离子交换智能再生技术应用研究

高商牛 夏国平

（中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，200540）

工业化应用

离子交换智能再生技术应用研究

高商牛 夏国平

（中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，200540）

对离子交换系统树脂激活护理远程在线传输梯度分段智能再生控制做了详细介绍，通过对污染树脂进行祛除污染激活护理、优化再生工艺过程、梯度分段智能再生控制和建立新的树脂梯度分段再生平衡等途径，降低树脂再生过程中盐酸和氢氧化钠消耗，并通过大量试验数据的对比分析，印证了梯度分段智能再生控制优于现行常规的单一浓度再生效果，具有较大的推广应用价值。

离子交换 树脂再生 梯度分段 智能控制

中国石化上海石油化工股份公司（以下简称上海石化）热电部是以供热为主的热电联产单位，热电部东区化学水处理系统采用离子交换处理工艺，低硅水经阳床、弱阴床、强阴床处理后至混床处理。近年来，随着离子交换树脂使用年限的增加，离子交换系统运行效果逐年下降，树脂污染逐渐累积，造成再生盐酸和氢氧化钠消耗不断增加。通过对污染树脂进行祛除污染激活护理，优化再生工艺过程，实行智能再生调节，建立新的树脂再生平衡，从而实现降低盐酸和氢氧化钠消耗。

2013年9月，上海石化热电部与重庆汉能环保工程技术有限公司（以下简称汉能公司）合作，以东区第二套离子交换系统，即阳床（5＃～8＃）、阴床（5＃～8＃）作为研究对象，对树脂激活护理、远程在线传输、智能再生控制系统改造。2013年10月完成技术改造并投运，2014年1月试验结束，达到了预期目标。

1 系统概况

1.1 东区化学水处理系统流程

水厂来的低硅水经过两根直径为500 mm（Dg500）的生水母管进入阳离子交换器进行阳离子交换，其出水经两根直径为400 mm（Dg400）的母管送入除碳器，除去二氧化碳后进入中间水箱，由中间水泵升压后经两根Dg400母管依次送入弱碱阴离子交换器和强碱阴离子交换器（二者串联运行）进行阴离子交换和除硅后，其出水作为一级除盐水通过两根Dg400的母管进入一级除盐水箱，一级除盐水由一级除盐水泵升压后，经过两根Dg400的母管送入体外再生混床离子交换器进行深度除盐，其出水作为二级除盐水进入二级除盐水箱。二级除盐水由二级除盐水泵升压后，经过4根不同口径管道至1＃、2＃、3＃外供水联箱向外供水。水处理设备设计最大出力为1 250 t／h。

1.2 酸再生系统

再生用的盐酸其质量分数为30%，酸计量箱中的盐酸，经过酸喷射器升压并稀释到质量分数为2%～3%后，送入阳离子交换器或混床再生塔进行阳树脂再生。每4台阳离子交换器合用一套酸计量箱及酸喷射器，混床再生塔单独设计一套酸计量箱和喷射器。酸喷射器水源是中间水泵出口的阳离子交换水。

1.3 碱再生系统

再生用的氢氧化钠其质量分数为32%，再生时，碱计量箱中的氢氧化钠经过碱喷射器升压并稀释到质量分数为2%～4%后，再经过蒸汽喷射器使碱液加热到40℃左右，然后送入阴离子交换器或混床再生塔进行阴树脂再生。每4台强、弱碱阴离子交换器合用一套碱计量箱、碱喷射器和蒸汽喷射器，碱喷射器水源是经过还原泵升压后的二级除盐水或反洗水箱中的回收水，喷射器汽源采用0.8～1.3 MPa的蒸汽。

2 离子交换智能再生技术原理

离子交换智能再生技术有两个关键点：一是对离子交换中作为载体的树脂进行化学激活护理，提高树脂的交换能力和使用周期；二是通过对再生系统加装智能再生控制器，对相关设备、管路等加装稳流器，通过系统化的升级改造及科学演算制定优化的再生工艺，从而更好地控制再生曲线和再生浓度梯度，实现降低离子交换系统再生盐酸和氢氧化钠的消耗。

2.1 树脂激活

用作水处理的树脂因生产原因及长时间使用后，受难以置换的重金属及有机物污染，使其交换容量下降，导致周期制水量下降，运行周期缩短［1］。树脂激活护理技术采用HONG－SP2药剂，利用等电原理通过彻底的化学置换反应过程，有效置换出树脂沉积的铁离子、有机物等污染物。采用具有专利技术的HONG－SP2药剂，在罐体内进行循环，在树脂表面形成表面活性的同时生成巨大的氢离子或氢氧根离子膜浓度梯度。一方面对树脂孔网堵塞进行祛除，另一方面对树脂官能团进行修复，重构树脂结构，从而恢复树脂的活性，增加树脂的交换容量，达到延长制水周期，增加制水量的目的。

2.2 智能再生

根据离子交换器除盐系统优化运行参数计算，将系统最优运行方案程序化输入HONG－NS智能再生控制系统，利用控制系统对再生过程进行智能化控制。

“HONG－HN离子交换系统智能控制”即：HONG－SP（药剂）＋HONG－EP（传输）＋HONG－NS（控制）＝HONG－HN，主要包括三大核心技术：树脂激活护理、远程在线传输、智能再生控制。第一，离子交换树脂激活护理技术采用HONGSP2药剂，利用等电原理通过彻底的化学置换反应过程，有效置换出树脂沉积的铁离子、有机物等污染物，洗出污染物后进行树脂采样分析，完成激活处理。第二，远程在线传输利用互联网技术将系统运行技术数据上传到网络，管理者可随时利用互联网对平台进行访问，了解当前系统运行状况及问题，实现远程监控，提供远程技术服务。第三，离子交换系统智能再生控制应用于离子交换系统的再生过程，实现全自动再生以及最适梯度分段式再生。该系统利用计算机进行数据分析，从而实现再生过程的精细化控制，将常规再生过程中的进酸、进碱部分分为3个阶段，置换出树脂中吸附的各种离子，从而提高盐酸和氢氧化钠利用率，降低盐酸和氢氧化钠消耗消耗，减少废水排放。

3 离子交换智能再生技术的应用

以东区化学水处理系统中4台阳床和4台阴床，以及对应的一套酸碱再生系统作为研究对象。根据目前再生系统现状，为实现离子交换智能再生目标，在系统优化方案设计时，增加了酸碱浓度在线显示装置、酸碱温度在线显示装置、酸碱状态预警装置、水质pH检测装置、梯级再生装置和树脂激活等。

3.1 离子交换树脂激活

3.1.1 数据采集

树脂激活处理前，分别采集阴阳树脂样本进行污染分析，鉴别树脂的污染因子及污染程度，大致分为阳树脂氧化、阴阳树脂铁离子污染、阳树脂铝离子污染、阳树脂钙离子污染、阴树脂硅离子污染以及油类和有机物对阴阳树脂的污染等方面。

3.1.2 配制激活药剂

通过对树脂污染分析，得到分析数据组，据此配制适合强酸性的苯乙烯系阳离子交换树脂、弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂、强碱性季胺I型阴离子交换树脂、弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂等各项祛污药剂。

3.1.3 激活系统构成

激活系统一般有在线激活系统和离线激活系统两种方式。根据东区系统现状和生产需要，采用在线激活系统，即在对喷射器装置改造的基础上，加装一套定制设备，定制设备受远程智能再生控制系统控制监测，可在系统运行同时进行树脂激活，并实现远程控制、错误预警等功能。

3.1.4 树脂复苏激活过程

采用在线激活系统流程，喷射装置部分经改良加装一套定制设备，由定制设备连接HONGPS喷射器，输入相应配制的特殊药剂。第一次再生时，定制设备的加药剂及溶液进行混合，第一次再生结束时，由定制设备经HONG－PS喷射器将阴阳树脂激活剂输入罐内，浸泡4 h达到激活效果后进行第二次再生，排水，大反洗，至出水澄清。此法可在不影响水处理运行的同时进行远程控制树脂激活。

3.2 再生系统改造

再生系统改造前采用单一浓度再生，改造后，加装了智能再生控制系统，包括智能控制箱、电动调节阀、定制喷射器（对原有喷射器进行改进）、在线酸碱浓度计、稳流装置等设备，并遵循与原有系统情况相匹配的原则。改进后的再生系统改变了以往传统的单一浓度再生方式，保持合适的浓度梯度进行再生，有效缓解再生过程中的二次污染，最大程度地减少非液源性污染的产生，并合理分配再生液用量，减少再生过程中的过度用量。

3.2.1 梯度再生原理

根据来水中各种离子的含量情况，将常规再生过程中的进酸、进碱部分分为3个阶段，分别用于针对性地交换出树脂中吸附的各种离子：第一阶段，容易去除的钙离子等；第二阶段，钠、钾等常规离子；第三阶段，主要是铁等具有较特殊的等电点特性的金属离子。

3.2.2 系统结构

通过对离子交换器数据的实际测量，组合制作相对应的设施。

（1）HONG－PS喷射器。通过对喷嘴的改良，加装HONG－PS喷射器，达到控制进出再生液的目的。

（2）流量稳定装置。在各个主要管道加装流量稳定器，解决管道内溶液不稳定的问题。

（3）智能调节模组。通过探头把各项实时数据传输给智能芯片，智能芯片可即时传输各项指令，同时把各项数据反映到中央服务器上，在由计算机处理的同时人工同样可监控，以保证整个运行过程的完善。

（4）智能控制调节阀。由智能控制系统连接的调节阀控制并保证各溶液的进出流量及稳定数据，通过集成控制箱接收或传输信号指令。

（5）通过分组无线服务技术（GPRS）传输控件及执行机构。实时在线传输各项指令，保证系统设备跟中央服务器相连接，当出现智能系统解决不了的问题时，保证服务器马上接收报警信号，每0.5 s完成一项数据传输。

3.3 智能再生控制

HONG－NS离子交换智能再生控制系统是新一代全中文微机型智能控制系统，适用于离子交换系统的再生过程，能实现全自动再生以及最适梯度分段式再生，还能有效提高酸碱利用率，降低人的工作强度。其不同于一般的集成控制系统，可通过无线装置连接中央服务器，通过汉能公司开发的远程无线监控平台，可实现再生过程的远程实时监控，将物联网的理念引入工业技术领域。

3.3.1 系统原理

HONG－NS离子交换除盐水再生智能控制系统由信息接收端、信息处理器、执行机构、中央服务器、远程监控平台5大部分组成。其基本原理是利用计算机数据分析，实现再生过程的精细化控制。通过电控执行机构，使再生液浓度、流量精确符合设计值，并跟踪交换器实际运行工况，实现梯级分段式再生，从而实现并维持低盐酸和氢氧化钠消耗状态。

3.3.2 系统组成

整个系统包括：（1）具备无线远程数据传输功能和控制数据执行功能的控制箱；（2）由2～4组在线水质仪表组成的信息接收端；（3）由2～4组电控调节阀组成的执行机构；（4）远程监控平台及中央服务器后台服务。

3.3.3 系统实现功能

该系统可实现以下功能：（1）实现智能化再生控制，再生过程一键式控制，无需人工操作；（2）根据来水水质情况，制定三段式再生曲线，设定相应参数，实现最优化再生；（3）根据季节变化等因素导致的水质变化，通过中央服务器反馈信息及时调整再生曲线，保持低酸碱消耗状态；（4）根据交换器离子交换树脂的实际运行情况在线实时调整再生盐酸和氢氧化钠消耗量，实现精确控制；（5）记录床体运行再生次数，自动执行双倍再生，维持树脂清洁；（6）智能调节盐酸和氢氧化钠的再生废水的排放量，使其达到排污最小化；（7）结合平台数据记录功能，发现及预防再生过程中出现设备隐患，保障运行安全。

3.4 数据监控与管理

3.4.1 远程在线监控

利用互联网技术将系统运行技术数据上传到网络，管理者可在任意地点利用互联网对平台进行访问，了解当前系统运行状况。同时通过平台，还可以对装有汉能离子交换智能再生控制系统的其他企业系统运行状况进行了解对比，并通过平台进行交流互动。技术人员通过电脑、移动通讯装置等对运行系统进行24 h全天候访问监控，对反馈数据由计算机进行数据处理分析，及时掌握系统运行状况，达到与现场人员系统状况的相同处理，保证低耗稳定的系统运行状态。

3.4.2 建立完善的数据记录台账

在完成树脂激活和智能再生控制系统改造之后，应对系统运行进行科学的记录管理，并建立相应的台账，便于日后寻找问题及优化改善。

3.4.3 信息交互及参数修改

在使用智能再生控制系统对再生过程进行控制的过程中，技术人员可就水质情况，定期与技术支持方人员进行互通。通过远程监控平台，根据水质变化情况制订出当前最合适的再生曲线，以便维持系统低消耗运行状态。

4 离子交换智能再生技术应用效果分析

上海石化热电部东区化学水处理系统中阳床（5＃～8＃）、阴床（5＃～8＃）共用一套盐酸和氢氧化钠再生系统，改造前以单一浓度进行再生，改造后以水质变化情况制订出当前最合适的再生曲线进行智能再生控制。

4.1 试验数据对比

试验期间，对东区5＃～8＃阳阴床再生运行消耗数据进行了统计，与同期运行的其他阳阴床进行了横向对比。

（1）阳床对比

汉能改造阳床组13床次，同期其他阳床组13床次，运行数据表明同期其他阳床组盐酸消耗为1.09 kg／t，汉能改造阳床组盐酸消耗为0.99 kg／t，下降比例为9.2%（见表1）。

表1 汉能改造阳床组与同期其他阳床组再生数据

（2）阴床对比

汉能改造阴床组13床次，同期其他阴床组13床次，运行数据表明同期其他阴床组氢氧化钠消耗为0.83 kg／t，汉能改造阴床组氢氧化钠消耗为0.69 kg／t，下降比例为16.9%（见表2）。

表2 汉能改造阴床组与同期其他阴床组再生数据

4.2 树脂激活对制水的影响分析

树脂对不同的离子交换能力不同，树脂的污染其本质是树脂吸附了亲和力更强的（相比再生剂离子）离子，无法用正常的再生方式恢复。HONG－SP2激活剂采用树脂亲和力介于污染离子和再生离子之间的物质，先将污染物替换出来，再用再生剂将激活剂离子置换出来。此项技术提高了树脂的利用率，有效地提高了周期制水量。

4.3 经济效益分析

（1）酸碱部分

根据东区研究对象试验期间运行数据计算，盐酸消耗下降9.2%，氢氧化钠消耗下降16.9%，按盐酸550元／t，氢氧化钠800元／t计算，即每年节约费用44万元左右。如果在东西区全面推广应用，预计每年可节省费用150万元。

（2）节约再生用水和减少废水排放

根据研究对象试验期间数据统计测算，东区每年可节约29 kt除盐水及减少相应的废水排放。如果在东西区全面推广应用，预计每年可节省除盐水90 kt以上，并减少相应的废水排放。

5 结语

目前化学水处理树脂再生的常用方法是采用单一的等浓度再生法，再生前也未对树脂作祛污激活护理处理，对于一些已老化、污染严重的树脂再生处理能力不强，再生过程中存在盐酸和氢氧化钠过度消耗的问题。以东区5＃～8＃阳阴床为研究对象，通过对树脂激活护理、远程在线传输、采用梯级分段浓度智能再生控制，与现行常规再生方式相比，在酸碱利用率上有较大幅度的提升，能有效降低再生过程中盐酸和氢氧化钠消耗，并可节约大量的再生用除盐水和减少相应的废水排放，具有较大的推广应用价值。

［1］ 张维科.再生方法对阳离子交换树脂再生度的影响［J］.热力发电，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年毕业于上海电力学院热能动力专业，工程师。曾从事锅炉水处理运行技术管理工作20余年，现从事科技项目管理工作。