供熱系統中水處理機理與設備應用的探討
摘 要：本文著重討論了供熱系統中應用的水處理設備機理及特點，結合實際找出最佳水處理方案，以節約能源。
關鍵詞：供熱親統；水處理；設備應用
1 前言
我們公司供熱系統分直接供熱和間接供熱兩種方式。供熱系統的水質監督及水處理是保障鍋爐及換熱設備安全、經濟運行的重要措施之一。鍋爐給水如不處理或處理不當，在受熱面上就會結生水垢，不僅使熱效率降低、檢修清理困難，嚴重時甚至會堵塞受熱面管道，引起鍋爐爆管。二級網水質處理不好，會使換熱器換熱效率降低，影響供熱質量。因此，加強水質監督，做好水處理工作對提高鍋爐運行效率、延長鍋爐使用年限、提高換熱設備換熱效率、節約能源等都具有重要意義。
我公司已應用的水處理設備有離子交換器、電子除垢儀、內磁除垢器、高效過濾器等幾種設備。這幾種設備的機理、特點、選用條件各不相同，因此，探討其防垢機理與特點，以及在實際應用中注意的問題，其意義是非常明顯的。
2 離子交換機理
雙電層理論認為，在離子交換劑的高分子表面上存在著與膠體表面相似的雙電層。結合在高分子表面上的離子不能自由移動，稱為固定離子層或吸附層；其外部離子能在一定范圍內自由移動，稱為可動離子層或擴散層。與內層離子符號相同的離子稱為同離子，符號相反的稱為反離子。固定離子層中的同離子是依靠化學鍵結合在高分子的骨架上，其層中的反離子是依靠異性電荷的吸引力被固定。在可動離子層中的反離子，由于受到異性電荷的引力較小，熱運動比較顯著，所以這些反離子有自高分子表面向溶液中逐漸擴散的現象。這些反離子在溶液中能自由移動，并與溶液中的其他反離子互換位置，即進行離子交換。
2.1鈉離子交換軟化法特盧、及注意事項鈉離子交換軟化法既可除去暫硬、又可除去永硬，處理后水的殘余硬度可降到0.01一0. 03 mmol/L，甚至更低。但主要缺點是不能除堿。運行中小型鍋爐及二級網供熱系統，在實際交換過程中，如果出水質量過早地惡化，往往或是由于交換劑層高度不夠，或是流量控制不當，或是交換劑的工作交換容量不足引起的。了解這幾項在實際運行中和哪些因素有關是很有必要的。
(1)交換劑層高度。實際運行中，交換劑層的高度必須大于其工作層高度，且劑層高度越高，交換過程進行得越徹底，出水質量越好，離子交換器的工作時間越長。但是，如果交換劑層太高，勢必增加劑層阻力，加大交換器的壓力損失。因此，實際交換劑層高度的選取要根據交換流量選取大小。交換劑的性能、原水水質和對出水水質的要求以及交換方式等具體取用適當的數值。通常樹脂層高度取為1.0--1.5m.
(2)交換流速。在劑層高度一定的條件下，交換流速可表示為被處理水與交換劑的接觸時間。交換流速太大，由于接觸時間太短，交換過程中的離子來不及進行擴散，而使出水質量下降；另外，流速過大，劑層阻力增加，交換器的壓力損失增大。所以，交換流速過大是不適宜的。但是流速太小也不好，一是影響設備的出力；二是反應產物不能及時排出，反離子的存在則會妨礙交換反應的進行，從而也不能獲得良好的出水水質。表1為交換流速推薦值。
(3)工作交換容量。交換劑的工作交換容量與許多因素有關。如：交換劑的性能、再生情況、原水水質、水溫、水的pH值、運行流速以及對出水的質量要求等等。當上述條件一定時，交換器的水力特性，如交換劑和石英砂墊層的顆粒是否均勻，能否均勻布水、有無水流死區或偏流現象等，也對工作交換容量有很大影響。另外，交換劑顆粒的碎裂和流失以及交換劑的污染、中毒也會影響其工作交換容量。因此，運行中應找出交換劑工作交換容量降低的原因，采取相應的措施以確保出水質量和設備出力。
表1鈉離子交換器的推薦流速
3 高強度內磁除垢器的防垢機理
用以抑制或清除污垢的物理方法及其相應的裝置有磁化器、高頻水改器、電子防垢儀和高壓靜電水處理器、超聲波水處理器等。總的來講它們都是用不同的物理場效應，改變水或水中雜質的某些物理化學性質，以阻抑水垢的生成。我公司幾年來應用過的有高強內磁防垢器、電子防垢儀等設備。高強度內磁除垢器的防垢機理，可做如下解釋和描述。
3.1 高強度內磁除垢器
高強度內磁除垢器，因磁棒采用高強度、高密度磁力合金材料通過巧妙的排列組合而成。當水流通過除垢器時會環繞磁棒做螺旋流動，螺旋流動的水流與磁棒形成的磁場構成直角做切割磁力線運動。因此，水流中溶解的礦物質和鹽類分子隨著一連串強烈震動和振蕩而接受磁能，使環繞原子周圍軌道上的電子磁場（磁鏈）受到了干擾和破壞，導致磁鏈方向發生改變，而變更原子和分子的內聚力，使分子結構改變，最終導致這些分子群排列成同一方向，防止水垢的生成。同時此作用可使沉淀的水垢結晶逐漸溶解，并防止形成新的結晶。
(1)特點體積小，占地少，安裝方便，不需用耗能，無需人員管理，無運行費用。具有較好的防垢、除垢功能。
(2)使用中應注意的問題
①除垢器安裝位置盡量避免靠近其他具有磁場的設備（如電動機等）；
②最好每年清洗除垢器內部一次。用高壓水沖出因磁力吸引的附著物。對連續運行不間斷的系統，應考慮安裝旁通管道，以便在不停機的情況下維修、清洗設備；
③對水質條件較差，懸浮物較多的水系統，建議不要選用。
4 高效纖維過濾器原理
高效纖維過濾技術采用了一種新型的軟填料—纖維束作為濾元，其濾料單絲直徑可達幾十um甚至IL F.cm，具有巨大的比表面積（D50:80000m2/m3 )，而且過濾阻力較小，打破了過濾精度由于濾料粒徑不能進一步縮小的限制。微小的濾料直徑，極大地增大了濾料的比表面積和表面自由能，增加了水中雜質顆粒與濾料的接觸機會和濾料的吸附能力，從而提高了過濾效率和截污容量；由于纖維束可以完全放松清洗恢復性能，使過濾性能不隨時間衰減；由于纖維束由纖維長絲制成，不掉毛且幾乎不磨損，使濾料壽命達10年以上。GXZL型高效纖維過濾器，即為自助式過濾器。在過濾設備內部設置自助式纖維密度調節裝置，該裝置不需額外動力和附加操作，僅在正常過濾操作和反洗操作過程中通過水力完成對纖維層的壓縮和放松。在過濾操作時，能迅速（一般在l min內）將濾層壓縮至所需狀態，而且絕不損傷纖維，也不會導致靠近活動支撐裝置的纖維密度大于濾層主體密度的不利層態；在反洗操作時，無論濾層積泥量有多大，濾層被壓縮得多密實，均能迅速將濾層徹底疏松，而決不會損傷纖維，還能避免纖維向活動支撐裝置上堆積從而有利于泥渣的排出。
4.1 特點
高效纖維過濾器可有效地除去水中的懸浮物，并對水中的有機物、膠體、鐵、鈣等有明顯的去除作用。具有過濾精度高，過濾速度快，截污容量大，占地面積小，噸水造價低，自耗水最低，不需更換濾元等優點。我公司四區換熱站2001年安裝一臺生水高效過濾器。經水樣分析，原水水樣懸浮物由60 mg/ L一降至3mg/L; Fe2O3由170μg/L降至20μg/L。效果明顯。
4.2 存在的問題
高效過濾器對反洗效果要求較高。由于采用的是纖維過濾，纖維絲很細，雜質私附后必須用較強的風力進行沖洗，一旦沖洗效果不好，將直接影響過濾效果，并為以后的沖洗帶來更大的困難。
5 供熱系統水處理方案選擇
以惠天熱電滑翔地區水質為例，經測試，滑翔地區補給水中含有游離態鐵、鈣、鎂離子等雜質。因此，運行中系統有腐蝕鐵產物、鈣鎂垢存在，這些產物以及熱網管道內生物菌等雜質沉積在換熱器低溫側，隨著懸浮物在換熱器低溫側沉積量的增加，使其熱交換率降低，導致整個系統能耗加大，不利于節能。由于鍋爐房及換熱站環境條件的限制，以及水質情況不同等諸多因素，上述三種水處理設備應用后，效果明顯。根據水質情況的不同，建議考慮以下方案。
5.1 工藝流程
(1)原水～高效過濾器～離子交換器～水箱～補給水。
(2)循環系統采用內置磁化器或靜電水處理器，輔以添加防腐阻垢劑。
5.2 工藝說明
(1)高效過濾器：通過過濾除去補給水中的游離態鐵及懸浮物。
(2)離子軟化器：去除水中鈣、鎂硬度，可防止結垢，也可提高水中的pH值降低腐蝕。
(3)磁化器或靜電水處理器：具有防垢、除垢功能，兼有殺菌、殺藻功效。
(4)防腐阻垢劑：控制循環水中微生物的繁殖， 具有阻垢、緩蝕功能。
6 結論
通過對上述水處理設備機理及特點的探討，相信隨著水處理設備管理水平的不斷提高和對循環水質要求的不斷提高，上述幾種水處理方法結合應用會更加廣泛。從而更好地節約能源。
參考文獻
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[2]李瑞揚，呂藏．鍋爐水處理原理與設備[M]．哈爾濱：哈爾
濱工業大學出版社，2003
作者簡介：王偉（1969一），男，遼寧沈陽人，工程師，主要從事供暖的管理工作。