引言

供熱鍋爐房對補水硬度有嚴格要求,目前鍋外水處理工藝中,鈉離子交換法軟水設(shè)備應(yīng)用廣泛。文獻[1]和文獻[2]都對鍋外水處理鈉離子交換方法進行了介紹,但對于供熱鍋爐房設(shè)計領(lǐng)域的工程人員來講,鍋爐房用水量的構(gòu)成、用水量計算公式中各項要素之間的聯(lián)系、設(shè)備選型與理論計算之間的合理匹配,以及方案設(shè)計階段如何簡化用水量計算等問題的理解還是存在概念不清晰、過程不系統(tǒng)等難點,值得進行系統(tǒng)梳理和探討。

1用水量計算

1.1軟水器單個交換周期的耗水量構(gòu)成

要知道軟水器單個交換周期的耗水量構(gòu)成,只需要建立一個交換周期內(nèi)鍋爐房的水量平衡方程。

(1)若不設(shè)置獨立反洗水箱,以整個鍋爐房為研究對象建立平衡方程如下:

平衡方程中等式右側(cè)前四項的計算結(jié)果為鍋爐房軟水需要量:最后一項包括三個組成部分,為軟水器自身耗水量。

(2)同樣不設(shè)置獨立反洗水箱,以軟水器為研究對象建立平衡方程如下:

式中,50為軟水器單個交換周期的總耗水量(m3):0c為單個交換器的軟水產(chǎn)量(m3/臺):0f為單個交換器的反洗耗水量(m3/臺):0b為單個交換器的再生耗水量(m3/臺):0z為單個交換器的正洗耗水量(m3/臺):n為同時工作的交換器臺數(shù)(臺)。

在式(2)中,等式兩邊同時除以再生周期7,即得到軟水器進水平均流量方程:

式中,g為鍋爐房需要的小時軟水量(m3/h):ggj為蒸汽鍋爐小時給水量(m3/h):gbj為熱水鍋爐一次網(wǎng)小時補水量(m3/h):gpw為鍋爐小時排污量(m3/h):gns為凝結(jié)水小時回收量(m3/h):其他符號同前。

式(3)中,可理解為因交換劑再生需要產(chǎn)生的折算小時用水量,之所以稱為"折算小時用水量",是從再生周期的定義角度出發(fā)的。

再生周期是從交換劑再生完全到下次失效的時間,也就是交換器從再生完全開始,連續(xù)輸出軟化水直到出水硬度指標達到0.03mmol/L所用的時間。從再生周期的定義可知,交換劑失效后的反洗、再生和正洗過程并不在再生周期內(nèi),對單個交換器而言,從再生完全到下次再生完全所用的時間應(yīng)為:

式中,7s為再生完全至下次再生完全總時間(h):7為再生周期(h):7f為反洗時間(h):7b為再生時間(h):7z為正洗時間(h)。

之所以在式(3)中,計算平均小時流流量時分母采用7值,而不是7s,一是在整個7s中,7一般在12~24h,即使小出力設(shè)備(不超10t/h)的7值最少也在6~8h,而一般情況下,反洗時間約15min,再生時間約30min,正洗時間約40min,三項之和共計1.42h,在7s中所占比例較小:二是軟水器主要功能是輸出軟化水,7是有效輸出時間,7f+7b+7z則為無效輸出時間,計算小時平均流量應(yīng)以有效輸出時間為基準,而且反洗、再生和正洗用水量折算到7時間內(nèi),從工程應(yīng)用的角度出發(fā)也是安全的。

1.2交換器再生周期的計算

下面以工程中采用較多的交換樹脂為例分析再生周期的計算。

一般產(chǎn)品樣本中會給出交換劑的填裝量C(kg),樹脂濕視密度p(g/mL)一般在0.6~0.85g/mL之間,則可計算出單臺交換器填充的交換樹脂體積:

式中,V為單臺交換器填充的樹脂體積(m3):1000為單位換算系數(shù)。

則單臺軟水器的產(chǎn)水量為:

式中,e為交換劑工作交換容量(mol/m3):H0為原水總硬度(mmol/L):Hc為軟水總硬度(mmol/L),一般取0.03mmol/L:其他符號同前。

若已知鍋爐房所需要的小時軟水量0,即可求得軟水器的連續(xù)工作時間或再生周期:

式中,所有符號同前。

1.3軟水器進水最大小時流量的確定

在工程設(shè)計中,一般離子交換器的設(shè)置不少于2臺,考慮一臺為再生備用,假設(shè)同時工作的交換器數(shù)量為n臺,在這種運行方式下,同一個再生周期內(nèi),n臺設(shè)備同時輸出軟化水,而備用再生設(shè)備則進行再生(反洗、再生和正洗)過程,因此軟水器進水最大小時流量為:

式中,ζmax為軟水器進水最大小時流量(m3/h):g1為軟化流度(m/h):gf為反洗流度(m/h):gb為再生流度(m/h):gz為正洗流度(m/h):F為樹脂罐截面積(m2):ζf為反洗小時流量(m3/h):ζb為再生小時流量(m3/h):ζz為正洗小時流量(m3/h):ζ為鍋爐房所需小時軟水流量(m3/h)。

1.4平衡方程中各項耗水量的計算

(1)軟水器的各項耗水量取決于三個要素:流速(m/h)、樹脂罐截面積(m2)和時間(min),詳見公式(9)~(11)。

式中,各項符號同前。

(2)鍋爐房軟水用水量的計算:由式(1)和式(3)可知,鍋爐房軟水用水量=蒸汽鍋爐小時給水量(含排污量)+熱水鍋爐一次網(wǎng)小時補水量-凝結(jié)水小時回收量,各項用水量計算參見文獻[1],不再贅述。

2工程實例分析

利用上述公式對某工程進行用水量計算、設(shè)備選型和相關(guān)分析。分析計算取軟水器反洗速度15m/h,反洗時間15min:再生速度3.5m/h,再生時間計算確定:正洗速度15m/h,正洗時間40min,鍋爐房所需小時軟水量6.86m3/h。

2.1選型計算

軟水器處理水量7~9.6m3/h,雙閥雙罐,交換器同時工作1臺,軟水器出力大于所需軟水流量6.86m3/h。

經(jīng)計算:鍋爐房小時用水量19.59m3/h,平均小時用水量7.08m3/h:軟水器小時耗水量12.73m3/h,占比65%:軟水器平均小時耗水量0.22m3/h,占比3.1%:軟水器再生周期27.1h,超過規(guī)范規(guī)定合理范圍(12~24h)。

2.2優(yōu)化選型

軟水器處理水量5~8m3/h,單閥雙罐,交換器同時工作1臺,鍋爐房選軟水器出力與所需軟水流量匹配。

經(jīng)計算:鍋爐房小時用水量13.56m3/h,平均小時用水量7.02m3/h:軟水器小時耗水量6.7m3/h,占比49.4%:軟水器平均小時耗水量0.16m3/h,占比2.3%:軟水器再生周期19.4h,在規(guī)范規(guī)定合理范圍內(nèi)。

根據(jù)2.1和2.2的計算結(jié)果可知:

(1)當軟水器放大一號時,最大小時用水量增大44.5%,再生周期增大39.7%,且超過規(guī)范規(guī)定的合理范圍,平均小時耗水量增大0.85%,軟水器小時耗水量在鍋爐房小時用水量中的占比增大32.7%。

(2)當軟水器出力與鍋爐房所需軟水量合理匹配時,軟水器小時耗水量占比約50%:再生周期在規(guī)范規(guī)定的合理范圍內(nèi):軟水器平均小時耗水量占比不超過4%,即使放大一號,占比也不超過5%。

平均小時耗水量增大幅度很小,幾乎可忽略。原因:一是軟水器平均小時耗水量的占比很小,優(yōu)化前后分別為3.1%和2.3%:二是軟水器規(guī)格放大延長了再生周期,但耗水量也增大,而軟水器耗水量的變化對平均小時耗水量的影響稍大一些。

3結(jié)論

(1)通過建立鍋爐房用水量平衡方程,梳理和總結(jié)了鍋爐房用水量的計算方法。

(2)軟水器選型時增大規(guī)格會增大再生周期,提高供水的連續(xù)性,但會導致用水量、設(shè)備費用等指標的大幅增加,存在經(jīng)濟性問題,實際選型時不應(yīng)盲目放大。

(3)當軟水器選型合理時,軟水器小時耗水量約占鍋爐房最大小時用水量的50%,而軟水器平均小時耗水量約占鍋爐房平均小時水量的4%,在方案階段按5%~6%估算是安全的。