高硬度、高碱度原水用于锅炉时，单纯的软化处理，虽然除去了硬度，却保留了过高的碱度，进入锅炉后，随着锅炉运行的蒸发浓缩，锅水碱度将急剧增高，不仅将增大锅炉排污，浪费燃料，降低锅炉热效率，并增加锅炉补给水量，而且将显著影响蒸汽质量，严重的甚至发生汽水共腾事故和锅炉金属的碱腐蚀。因此，高硬度、高碱度原水需要进行软化降碱处理，以达到除去硬度，降低碱度至适当值的目的。

中国东北某化工企业配备2台额定工作压力1.6MPa、蒸发量35m3/h的蒸汽锅炉，其中一台锅炉24小时连续运行，另一台锅炉以备用为主，生产量大时需两台同时运行。

釆用地下水作为原水，其水质检测结果：平均碱度为5.9mmol/L，属于高硬度、高碱度水，需要进行软化降碱处理。考虑各种因素，决定采用氢-钠离子交换系统进行软化降碱处理。为防止锅炉结垢、提高蒸汽质量、降低锅炉排污率，要求系统出水硬度＜0.03mmol/L、碱度≤0.9mmol/L，确保锅炉排污率不超过5%（锅水浓缩不低于20倍）的情况下，锅水碱度符合GB/T1576《工业锅炉水质》标准的要求（即锅水浓缩20倍后，碱度≤24.0mmol/L）。

软化降碱氢-钠离子交换系统

因为原水为地下水，不仅硬度和碱度较高，而且可能含有泥砂等杂质，因此采用叠片式过滤器过滤泥砂，以确保离子交换器进水浊度小于5NTU。

对于氢离子交换树脂的选择，有强酸性H+和弱酸性H+离子交换树脂可选，弱酸性H+离子交换树脂具有交换容量大、出水不产生强酸、系统出水质量易控制、再生酸耗低、废酸浓度低、废液处理成本低等优点。下面将两种树脂通过树脂填装量、再生用酸量的计算结果进行比较：

a) 树脂填装量计算：

为了使H+交换器与Na+交换器基本同步失效、同时再生，H+交换树脂与Na+交换树脂的比例需根据原水的碳酸盐硬度（即原水碱度）和非碳酸盐硬度（即原水总硬度与碱度之差值）的比例以及保留的碱度来确定。已测得原水总硬度6.2mmol/L、碱度5.9mmol/L，则原水中碳酸盐硬度=碱度=5.9mmol/L，非碳酸盐硬度=总硬度-碱度=6.2－5.9=0.3mmol/L，要求软化降碱处理后系统出水碱度≤0.9mmol/L，因此H+交换需除去的碳酸盐硬度为5.9－0.9=5mmol/L，Na+交换需除去的硬度为6.2－5=1.2mmol/L。查得弱酸性阳离子交换树脂的工作交换容量为1800～2000mol/m3，强酸性阳离子交换树脂的工作交换容量为800～1200mol/m3；锅炉蒸发量为35m3/h，考虑到锅炉排污等损耗，锅炉补给水处理量按38m3/h计，24小时连续运行，以每天再生一次，计算弱酸性H+交换树脂填装量V弱H、强酸性H+交换树脂填装量V强H、Na+交换树脂填装量VNa如下：

式中：
Q——交换器周期制水量，按24小时再生一次计，单位为m3；
YD——需除去的硬度，单位为mmol/L；
k——保证出水硬度合格的安全系数，一般弱酸性H+交换树脂取1～1.2，强酸性阳离子交换树脂（包括H+交换和Na+交换），取1.2～1.8；
E——树脂的工作交换容量，单位为mol/m3。

从计算结果可知：由于弱酸性H+交换树脂的工作交换容量远大于强酸性H+交换树脂，因此仅需填装2.8m3弱酸性H+交换树脂，如果采用强酸性H+交换树脂则需6.8m3。

b) H+交换树脂一次再生用酸量计算：

根据上述计算的树脂填装量，对于顺流再生软水器，弱酸性H+交换树脂和强酸性H+交换树脂再生时，一次再生用酸量分别计算如下：

式中：
mz——再生一次所需的浓酸量，kg；
VR——树脂罐内填装的树脂体积，m3；
E——树脂的工作交换容量，一般强酸性H+交换树脂按1000mol/m3计算，弱酸性H+交
换树脂按1800mol/m3计算；
k——再生剂比耗，对于强酸性H+交换树脂一般逆流再生时取1.2～1.8；顺流再生时取2～3.5；弱酸型H+交换树脂一般只需取1.0～1.1；
M——再生剂的摩尔质量，用酸再生时，HCl为36.5；
ε——再生剂的纯度，一般工业用浓盐酸（HCl）30%～33%。

从计算结果可知：虽然弱酸性阳离子交换树脂比强酸性阳离子交换树脂价格高，但树脂填装量和再生用酸量要少得多；而且再生酸液浓度，一般弱酸性树脂再生仅需1.5%~2%HCl，强酸性树脂再生需3%～4%HCl。因此，选用弱酸性阳离子交换树脂，总体投资成本和再生成本以及废液处理成本低得多，且环保压力少。

通过分析比较，本系统采用弱酸性H+交换树脂除去碳酸盐硬度，并通过除二氧化碳器（简称除碳器）除去碳酸盐硬度经H+交换后产生的CO2，以达到降碱目的；然后再进入填装有强酸性阳离子交换树脂的Na+交换器，进一步除去非碳酸盐硬度和剩余的碳酸盐硬度。其水处理工艺流程为：原水→原水泵→叠片式过滤器→弱酸性+H交换器→除碳器→除碳水箱→中间水泵→Na+交换器→软水箱→锅炉补给水泵→进锅炉；弱酸性H+交换器再生时的废酸液排入化工厂污水池统一处理。

现场照片

根据上述计算结果，考虑到交换器反洗所需膨胀高度和树脂罐产品的规格尺寸，设计配置氢-钠离子交换软化降碱水处理系统为：H+交换树脂罐采用两台直径为1.5m、高度2.4m，罐内填装2.8m3弱酸性H+交换树脂；Na+交换树脂罐采用两台直径为1.2m、高度2.2m，罐内填装1.6m3 Na+交换树脂；配套用于H+交换器再生的盐酸罐和Na+交换器再生的盐水罐各一台，罐体直径为1.5m、高度1.2m；选用耐酸腐蚀的润新63640（F112A3）流量型控制阀，组成二套双阀双罐的H+交换系统和双阀双罐的Na+交换系统，可实现一用一备或两套并联运行（分别再生），产水量达到38m3/h～76m3/h。

63640（F112A3）

由于H-Na离子交换系统最终出水都经过钠离子交换处理，所以弱酸性H+交换器运行终点的控制不需太严格，只要出水中硬度降低量与进水碱度基本相当即可，系统的出水质量主要以控制Na+交换器出水硬度为运行终点。为此在钠离子交换器出口安装润新44710（F84）在线硬度监测仪，实时检测出水硬度，当出水硬度高于0.03mmol/L时，仪器报警并发出信号，使系统实现无人职守（定期人工复测）的自动控制管理。

两套弱酸性H+交换器和Na+交换器均采用“润新阀”特有的互锁线互锁，使氢-钠离子交换系统至少有一套处于运行状态，确保氢-钠离子交换系统始终有合格的出水来满足锅炉给水需求。另外，为了降低设备的能耗，确保系统的供水压力，原水泵、除炭水泵釆用变频控制。

该氢-钠离子交换软化降碱水处理系统投入运行近一年来，系统运行和再生及监测均可实现自动控制，通过每周对出水水质进行抽样复测验证，系统出水硬度和碱度均符合要求，锅炉给水和锅水水质达到国家标准要求，锅炉排污率和锅炉热效率达到节能减排要求，蒸汽质量得到保证，用户反映良好。

※ 本应用案例由沈阳洁明水处理设备有限公司提供