量的0.5％，NaCl的利用率仅30-50％。
工业用原水例如天然河水或井水、自来水中含有溶解氧，溶解氧会造成给水管道和锅炉本体发生电化学非均匀腐蚀，最终会形成许多小坑，以致造成设备穿孔。传统的除氧方法有热力除氧、真空除氧、解吸除氧和海绵铁屑除氧，这些除氧方法都有一定局限性，除氧过程中有的消耗大量动力，例如热力除氧自耗蒸汽15％，真空除氧电耗大，每吨水脱氧耗电2KW，还必须加热至60℃，除氧效果不稳定。解吸除氧，不但电耗大(2KW/吨水)，除氧后把氧转变成CO2，造成CO2对锅炉的腐蚀海绵，铁屑除氧产生铁锈使锅炉生成铁垢，据有关专家测算，水垢中若含有8％的铁垢，会使水垢导热系数降低4倍，从而大大降低锅炉热效率，除氧过程需要大量水冲走海绵铁粒表面的Fe(OH)2和Fe(OH)3，除氧自耗水5％以上。近年来开发的树脂除氧虽具有常温除氧，不消耗动力，不带进杂质，除氧彻底的特点，但用亚硫酸钠还原再生的氧化还原树脂除氧器存在亚硫酸钠利用率低≤30％，自耗水有0.5％的缺点。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺点提供一种简单、高效、节能、节药采用阳离子交换树脂和氧化还原树脂结合一体的工业用原水除氧软化处理的新方法。
本发明的另一目的是提供一种阳离子交换树脂和氧化还原树脂结合一体的工业用原水除氧软化处理的除氧软化设备。
本发明提供的工业用原水除氧软化处理的方法包括下列步骤：
1、在除氧软化设备中，其中上下两室或左右两室分别装有氧化还原树脂和(钠型)阳离子交换树脂，首先用工业用原水进行反洗；工业用原水由除氧软化设备的底部进入，先后通过上下两室或左右两室树脂床层从顶部排出，松动上下两室或左右两室树脂床层，并赶去树脂床层中气泡及夹带的杂质。
2、逆流再生软化树脂：NaCl水溶液从除氧软化设备底部进入，先逆流通过下室或右室软化阳离子交换树脂床层使之再生，排出CaCl2、MgCl2的废液，再进入上室或左室脱氧氧化还原树脂床层进行预再生，使脱氧氧化还原树脂变成氯型，排出CaSO4，同时又反洗脱氧氧化还原树脂床层，洗去其中杂质及吸附的气泡。
3、置换正洗：先用工业用原水逆流置换，时间约3-10分钟，置换水排出；而后进行正洗直到排出正洗水硬度≤0.03meq/L，Cl-浓度与工业用原水中Cl-浓度相同为止。
4、再生脱氧氧化还原树脂：Na2SO3水溶液从除氧软化设备上室或右室进入氧化还原树脂床层，使由氯型再生还原成还原态，排出NaCl水溶液，再进入下室或左室软化阳离子交换树脂床层，继续再生软化阳离子交换树脂成Na型，排出CaCl2溶液。
5、清洗除氧软化树脂：工业用原水从除氧软化设备上室或左室进入，从下室或右室排出，清洗脱氧氧化还原树脂床层和软化阳离子交换树脂床层排尽CaCl2。
6、生产脱氧软化水，顺流通入工业用原水进入正常运行，生产脱氧软化水，残余氧含量≤0.1毫克/升(mg/L)，硬度≤0.03meq/L。
按照本发明提供的工业用原水除氧软化处理的方法中，所述脱氧(氧化还原)树脂是指氧化还原树脂被溶解氧氧化的氧化还原树脂。所述软化(阳离子交换)树脂是指Na型阳离子交换树脂被水中Ca++Mg++离子置换的Ca++Mg++型阳离子交换树脂。所述正洗是指工业用原水或自来水等由除氧软化设备顶部流入，底部流出顺流流过。所述反洗是指工业用水或自来水等由除氧软化设备底部流入顶部流出逆流流过，所述清洗是指工业用原水顺流或逆流流过。
所述氧化还原树脂可以采用不同类型各种型号的氧化还原树脂，优选为三甲胺或季胺或二甲基乙醇胺苯乙烯二乙烯苯氧化还原树脂，简称为三甲胺型或季胺型或二甲基乙醇胺型氧化还原树脂或称氧化还原树脂。氧化还原树脂的工作除氧容量通常为0.5-5.0克/升，优选为0.7-2.0克/升。
由于氧化还原树脂如三甲胺型氧化还原树脂的结构中含有能被氧氧化的基团，一般用RN(CH3)3SO3表示，其中R为树脂骨架，水中溶解氧被树脂吸附进行氧化，其过程描述如下：脱氧后氧化还原树脂用Na2SO3进行还原再生 本发明对设备及工艺进行重大改进，使除氧软化结合在一体，这样可以用亚硫酸钠中亚硫酸根还原再生脱氧后氧化还原树脂之前，利用氯化钠还原再生软化的阳离子交换树脂排出的含CaCl2、MgCl2废液预再生脱氧氧化还原树脂使其先变成氯型 然后再用NaSO3还原再生氯型氧化还原树脂成还原态 由于SO3 2-带二个负电荷，氯型氧化还原树脂功能团仅为带一个负电荷，该两反应的平衡常数分别为K1和K2，K2＞K1，因此SO3 2-易交换到氯型氧化还原树脂上去，从而提高了Na2SO3的利用率，Na2SO3的利用率从现有技术利用Na2SO3还原再生氧化还原树脂利用率仅为20％提高到60％以上，同时又反洗了脱氧氧化还原树脂，洗去了树脂中杂质和吸附的气泡，从而又省去了反洗脱氧氧化还原树脂用水。
此步骤中排出NaCl水溶液再流入软化的阳离子交换树脂继续再生软化阳离子交换树脂成钠型，因此节省50％NaCl盐。
所述阳离子交换树脂为强酸性磺化苯乙烯二乙烯基苯的共聚物钠型阳离子交换树脂，通常称钠型阳离子交换树脂或称阳离子交换树脂，可以采用市售不同交联度的各种牌号的苯乙烯二乙烯基苯共聚物钠型树脂，交联度优选为4-20％，钠型阳离子交换树脂工作交换容量为0.2-2，优选为0.6-1.2，更优选为0.8-1.0克当量/升。
阳离子交换树脂通常为强酸性磺化钠型树脂，它具有能与水中溶解的Ca++Mg++离子进行吸附交换能力从而除去水中Ca++Mg++等金属离子。软化水的过程可以描述如下，设R为树脂骨架，钠型阳离子交换树脂可表示为RSO3Na，工业用原水软化原理为： 树脂失效后用NaCl再生
用NaCl再生排出的含CaCl2和MgCl2的废液预再生脱氧氧化还原树脂成氯型，又反洗了脱氧氧化还原树脂，可以节省NaCl50％及反洗用水。
上下两室中两种树脂用量根据工业用原水中含氧量、水的硬度，阳离子交换树脂的种类和工作交换容量，以及氧化还原树脂的种类及工作除氧容量来进行选择。
所述还原剂NaCl为NaCl的水溶液，浓度为70-140克/升水，其用量取决于所用阳离子交换树脂数量及工作交换容量，加入速度没有严格规定，一般优选为3-4米/时。
所述亚硫酸钠为Na2SO3的水溶液，浓度为20-140，优选为80-120克/升水，其用量取决于所述氧化还原树脂的用量及工作除氧容量，加入速度没有严格规定，一般优选为3-4米/时。
所述工业用水通常为自来水及井水，尤其工业用深井水，水的硬度一般为5-8毫克当量/升，含氧量为4-20毫克/升；浊度＜5mg/L。这些水源在作为锅炉用水，根据工业用锅炉水国家标准规定，必须进行除氧软化处理方可使用。水流速一般为10-15米/时(线速度)加入，过高阻力大，反应时间短，影响除氧、软化效果；过低，影响设备出力。在整个工业用原水除氧软化处理方法中，工作温度为10-90℃，一般为室温操作。
按照本发明提供的工业用原水除氧软化处理的方法，生产得到的除氧软化水的残余含氧量≤0.01mg/L(10ppb)，最低可达2PPb，硬度≤0.03meq/L。
在本发明工业用原水除氧软化处理方法中，由于本发明方法将除氧软化两工艺结合成一整体工艺，简化工艺步骤，充分利用排出的废液循环利用，如用排出的CaCl2废液预再生脱氧的氧化还原树脂成氯型，取代和节省反洗用水，提高NaSO3的利用率，节省NaSO350％，用排出NaCl废液进行预再生软化的阳离子交换树脂，既代替反洗，节省反洗用水及配制NaCl水溶液用水，又节省NaCl50％及自耗水，与传统工艺相比，简化工艺，又使自耗水、Na2SO3及NaCl分别各节省50％。此外由于下室软化树脂床层采用满室床层运行，省去了压脂层树脂，节省10％树脂用量，使操作更简单。
按照本发明提供的除氧软化设备是将氧化还原树脂和钠型阳离子交换树脂结合于同一设备中，兼备除氧和软化双重功能的除氧软化设备。所述除氧软化设备包括筒体或塔体1；布水盘2，设置在筒体或塔体内，将筒体或塔体分成上下两室或左右两室，两室分别装有氧化还原树脂与钠型阳离子交换树脂，两室容积以氧化还原树脂与阳离子交换树脂体积之比表示为1∶1-3∶1；优选为1.5∶1-2.5∶1；布水盘上设置若干塔式过滤帽3，水可以通过过滤帽，自由流动于上下两室或左右两室，但上下两室或左右两室的树脂被塔式过滤帽隔开不能相互流动，布水盘与筒体或塔体之间为焊结联结；筒体或塔体上下两端设有进出口料管的弧形球面的封顶4和封底5，在中下布水盘的上方还设有进出口料管6，如图1-4所示。
所述除氧软化设备中，氧化还原树脂及阳离子交换树脂可以分别装在上下两室或左右两室，或者互换分别装在下上两室或右左两室，构成上室为氧化还原树脂，下室为阳离子交换树脂；或上室为阳离子交换树脂，下室为氧化还原树脂；左室为氧化还原树脂，右室为阳离子交换树脂；或左室为阳离子交换树脂，右室为氧化还原树脂四种不同形式相同结构的除氧软化设备，其中上下两室或左右两室所装树脂的体积取决于筒体或塔体大小，工业用原水含氧量及硬度、阳离子交换树脂的种类及工作交换容量，以及氧化还原树脂的工作除氧容量，一般上下两室或左右两室装两种树脂体积之比为1∶1至3∶1，优选为1.5∶1-2.5∶1。在所述四种形式相同除氧软化设备中，其除氧软化工艺具有上述相同工艺步骤，仅仅包括工业用原水、NaCl水溶液及Na2SO3水溶液进料方式如顶部或底部，左室或右室，逆流、反洗或顺流、正洗随着上下两室或左右两室的树脂相互变换而进行互变，其效果相同。
在所述左右两室结构的除氧软化设备中，在筒体或塔体中间处还设置垂直隔板，将其分隔成左右两室(如图3-4所示)。
附图说明
图1为上下两室结构除氧软化设备的结构示意图。
图2为上下两室结构除氧软化设备的布水盘的俯视图。
图3为左右两室结构除氧软化设备的结构示意图。
图4为左右两室结构除氧软化设备的布水盘的俯视图。
本发明提供的方法和设备优点为：
(1)工艺、设备简单。
(2)操作简便、灵活、运行可靠。
(3)低温(工作温度为室温)除氧软化，树脂可再生重复使用。
(4)除氧软化水质量优良，残余含氧量≤0.01mg/L(10ppb)，最低可达2PPb，硬度≤0.03meq/L。
(5)自耗水、NaSO3及NaCl分别各节省50％，节省树脂用量10％。
(6)应用范围广，适合各工业部门用工业锅炉，化工用除氧软化水等。
具体实施方案
工业试验比较例1
1、条件：
(1)三甲胺型氧化还原树脂85Kg(120升)
(2)设备：Φ350×2500的除氧器
(3)再生用无水Na2SO3(96％)2Kg
(4)深井水含量5.45mg/L，(即5450PPb)
(5)脱氧水生产流速1.5m3/h
(6)水温19℃
2、操作步骤：
(1)把85Kg(120升)三甲胺型氧化还原树脂倒入除氧器中：
(2)用纯净自来水反洗除氧器树脂赶去树脂中气泡：
(3)把2Kg无水Na2SO3配成8％(W+/V)的Na2SO3水溶液，用泵打入除氧器下部进料管，从除氧器顶部排水管排出。进行逆流再生。再生流速3-4m3/h；
(4)加完Na2SO3溶液后，打开自来水进水阀，继续从除氧器下部进水，上部出水，仍以3-4m3/h流速置换10分钟。
(5)置换结束，关闭阀门，开除氧器上进水阀，让自来水从除氧器顶部进入，从除氧器下部排出进行正洗(约5分钟)，直到流水中残余氧含量≤0.01mg/L时，关闭排水阀，把无氧水送入脱氧水箱进行正常运行。
3、结果如下
| 脱氧水累计产量(米3) | 0 | 0.15 | 0.37 | 0.51 | 0.65 | 1.44 | 1.98 | 7.08 | 12.07 |
| 残余氧含量(PPb) | ＜5 | ＜5 | ＜5 | ＜5 | ＜5 | ＜5 | ＜5 | ＜5 | ＜100 |
4、实验结果计算：
共生产脱氧水12.07米3，
工业实验例1
1试验条件
(1)本发明除氧软化设备：Φ350×2500的上下两室结构除氧软化设备，上室装三甲胺型氧化还原树脂50升，其除氧工作容量为0.8mg/ml，1升三甲胺型氧化还原树脂可生产合格脱氧水100升；下室装通用强酸型钠型阳离子交换树脂25升，其工作交换容量为1meq/ml，1升树脂可生产合格软化水200升。
(2)NaCl 1公斤配成14％(W+/V)/水溶液；0.5公斤Na2SO3配成8％(W+/V)水溶液。
(3)工业用原水：深井水，含氧量8mg/L(8000PPb)，硬度5meq/L。
2操作步骤
(1)用工业原水反洗两种树脂，赶去树脂床层中的气泡及洗去夹带的杂质。
(2)逆流再生软化树脂，将上述NaCl水溶液从除氧软化设备底部进入进行再生，NaCl溶液先流过下室，再生失效的阳离子交换树脂成钠型，流出的CaCl2，MgCl2混合液进入上室把三甲胺型氧化还原树脂再生成氯型，从上室顶部排出。加完NaCl溶液后，用自来水逆流置换5分钟，再用自来水正洗，自来水从上室顶端进入，从下室底部排出，直到正洗水硬度≤0.03meq/L，排出Cl-浓度相于同原水Cl-浓度。
(3)用Na2SO3顺流再生。将上述8％的Na2SO3水溶液，从除氧软化设备顶部流入，还原再生三甲胺型氧化还原树脂。流出的NaCl，Na2SO4混合液顺流进入下室。进一步再生尚未完成转成钠型的阳离子交换树脂。从除氧软化设备底部排出CaSO4和CaCl2混合液。
(4)正洗除氧软化设备。工业用原水从顶端进入，下端排出，直到排出水清澈透明，硬度、残余氧含量合格。
(5)顺流通入工业用原水进行正常运行，，生产脱氧软化水。
3、结果如下
生产脱氧水4.25米3，残余氧含量≤0.01mg/L，硬度≤0.03meq/L(达GB1576-96低压锅炉水质标准)
4、结果计算
工业实验例2
1试验条件
(1)本发明除氧软化设备：Φ350×2500的上下两室结构除氧软化设备，上室装三甲胺型氧化还原树脂106升，其除氧工作容量为0.72mg/ml，下室装通用强酸型钠型阳离子交换树脂50升，其工作交换容量为1meq/ml。
(2)NaCl 3公斤配成14％(W+/V)水溶液；1公斤Na2SO3配成8％(W+/V)水溶液。
(3)工业用原水：深井水，硬度4.93meq/L，含氧量10.6mg/L。
2操作步骤
(1)用工业原水反洗两种树脂，赶去树脂床层中的气泡及洗去夹带的杂质。
(2)逆流再生软化树脂，将上述NaCl水溶液从除氧软化设备底部进入进行再生，NaCl溶液先流过下室，再生失效的阳离子交换树脂成钠型，流出的CaCl2，MgCl2，NaCl混合液进入上室把三甲胺型氧化还原树脂再生成氯型，从上室顶部排出。加完NaCl溶液后，用自来水逆流置换5分钟，再用自来水正洗，自来水从上室顶端进入，从下室底部排出，直到正洗水硬度≤0.03meq/L，排出Cl-浓度相于同原水Cl-浓度。
(3)用Na2SO3顺流再生。将上述8％的Na2SO3水溶液，从除氧软化设备顶部流入，还原再生三甲胺型氧化还原树脂。流出的NaCl，Na2SO3混合液顺流进入下室。进一步再生尚未完成转成钠型的阳离子交换树脂。从除氧软化设备底部排出CaSO4混合液。
(4)正洗除氧软化设备。工业用原水从顶端进入，下端排出，直到排出水清澈透明，硬度、残余氧含量合格。
(5)顺流通入工业用原水进行正常运行，生产脱氧软化水。
3、结果如下
| 脱氧水累计产量(米3) | 0 | 1.0 | 2.0 | 4.0 | 6.0 | 7.0 | 7.2 |
| 残余氧含量(PPb) | ＜5 | ＜5 | ＜5 | ＜5 | ＜5 | 80 | 100 |
| 硬度meq/L | 0 | ＜0.03 | ＜0.03 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.1 | 0.15 |
生产脱氧水7.2米3，残余氧含量≤0.01mg/L，硬度≤0.03meq/L(达GB1576-96低压锅炉水质标准)
4、结果计算
Claims (10)
1、一种工业用原水除氧软化处理方法，该方法包括下列步骤：
(1)在除氧软化设备中，其中上下两室或左右两室分别装有氧化还原树脂和阳离子交换树脂，首先用工业用原水进行反洗；工业用原水由除氧软化设备的底部进入，先后通过上下两室或左右两室树脂床层从顶部排出，松动上下两室或左右两室树脂床层，并赶去树脂床层中气泡及夹带的杂质；
(2)逆流再生软化树脂：NaCl水溶液从除氧软化设备底部进入，先逆流通过下室或右室软化阳离子交换树脂床层使之再生，排出CaCl2、MgCl2的废液，再进入上室或左室脱氧氧化还原树脂床层进行预再生，使脱氧氧化还原树脂变成氯型，排出CaSO4，同时又反洗脱氧氧化还原树脂床层，洗去其中杂质及吸附的气泡；
(3)置换正洗：先用工业用原水逆流置换，时间 3-10分钟，置换水排出；而后进行正洗直到排出正洗水硬度≤0.03meq/L，Cl-浓度与工业用原水中Cl-浓度相同为止；
(4)再生脱氧氧化还原树脂：Na2SO3水溶液从除氧软化设备上室或右室进入氧化还原树脂床层，使由氯型再生还原成还原态，排出NaCl水溶液，再进入下室或左室软化阳离子交换树脂床层，继续再生软化树脂成Na型，排出CaCl2溶液；
(5)清洗除氧软化树脂：工业用原水从除氧软化设备上室或左室进入，从下室或右室排出，正洗脱氧氧化还原树脂床层和软化阳离子交换树脂床层排尽CaCl2；
(6)生产脱氧软化水：顺流通入工业用原水进入正常运行，生产脱氧软化水，残余氧含量≤0.1mg/L，硬度≤0.03meq/L。
2、根据权利要求1工业用原水除氧软化处理方法，其中所述阳离子交换树脂为磺化苯乙烯一二乙烯基苯钠型树脂，交联度为4-20％，工作交换容量为0.2-2克/升。
3、根据权利要求2工业用原水除氧软化处理方法，其中所述阳离子交换树脂的工作交换容量为0.6-1.2克当量/升。
4、根据权利要求1工业用原水除氧软化处理方法，其中所述氧化还原树脂为三甲胺或季胺或二甲基乙醇胺苯乙烯二乙烯苯氧化还原树脂，其工作除氧容量为0.5-5.0克/升。
5、根据权利要求4工业用原水除氧软化处理方法，其中所述工作除氧容量为0.7-2.0克/升。
6、根据权利要求1工业用原水除氧软化处理方法，其中所述氧化还原树脂与阳离子交换树脂的体积比为1.5∶1-2.5∶1。
7、一种工业用原水除氧软化处理的设备，该设备包括筒体或塔体(1)；布水盘(2)，设置在筒体或塔体内，将筒体或塔体分成上下两室或左右两室，两室分别装氧化还原树脂与阳离子交换树脂，两室容积以氧化还原树脂与阳离子交换树脂体积之比表示为1∶1-3∶1；布水盘上设置若干塔式过滤帽(3)，布水盘与筒体或塔体之间为焊接联结；筒体或塔体上下两端设有进出口料管的弧形球面的封顶(4)和封底(5)，中下布水盘的上方设有进出口料管(6)。
8、根据权利要求7的工业用原水除氧软化处理的设备，其中所述设备为上下两室结构的除氧软化设备。
9、根据权利要求7的工业用原水除氧软化处理的设备，其中所述设备为左右两室结构的除氧软化设备。
10、根据权利要求7、8或9所述的工业用原水除氧软化处理的设备，其中上下两室或左右两室容积以装氧化还原树脂与钠型阳离子交换树脂体积之比表示为1.5∶1-2.5∶1。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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