矿用全自动离子交换软化再生技术的研究.pdf

矿用全自动离子交换软化再生技术的研究 梁爱春 中国煤炭科工集团重庆研究院， 重庆 400037 摘要 针对煤矿井下水质差的问题， 研究了一种井下移动式软化装置。对影响离子软化再生效果和经济性的主要因素 进行实验分析， 对离子交换软化和加盐技术进行深入研究并设计出全自动软水器。通过实验室模拟实验， 表明 该全 自动软水器可将 1 500 mg/L 的高硬度水一次性降至 15 mg/L 以下， 盐耗 ＜150 g/mol， 自耗水量 ＜4。 关键词 软化; 煤矿; 离子交换 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404002 ＲESEAＲCH ON TECHNOLOGY FOＲ AUTOMATIC ION- EXCHANGE SOFTENEＲ ＲEGENEＲATION IN COAL MINE Liang Aichun Chongqing Institute of China Coal Technology ＆ Engineering Group， Chongqing 400037，China AbstractNew mobile ion- exchange softener are studied to solve the problem of poor water quality in coal mine． Based on analyzing and studying the main factores influencing the effect and economy of ion- exchange softener regeneration by tests，the ion- exchange softening ＆ salt technology are further studied systematically，then the softener is designed and manufactured as well． At last， laboratory test are conducted to verify main properties of the new softener． The results show that the automatic softener can be able to soften hard water from 1 500 mg/L to below 15 mg/L with wasting salt ＜150 g/mol and wasting water ＜4． Keywordssoftening;coal mine;ion- exchange 收稿日期 2013 －07 －02 0引言 据不完全统计， 中国有近 70 的煤矿井下用水 为高硬度水， 主要分布在西部高原、 黄淮平原及华东 沿海地区的多数煤矿。表 1 为部分煤矿高硬度矿用 水离子组成 ［1- 2 ］。高硬度水若直接用于井下降尘、 冷 却设备会造成冷却盘管爆裂、 电磁阀无法正常启闭、 喷嘴堵塞、 泡沫降尘时成泡率低等问题， 另外液压支 架用乳化液须用软化水进行配制。因此， 研究井下用 水软化技术及装备具有重要意义。 目前水质软化技术常见的有电渗析法、 离子交换 法、 反渗透法、 纳滤软化除盐法等 ［ 3- 4 ］。电渗析法适宜 处理低硬度水且原水回收率低 约 50 ［ 5- 6 ］。反渗透 法和纳滤软化除盐法要求条件高、 成本高 ［ 6 ］。离子交 换法适应面广、 成本低， 但该技术涉及工序繁多， 存在 体积大、 耗水、 耗盐量大、 盐路易堵等诸多问题 ［ 8- 9 ］。 表 1中国部分煤矿用水离子组成及总硬度 Table 1The ions composition and hardness of water in China’ s coal minesmg/L 煤矿ρ Ca2 ρ Mg2 ρ SO2 － 4 ρ HCO－ 3 总硬度 CaCO3计 内蒙乌素240. 5110. 71 026. 3421. 61 062. 5 徐州张集10456. 7472416496. 3 淄博双沟19276882257796. 7 山西汾西443. 93120. 02895. 76151. 131 609. 9 淮北临涣441. 763. 31 580. 6320. 31 368. 0 新汶全沟242. 928. 11 094. 598. 8724. 3 宁夏灵新124143884. 3391. 8905. 8 针对以上现状， 本文在离子软化、 再生方式及其 影响因素的实验研究基础上， 结合煤矿井下的环境和 工作特点研制了一种矿用全自动离子交换软化设备 简称软水器 ， 采用二级串联钠离子交换结构和压 力水自动加盐技术， 可连续产水、 软化效率高， 耗盐、 耗水量低， 体积小。 4 环境工程 Environmental Engineering 1软化系统总体思路 1. 1软化处理原水硬度值的确定 根据表 1 国内部分煤矿井下用水的总硬度， 设计 软化处理原水的硬度值≤1 500 mg/L。 1. 2软化出水硬度值的实验确定 对于用水设备来说， 其所用水硬度越低， 结垢的 风险性就越小。目前未有针对井下软化设备的产水 标准， 低温非循环冷却用水硬度值也未见规定。为 此， 根据井下冷却用水温度低于 50 ℃的情况， 配制不 同硬度的水选择黄铜、 不锈钢两种材质的金属片进行 50 ℃恒温浸泡 8 h 后， 再换水保温浸泡的实验 每次 250 mL 水， 共 30 次 。金属片经室温密闭干燥后用 精度为万分之一克的天平进行增重测量。实验结果 如表 2 所示。不锈钢片在浸泡水硬度 15 mg/L 时出 现了减重的情况， 铜片增重已不明显， 说明金属片在 硬度为 15 mg/L 时， 因硬度问题产生的积垢增重效应 和受腐蚀影响产生的减重效应相当。为此， 设定软化 系统的出水硬度在 15 mg/L 左右， 即可满足井下设备 用水需求。 表 2浸泡金属片累计增重测试 Table 2Ｒesult of sheet metal immersion test 水质硬度/ mg L －1 不锈钢增重/g黄铜增重/g 1000. 0060. 027 750. 0030. 021 500. 00240. 024 250. 00020. 0009 15－0. 00010. 0003 1. 3不同软化、 再生方式的实验研究 目前离子交换软化再生的方式主要有三种 顺流 软化再生方式 简称顺流 软化时水路流向和再生时 盐路流向都是由上至下穿过树脂; 逆流固床软化再生 方式 简称逆流固床 软化时水路流向由上至下穿过 树脂 将树脂压紧 ， 而再生时盐路流向相反; 逆流浮床 软化再生方式 简称逆流浮床 软化时水路由下至上 穿过树脂 将树脂托起 ， 再生时盐路流向相反 ［ 10 ］。 为能有针对性的提出软化、 再生技术的总体方 案， 取用状况相同的 20 L 树脂， 模拟井下用水配制硬 度 1 500 mg/L 原水对几种软化再生方式进行性能测 试， 实验数据见表 3。 由表 3 可以看出 逆流固床软化再生方式出水质 量最好; 逆流浮床软化再生方式产水量最高， 接近顺 流软化再生方式的 2 倍且耗盐量最低。在满足用水 设备水质需求 硬度 ＜15 mg/L 的情况下， 矿用软水 器要求在同样体积容量下产水量大、 盐耗尽量小， 为 此选用浮床逆流交换再生方式。 表 3不同软化、 再生方式的效果测试 Table 3Ｒesult of variable ways of saftening and regeneration modes test 软化、 再生方式顺流逆流固床逆流浮床 出水硬度/ mg L －1 546 产水量/m30. 50. 9 1. 1 耗盐量/kg2. 8 2. 42. 3 1. 4总体思路的提出 根据以上主要进、 出水处理参数和软化再生方式 的确定， 以及井下水压、 水质等情况， 设计软水器应包 括以下几个部分 1 进水处理装置， 对进入软化再生 装置的水进行必要的处理， 包括过滤、 调压等; 2 离 子交换再生装置与加盐装置， 这两部分主要用于实现 软化、 再生功能; 3 软水箱及液位传感器等， 主要用 于储存软水， 提高软水器的应用范围; 4 控制系统， 实 现对上述装置的自动控制。软水器系统结构见图1。 图 1软水器系统结构 Fig．1The structure of water softener system 2离子交换软化影响因素实验研究 确定了软化再生系统总体方案后， 影响系统软化 性能的主要因素为离子交换柱体高度、 软化流速和布 水方式等。 2. 1柱体高度与软化流速的实验研究 生产锅炉用水的浮床式离子交换柱体高度一般 在 1. 8 m 以上， 软化流速一般在 40 ～60 m/h， 而柱体 高度和流速决定了出水质量。针对不同柱体高度和 不同软化流速进行测试 实际填充树脂高度约为柱 体高的 85 ， 出水效果如图 2 所示。其中柱体高度 “ 2 ” 表示两个柱体串联。 由图 2 可知 出水硬度值随流速的降低和柱体高 度增加而减少。串联结构在一定程度上相当于增加 了柱体高度。限于井下空间要求和用水设备的需求， 确定软化工作流速为 60 m/h， 采用 2 1. 5 m 的串联 离子交换柱， 此时出水硬度为 15 mg/L。 5 水污染防治 Water Pollution Control 图 2不同柱体高度和流速的软化效果 Fig．2The effect of water softening through different ion- exchange column height and velocity 2. 2布水方式对软化效果的测试 “布水” 是在一定的工作截面上按一定规律布置 水量。布水的好坏直接影响树脂的交换能力 表现 为处理水量 和出水硬度值。为找到适合串联结构 形式的布水方式， 针对常用的几种布水方式进行实验 研究， 实验结果如表 4 所示。实验表明 孔管和喷头 式出水较集中、 流速快但出水硬度不达标， 而过滤网 出水均匀但孔径细密限制了流速。采用长筒过滤元 布水方式在出水质量达到 15 mg/L 的情况下产水量 达到1. 2 t， 此时树脂交换容量达到 99。据此， 交换 柱进水采用长筒滤元的布水方式。 表 4不同布水方式的软化效果 Table 4Ｒesult of variable ways of water distribution test 布水方式出水硬度/ mg L －1 流速/ m h －1 处理水总量/t 孔管20661. 1 喷头23811 过滤网10500. 8 长筒滤元15621. 2 2. 3离子交换柱工作参数确定及计算 1 离子交换柱工作流量和直径的确定。根据调 研， 井下掘进机、 采煤机冷却用水 并用于外喷雾 流 量一般为60 ～100 L/min。将软水器的工作流量设计 为 100 L/min。离子交换柱直径的计算公式为 D 4Q V 槡π 1 式中Q 设计流量， 取 6 m3/h; V 流速， 取 60 m/h。 由式 1 可计算出交换柱罐体直径为 370 mm。 外圆圆整为 400 mm。 2 连续产水能力的验证。软水器连续产水的前 提条件是 Tw＞ Tr 2 式中 Tw为系统的产水时间， 即离子交换时间; Tr为树 脂再生时间。 产水时间 Tw的计算式为 Tw E h V ΔH 3 式中E 树脂交换容量， mmol/L， 对于钠型树 脂， 可取经验值 900 mmol/L; h 树脂高度， m， 此处两级串联交换柱的 树脂净高度为 2 1. 3 2. 6 m; ΔH 进、 出水硬度差值， mmol/L， 此处进水 硬度为 1500 mg/L 15 mmol/L ， 出 水硬度为 15 mg/L 0. 15 mmol/L 。 根据式 3 计算出产水时间为 3. 2 h。 树脂再生时间 Tr的计算式为 Tr 50G E H Q0 4 式中G 树脂装填量， kg; H 全硬度 CaCO3 ， mg/L; Q0 额定出水量， m3/h。 根据式 4 计算出再生时间为 1. 64 h。 由于产水时间较之于再生时间十分宽裕， 所以系 统能够满足连续工作的需要。 3离子交换再生影响因素实验研究 树脂交换 Ca2 、 Mg2 离子达到饱和后， 需要用工业 NaCl 进行再生， 而再生时加盐方式、 加盐量及布盐方式 及盐液流量等都是影响还原树脂交换能力的关键因素。 3. 1再生加盐方式的实验研究 常用的加盐方式有高压水引射加盐、 喷射器引射 加盐和泵输送加盐以及水压式加盐等。为寻找适合 井下加盐的方式， 进行实验研究， 实验输送 40 L 饱和 盐液需要的水量、 时间， 并对饱和树脂再生程度进行 测试， 实验结果如表 5 所示。结果表明 泵送法最快， 引射加盐慢且耗水量大。另外在实验中发现存在以 下问题 水引射加盐技术容易受水压和水量影响， 且 引流阀容易堵塞， 引流效果不稳定; 喷射器引射加盐 方式要求溶盐罐高度比盛放树脂的容器高， 不适合井 下较狭窄的环境; 泵送加盐方式要求输送泵的材质为 耐腐蚀的金属材料， 设备成本较高， 并且加盐时间太 短， 树脂与盐液接触时间不充分， 再生效果不好; 而水 压式加盐方式允许固体盐存在， 一边输送一边融化， 有利于缩小溶盐器体积。由于煤矿井下静压水水压 在 3 MPa 左右， 可作为直接添加盐液的动力， 安全且 无耗能。据此， 采用水压式加盐方式。 6 环境工程 Environmental Engineering 表 5不同加盐方式效果比较 Table 5Ｒesult of variable ways of adding salts test 加盐方式水引射喷射器引射 泵输送水压式 耗水量/t1. 5 0. 80. 150. 3 再生程度/9598 5697 耗时/min30 18320 动力水压≥0. 2 MPa无电动水压≥0. 2 MPa 3. 2布盐方式及盐液流量影响再生效果的研究 布盐方式和盐液流速是影响树脂再生效果的关 键因素， 因盐液流速低易出现短路和绕流造成树脂只 能有部分得到再生。借鉴布水方式的实验结果， 过滤 网式能适应低流速的情况。因树脂直径一般为0. 2 ～ 0. 3 mm， 过滤网要兼具过滤树脂和布盐的双重功能。 为此， 选择 80， 100， 120 目三种规格过滤网进行不同 盐液流量的树脂再生效果的实验测试， 实验结果如图 3 所示。根据实验结果可以看出 盐液流量存在最佳 值， 对于 2 1. 5 m 的 400 mm 的交换柱体其最优盐 液流量为150 L/h; 另外， 过滤网目数越大则再生效果 越差， 80 目的过滤网即可保证树脂不会流失又可使 树脂获得较好的再生效果。 图 3盐液流速与树脂再生效果关系 Fig．3The relationship between the speed of salt flow and resin regeneration results 3. 3加盐器的设计计算 3. 3. 1加盐周期的确定 经调研， 井下工人工作时间一般是三班倒或四班 倒， 即每隔 8 h 或 6 h 工人换一次班。为防止添加重 复或漏加， 设定加盐周期为 8 h。 3. 3. 2再生剂 NaCl 用量的确定 再生剂 NaCl 用量的计算式为 M S h E J 1000 5 式中M 1 个产水周期内 NaCl 的使用量， kg; J 盐耗， 经验值为 100 ～150 g/mol; S 离子交换柱横截面积。 此处， J 取 150 g/mol， 在 1 个产水周期内， NaCl 使用量为 44 kg。 根据离子软水器的产水时间， 可知每隔3.2 h 左右 需用盐44 kg， 若要保持在1 个加盐周期 8 h 以上加 1 次盐， 那么每次加盐量 M 固体盐 可按式 6 计算 M ≥ 1 ω 1 c T Tw M 6 式中ω 盐液利用率， 一般为0.65 ～0.8， 取0.7; c 工业盐纯度， 一般为0.8 ～0.9， 取0.85; T 加盐周期。 带入数值后得到 M 184. 9 kg， 确定为 185 kg。 3. 3. 3加盐器结构尺寸的确定 根据测量， 50 kg 工业盐的体积约为 35 L， 因此 185 kg 盐所占体积约为 130 L， 另外盐罐中需加水预 溶化部分固体盐， 而在常温下每升水可溶化 0. 36 kg 盐， 为保证每次用盐量， 则加水量 Vw按式 7 计算。 Vw M ω c 1 0. 36 7 计算得到 Vw205 L。 再生加盐时， 盐罐内进、 出水相当， 只要保证盐罐 内始终有固体盐， 出水即为饱和溶液。因此， 盐罐的 体积最小为 130 L， 最大为 335 L， 考虑富余量， 取 300 L。根据巷道空间条件的限制， 罐体尺寸定为  600 mm 1 100 mm， 容积约为 310 L。 4软水器优化设计及实验室实验 4. 1软水器的优化设计及布置 根据软化、 再生效率高、 使用方便及体积小的要 求， 将软水器的各部分进行总体布局和优化设计， 其 结构如图 4 所示。软水系统外形尺寸为 2. 5 m 0. 9 m 1. 6 m ， 含树脂重量为 1. 8 t。 图 4软水器结构示意 Fig．4The structure diagram of water softener 4. 2实验室实验 在确定了离子交换软化器的软化、 再生技术方法 以及其相关结构参数后， 在实验室模拟井下矿井水的 硬度情况， 对离子交换器的软化性能进行实验。盐耗 定义 根据软水器出水情况， 确定再生交换周期 T 。 7 水污染防治 Water Pollution Control 记录在软水器的一个再生周期内， 软水器排污管出水 量亦即软化耗水量， 并记录在吸盐工位时转子流量计 的流量读数 Q 和吸盐时间 t 及温度， 根据此温度 下的 NaCl 饱和溶液的浓度 C ， 计算盐耗 Yh Yh Q C t 15 6 T 8 实验系统布置如图5 所示。实验数据如表6 所示。 图 5软化水系统方案布置 Fig．5The arrangement of water softener system 表 6模拟实验测试效果 Table 6The result of simulation test 进水硬度/ mg L －1 出水硬度/ mg L －1 软化水量/ m3 单级产水 时间/h 盐耗/ g mol －1 水耗/ 1 5004 ～15223. 61214 1 1004 ～15284. 61363. 3 5504 ～15386. 31442 由表6 可知 当进水硬度为 1 500， 1 100， 550 mg/L 时， 交换器在一个产水周期内分别能正常产水 22， 28， 38 m3， 此时出水硬度均小于 15 mg/L。 当进水硬度为 1 100 mg/L 和 550 mg/L 时， 单组 离子交换柱正常产水时间分别为 4. 6， 6. 3 h， 且盐耗 均小于 150 g/mol， 故而能满足罐体每隔 8 h 加一次 盐的使用要求。但当进水硬度为 1 500 mg/L 时， 正 常产水时间为 3. 6 h， 根据式 5 、 式 6 计算可知 1 个加盐周期 8 h 内所消耗的盐为 165 kg， 仍然小于 加盐量 185 kg， 因此同样能保证正常工作。 5结论 通过对离子软化、 再生技术深入研究及关键因素 影响实验基础上研制出一种矿用全自动软水器， 并对 软水器的性能进行模拟实验， 结果表明 1 软化能力 该软水器能将 1 500 mg/L 的高硬 度水一次性降低至 15 mg/L 以下， 具备处理井下高硬 度水的要求。 2 再生耗能 通过实验确定的压力式加盐技术 的应用， 提高了加盐和树脂再生效率， 使装置盐耗低 于 150 g/mol、 自耗水量低于 4， 溶盐器体积 310 L 可满足井下 8 h 轮班加盐一次的工作要求。 3 工作能力 优化设计的布水、 布盐方式以及二 级串联结构， 提高了树脂的有效利用率， 整机高度控 制在1. 6 m 以内。设备在保证工作能力的情况下 单 组柱体正常产水时间不低于 3. 6h ， 完成失效树脂的 再生过程所需时间为 1. 64 h。 参考文献 ［1］邓蓓蓓． 高矿化度矿井水的处理［J］． 能源与环境， 2005 1 62- 64. ［2］胡冬冬． 高矿化度矿进水硫酸盐、 总盐度的实验研究［D］． 太 原 太原理工大学， 2008. ［3］朱德仁， 陈明智． 矿井水污染控制及资源化［J］． 中国人口资 源与环境， 1997， 7 4 82- 85. ［4］蒋展鹏． 环境工程学［M］． 北京 北京高等教育出版社， 2005 123- 124. ［5］崔玉川． 水的除盐方法与工程应用［M］． 北京 北京化学工业出 版社， 2008 178- 237. ［6］郭常颖， 李多松， 江洁． 煤矿高矿化度矿井水处理方法探讨 ［J］． 煤炭工程， 2006， 1 1 12- 13. ［7］袁航， 石辉． 矿井水资源利用的研究进展与展望［J］． 水资源与 水工程学报， 2008， 19 5 52- 57. ［8］聂梅生． 美国污水回用技术调研分析［J］． 中国给排水， 2001， 17 9 23- 25. ［9］王伟宁， 许辉， 李佩全． 改性滤料在矿井水净化处理中的试验研 究［J］． 环境工程， 2010， 28 4 22- 48. ［ 10］王芳． 离子树脂的绿色可再生工艺［J］． 工业水处理， 2005， 25 12 30- 38. 第一作者 梁爱春 1979 － ， 女， 研究生， 助理研究员， 主要研究方向为 煤矿粉尘防治技术及装备的研究。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 lac1219126． com 上接第 40 页 ［ 47］Sricharoenchaikul V．Assessment of black liquor gasification in supercritical water［ J］ ． Bioresource Technology，2009，100 2 638- 643. 第一作者 郭丹丹 1988 － ， 女， 硕士研究生， 主要从事超临界水氧化 技术的研究工作。design_er163． com 通讯作者 廖传华 1972 － ， 男， 博士， 教授， 主要从事超临界流体技术 领域的研究与开发工作。lch njut． edu． cn 8 环境工程 Environmental Engineering