张志平

    1、 本文介绍了一种我国拥有自主知识产权的工业软化水设备，对其制水工艺、控制方法、结构特点进行了全面详细地说明，并与我国市场有代表性的一些进口软水器作了全面、客观地比较，进一步说明了ZNR智能软水器的优异特点。

    2、  关健词：国产，软水器

    3、  总体介绍

    软水器在我国又称钠离子交换器，是在工业水处理系统使用量一种离子交换设备，据国家 劳动部的统计，我国至少86%以上的中低压工业锅炉，较大的采暖锅炉均采用了软水器，以除去水中的钙镁硬度，防止锅炉受热面的结垢。据有关资料表明一般每增加1毫米的水垢，锅炉的能耗将增加3-5%，水垢还会引起锅炉受热面金属材料的鼓包、变形、爆管、热力系统管道的堵塞等问题，影响锅炉的安全运行，向我国目前运行的中低压锅炉有七八十万台，而且还每年以几万台的数量增加因此软化水设备的运行状况及产水的硬度能否长期稳定地达到GB1576-96《低压锅炉水质标准》的要求，对锅炉安全、经济地运行有重大意义，这也是各基层锅检部门的重要工作内容之一，因此推广使用一种综合性能好的软水器有重大的经济、社会意义。

     我国中小企业锅炉水处理经过了石灰、加药、磺化煤、树脂处理等几个过程，离子交换设备又经手动顺流再生固定床、逆流再生固定床、移动床、浮床等，手动阀门控制方式对操作人员素质和责任心要求高，占地面积大，树脂装填量大，再生困难等诸多不足，被逐渐淘汰，代之的是自动软化水设备，国内在上世纪九十年初出现了ZDF、LDZN、系列的几种自动软化水设备，其基本性能尚可，但在机械传动，集成阀结构，摩擦副材料，控制技术等均存在一定的问题，再加宣传推广不力，使这几类国产自动软化水设备在我国软水器市场的占有率不高（有些地区除外），而目前市场上充斥的是美国阿图祖、福莱克等机头组装的软水器，造成许多用户、水质检管人员，不知道还有国产的自动软化水设备，对其性能的了解更无从谈起，甚至有些专家、学者在其著作文章中称我国没有国产自动软水器，作为一个水处理工作者，客观地说前述提到的几种国产自动软水器其处理水质的稳定性、盐耗、水耗、能处理的硬度等设备基本性能均比一般国外设备好，其自动化程度和进口产品基本一样，且连续产水，更适合重要的大型锅炉使用。当然也有前述的缺点和不足，影响了其优点的发挥，本文介绍的ZNR智能软水器，就是综合吸取了国产和进口设备的优点，消除和改进其缺点不足，采用了多项先进技术，并提出和发展了新的结构和控制方法，使ZNR系列智能软水器无论设计概念，还是综合性能均处于世界领先水平，比起前述几种国产和进口设备，其主要从以下几方面进行创新：

    3.1、采用浮床组合床型，对流再生，既具有浮床的所有优点，又弥补了其不足，使设备能一次从18mmol/L的高硬度水降到0.03mmol/L以下，且节盐水，同时设备又保留了国产设备连续产水的优点。

    3.2、 ZNR系列智能软水器集成阀作了多项创新，尤其是集成阀密封发明了一种新的密封方法，使阀体的密封更加可靠。阀体结构借鉴了进口集成阀的一些设计理念，一改原国产设备集成阀笨重的外形，阀体结构设计使集成阀除再生功位，其余功位无盐水，解决了阀芯的磨损问题。有自清洗功能，方便地解决了集成阀自身清洗的问题。控制方法；ZNR系列智能软水器控制方式创造了一种全新的控制方法，并采用多种先进的电子元器件，使设备能够实现人工智能控制。

    3.3、再生系统；ZNR系列智能软水器再生盐液系统，采用了双层净化装置，使其能够使用我国洁净度低和各种粒度的工业用盐，改善了树脂的工作状况，提高了设备的效率。

    4、 详细分析和介绍：

前文对ZNR系列智能软水器的总体情况进行了简要说明，下文对前述问题及相关的内容进行较详细地阐述，以便于广大水处理工作者和用户，加深对ZNR系列智能软水器优良性能的认识，使这个我国拥有核心技术自主知识产权和发展权的民族工业产品得到社会充分的认可，使其发挥应有的价值，为我国工业水处理设备的发展作出贡献。

    4.1、制水工艺在说明ZNR系列智能软水器制水工艺优点之前，有必要对常见的几种制水工艺的优缺点进行简单说明；

    4.1.1顺流固定床离子交换器，19世纪初就应用于水的软化处理，顺流离子交换工作时，水流自上向下流过离子交换层，再生时再生液流向相同，工作水流和再生溶液同向流动，离子交换树脂在静止条件下运行，这一传统的再生方式，存在着再生剂利用率不高，树脂工作交换容量偏低，出水水质差等缺点，例如，用NaCl对Na型树脂进行再生时，新鲜的再生剂 开始具有再生效率，首先接触的是失效程度高的树脂层，随着再生剂的下移流动，再生液中Na⁺浓度逐渐降低而Ca²⁺浓度逐渐升高，由于Ca²⁺、Mg²⁺的干扰影响再生效果，且Ca²⁺、Mg²⁺离子会使下层未失效的树脂再生程度差。转入运行时，原水首先接触的是再生程度好的树脂，得到很好的交换效果再往下流，水中的Na⁺就会把树脂中残留的Ca²⁺、Mg²⁺离子交换下来，造成运行初期水硬度高，一般来说顺流再生有以下优缺点：

优点是：

      a、 设备简单，造价较低；

      b、 操作方便，容易掌握；

   缺点是：

      a、 出水水质差，再生后在树脂底部仍存在一部分失效树脂，会使运行初期出水质量差，另外，在原水硬度高的情况下，尽管降低通水流速，出水质量也很难达到要求。

     b、 消耗再生剂、清洗水多，再生盐耗一般比对流再生多一倍，自耗化盐水、清洗水也很高，造成运行费用高，排废量大，对环境污染严重。

     c、 效率低，由于受流速的限制，顺流再生设备效率低下。因此总体上说顺流再生是一种落后的工艺，只能适用于对经济性要求不高，原水硬度低的小容量软化水设备。

    4.1.2对流再生，浮动床

对流再生是再生液与离子交换水流方向相反的再生方式，再生时，再生液首先接触的是失效程度低的树脂层，这时再生液中的Na²⁺浓度较高，树脂中残留的Ca²⁺、Mg²⁺离子浓度较低，可使反应向再生方向反应，随着再生液向下流动，再生液中Na+浓度逐渐降低，但树脂失效程度也逐渐升高，能使再生反应一直进行下去。另外再生液从上部进入，原保护层中未失效的树脂仍保存下来，达到较少的再生剂置取得较高的再生程度的效果。对同样的再生剂用量，对流再生方式的利用率为0.75—0.85，而顺流再生方式仅为0.37。对流再生方式投入运行时，硬度较大的水首先接触再生程度差的树脂层，随着水质变好，接触的树脂再生程度愈好，置换反应也能顺利进行，出水后经过再生程度好树脂保护层，使出水水质好，而且稳定。

浮床是对流离子交换的一种形式，特点是正流再生，逆流运行，运行时原水从交换柱下部进入将床层浮起，故称称浮床，再生盐液和清洗水从交换柱上部进入。它具有对流交换的优点，也有本身特点，浮床又分运行式浮床和再生式浮床，目前再生时浮床很少采用，一般浮庆是指运行式浮床，浮床是近年来研究出的新工艺，它具有以下优缺点。

     优点是：

    a、   出水水质好，具有对流再生设备的共同优点，出水硬度可小于0.005mmol/L。能适应高硬度水。另外，浮床工作时床层中树脂的分布是上小下大，故其上部的保护层有较大的表面积，这一点更有利于提高出水质量和工作交换容量。

    b、  再生剂耗量低，浮床再生剂比耗一般为1.1-1.4，再生剂利用率为75%-90%，由于再生剂利用率高，排废液少，减轻了对环境的污染。

    c、  运行流速高，浮床允许在7-60m/h的流速下运行，比固定床阻力小5-20%，效率高1~1.5倍，周期制水量可提高20%-40%。

    d、  再生质量高，浮床因对流再生方式使其再生效果好。

    e、   自用水率低，由于浮床的再生液浓度低，过剩量少，清洗也容易洗净，应而用水率低。

    缺点是：

     a、  不宜频繁启停，浮床比起固定床对树脂层的乱层更为敏感，若设备频繁启停，使局部床层扰动，会降低出水水质和工作交换容量。

     b、 对树脂机械强要求高，浮床希望在较高的流速下运行，而且运行时树脂被压实，因而对树脂的机械强度要求较高。

总体上看对流再生，浮床是一种理想的制水工艺，有很高的经济价值。

     4.1.3、ZNR系列智能软水器的制水工艺及特点

     ZNR系列智能软水器制水工艺为对流再生，浮床组合床型，其结构是将交换柱分为上、下两室，两室之间用尼龙网、多孔板隔开，其上室树脂装填量较充实，下室装填量较少。ZNR系列智能软水器这种双室结构，除具有上述对流再生，浮床的所有优点外，另外还具有如下优点：

     制水质量更高、更能适应高硬度水，ZNR系列智能软水器可将硬度为8mmol/L的高硬度水一次降到0.005mmol/L以下，达到高品质水的要求，也能将硬度为18mmol/L的特高硬度水一次降到0.03mmol/L以下达到低压锅炉水质标准的要求。这是因为其具有对流再生，浮床的优点外，其特殊结构还从以下两方面减轻，消除了浮床敏感的乱层问题，这是因为一是其上室树脂充实度高，绝对保证了其保护层树脂不乱层；二是减轻了交换柱产水时靠近管壁的流速与柱中心流速不一，而造成水断面不均匀使树脂层扰动的问题，这一点在产水流速较高40m/h以上，交换柱直径在500mm以上时更为明显。ZNR系列智能软水器将交换柱分为上、下两室，就等于缩短了交换柱高度，也就减轻了不良这种现象。

    B、提高了再生、清洗质量，由于ZNR系列智能软水器上室的树脂充实度高，再生时树脂呈压实状态，即使树脂在转型时，也不会出现“孔洞”，再生液与树脂保持良好的接触。保证了树脂的再生效果，尤其是上室保护层的很好再生，交换柱下室有较大的空间，有利于树脂的清洗，上室空间虽小，但上室树脂中残留的Ca²⁺，Mg²⁺离子少，而且每次清洗时用干净的软化水清洗，因而也能保证其清洗质量。

     ZNR智能软水器交换柱为两个，其制水工艺流程为：松床      再生     小清洗          大清洗    产水，一柱产水时，另一柱在作再生工作（松床、再生、小清、大清），其松床时，小流量的原水从交换柱底部对产水时压实的树脂层进行轻微的松动，使其舒展，排除树脂层中积存的气泡，为下一步的再生作好准备，其再生时，经软化水溶解的浓盐液经流量计控制，通过集成阀稀释腔用软化水稀释为5-8%，适合树脂再生的浓度，从交换柱顶部依次流过上室，下室完成再生过程。其小清时，小流量的软化水从交换柱顶部对树脂进行浸润，小清洗，使已置换出来的Ca²⁺、Mg²⁺离子向交换柱下部逐渐移动，为下一步彻底的大清洗作好准备，其大清洗时较大流量的软化水，对已经过小清洗的树脂从交换柱顶部到底部进行彻底的清洗，使交换柱中树脂层达到切换时就能立刻产出合格水的状态。以上再生盐液的化盐水、稀释水，大、小清洗用的清洗水，均为正在工作的另一柱分配过来的软化水。

     ZNR智能系列软水器的以上工艺流程很好地符合了离子交换所需的工艺要求，这也是这种设备节盐、节水、水质好且稳定的一个重要原因，且树脂使用寿命长，一般达6年以上。

     以上介绍了ZNR系列智能软水器制水工艺的特性，现将其与我国市场上常见的国外产品的工艺特性作介绍，国外产品进入我国影响也是美国阿图祖软水器，最近几年还有美国福莱克，康科等品牌的产品，它们具代表型的是单罐固定床顺流再生形式的设备，在我国市场的销量大。从前述可知其工艺特性决定了其处理水水质稳定性差，盐耗高，不能处理高硬度水，因其为顺流离子交换方式，其每个周期开始产出的水质往往超标，再加其是生水化盐、再生、清洗，更使这种情况无法避免。据我国西南某大城市煤改气后采用了某进口品牌的一大批此类产品，虽然当地原水硬度很低使用后当地锅检部门检查有80%的设备水质不合格，从反映的具体情况上看，其制水工艺落后是主要原因。由于其是固定床顺流再生，盐耗、水耗很高，据统计阿图祖该类设备一般的盐耗在180-220克/克当量，而ZNR智能软水器一般在74-85克/克当量。对这类设备的水耗没有作具体统计，但从工艺上分析其水耗也肯定是较高的。对盐耗一项的经济价值笔者作过计算，譬如，若使用1台12t/h设备，处理硬度为5mmol/L的原水，运行一年，以300天计，工业盐按500元/吨计，ZNR智能软水器比上面进口产品要节省4万多元。另外，钠型软水器由于耗盐高，在一些使用量大、集中的地区，造成地表水含盐量的急剧升高，若再使用这种高盐耗的进口设备无疑是雪上加霜，造成严重的环境问题，必将引起社会、有关部门的重视，甚至会影响到软化水设备的使用和发展。这是该引起每个同行高度重视的问题。

     虽然近年来国外一些品牌的产品也推出了固定床逆流再生型的机头，但其化盐、清洗用水是原水，同样再生质量还是不高，且每次再生后开始产水，总有一部分原水会进入锅炉或水箱使整个系统的水质变差，原水硬度较高时尤为明显。总体上看ZNR智能软水器制水工艺比进口设备先进，更适合我国各地水质复杂，工业用盐较脏的实际情况，也符合我国资源相对匮乏，环境污染日趋严重的国情，需要节省物资，保护环境。

   5、控制方法：

     ZNR系列智能软水器，设计时对控制系统主要基本追求是工作的可靠性，对工艺参数控制精度高，便于一般人员操作，在此基础上有较多的辅助功能，更好地满足不同用户需求，使设备有更强的适用性。为此ZNR系列智能软水器从以下几方面作了努力：

     5.1、执行机构，ZNR系列智软水器为了更好地保证设备长期工作的可靠性，其功位感应采用非接触式的光电开关，可动作十几万次。避免了老式国产设备用碰撞式限位开关寿命短，易移位的问题。其功位电机采用微型电机，最大电流均在0.5安以下，而且电机转动没有老式国产设备需要正反转，暂态电流很大，易损坏电器元件的问题，这些措施大大降低了控制系统的故障率。

     5.2、控制方式；ZNR系列智能软水器其控制器采用PLC可编程控制器，或工业控制机，其控制工艺用控制时间参数的办法来实现，也可以实现国外设备所谓的流量型控制，此问题下文还有说明，其控制的基本思路是将额定产水量，原水硬度，出水残留硬度，树脂交换容量，进盐量，实际产水量等影响设备产水水质的因素，进行理论计算，参考实际调试运行近上万台设备的测试记录值进行矩阵运算，专家优化，建立数据库。当用户使用时在控制器液晶显示器上输入当地原水的硬度值，实际单位时间产水量（若无水表，可输入设备额定产水量），则控制器就会按一套较合理的工艺进行工作并有记忆功能，若停机后，重新开机时仍从原工艺点开始运行。若出水经实际化验不合格，操作者可选定在此硬度下的第二组工艺进行运行，继续不合格，再选第三组工艺，若第三组不合格，可能是出了意外问题，操作者应查找原因。ZNR系列智能软水器这种控制方法优点在于，一是工艺控制较精确、节盐、节水，二是操作者在不懂水处理工艺，经验不足时，设备也能按一组比较理想的工艺值运行，避免了误操作。

     ZNR系列智能软水器的这种控制方法，在没增加过多的一次仪表的前提下，基本实现了设备的初步人工智能控制。是一种全新概念的控制方法。

     5.3、辅助功能；ZNR系列智能软水器还有几项辅助功能可满足部分用户的特殊要求，一是有水箱水位自动控制功能，可实现设备的无人操作，二是若加装水质硬度在线测试仪可实现水质自动检测，不合格时自动选若干组工艺参数，仍不合格时自动报警停机的功能，有减少化验次数，防止不合格水进入锅炉的作用。三是有多种方式或自由方式通讯功能，可满足设备中央集中控制的需要。

从控制方法上看ZNR智能软水器在目前是一种很先进的控制方式，一点也不比进口设备差，国外设备一般采用微电脑控制器，其可靠性和功能不如PLC可编程控制器。

   6、设备结构特点

     6.1、整体结构

     ZNR系列智能软水器整体结构多种形式以便更好地满足不同用户的需求，常规形式案有下图所示四种

 

 

 

 

其1型设备处理原水硬度小于10mmol/L，2型设备处理原水硬度小于15mmol/L，超过15mmol/L用特型。

      ZNR系列智能软水器整体式结构一般是小型设备，分体式设备一般是大型设备，二型设备比一型设备多一个盐罐，是考虑到二型设备处理水硬度高，单位时间耗盐量大，为用户减少加盐频率而增加的。

      ZNR系列智能软水器的结构特点；一是占地面积小，这主要原因是因为其制水工艺先进效率高，盐耗低，这样就使交换柱和盐罐尺寸缩小。二是安装方便设备基础没有特殊要求，只需在一般水泥地面开一排废地沟即可。

     以上是ZNR系列智能软水器的整体结构型式及特点，另外，其制水交换柱系统，再生盐罐系统，也有一定的特点，充分考虑了用户使用、维护的方便，以及我国工业用盐的情况。

其交换柱上下布水装置采用双层多孔板加尼龙滤网的型式，这种型式虽然制造成本较高，但有布水均匀性好，水通量较大的优点；交换柱均有高低位窥视孔，既可以观察设备的运行情况，也可以方便的添加或更换树脂，而国外设备均没有这些功能。ZNR系列智能软水器的再生盐液系统，其化盐，稀释用水为软化水，是从设备软化水出口分一小部水进行的，压力由设备出水口增高一定高度，（3m）产生的，其特点是只要设备产水，就会提供这部分压力稳定的软化水，保证了再生质量，不像进口设备，要用盐泵，喷射器，原水化盐，除原水化盐的缺点前文已叙述外，这种结构原水水压的变化也会影响盐液浓度，造成再生不稳定，盐耗增高。另外ZNR系列智能软水器，其盐液有两层净化装置，即使很脏的盐也能净化到较高程度，提高了再生质量，比起国外设备只用水帽或滤网只进行初步处理的方式，更适合我国工业用盐洁净度不高的现状。

     7、软水器技术进一步发展的一些个人想法。

      软水器是工业水处理设备中使用量最大的一种离子交换设备，总体看其工艺技术成熟，实际工作稳定，有较长发展的历史，从产品设计、制造、使用管理及相关配套产品均形成了一个较大的产业群，从目前前沿的发展情况看，还没有完全可以替代的技术，还有较长的市场价值。因而不断推陈出新，发展其新技术，更好地为社会服务，是我们水处理技术工作者义不容辞的责任。为此就软化水设备未来的发展问题，谈一谈我个人肤浅的认识，供各位同行参考，并希望提出批评意见。

     我认为对目前的各类软水器来重要的是如何降低盐耗，因为盐耗是钠型软水器大的消耗品，设备运行费用的高低，主要取决于此，若盐比耗稳定的降到70克/克当量的水平。若作一个目前不太现实的粗略计算，若全国范围内软水器都能降到这个水平，则每年节省的工业用盐，按500元/吨，则至少在8亿元以上，而且盐耗降低到此水平，由于离子是等量交换的，可以认为软水器排废基本上对环境没有不良影响。而目前进口的顺流再生的设备竟达到180克/克当量以上，而其在国人目前普通存在的思维定式-“进口的东西先进，软水器是进口的，因而就一切都好”再加上一些代理商的宣传和专家学者的推荐，使我国一代水处理工作者努力，已被逆流再生设备，取代了顺流再生设备，又开始普及，对社会造成了不可挽回损失，这是作为一个水处理工作痛心的事。另外，鉴于我国软水器使用量大的北方地区也是是水资源缺乏地区，软水器自耗水指标也是一项较重要的参数。总之，对软水器来说不断降低其盐耗，水耗、降低制水的成本，减轻或消除对环境的污染是其技术发展的主要方向；其相关的控制技术，也要为这个中心服务，即便工艺参数控制更准确，更接近理想值，使设备有高的效率和可靠性。目前有些国外产品宣传的流量型，我认为如果制水工艺方面不提高，仅仅所谓的流量控制方法，并不能使设备的主要性能提高多少，只能说是商业炒作的成分较浓而已，当然流量型对用户来说使用起来较直观，但有时为此可能要损失更多的设备制水能力，这是因为，对软水器来说，不仅要看产了多少水，还要看是多长时间产的，这就关系到产水的流速，为此流量型设备也要跟时间型设备一样控制进水压力，这样其实跟时间型设定进水压力再控制时间的方法精度是一样的，另外流量型也难以用流量来控制再生盐液，清洗水量，也只好用时间来控制这些值，虽然我想可以用一些积累的经验值来控制，但实际影响因素较多，还是难以控制精确。另外，一般测流量仪器，受水的流速，水流稳定状况（雷诺数）；管道因素等影响其精度并不高。因此用在软水器上，流量型控制并不比时间型控制高多少，有待于相关技术的发展和完善。

      目前市场上还宣传进口设备比国产的如何节电，甚至不用电等，虽然机电设备要节能是其发展的一个方向，但对软水器来说，其本身用电微乎其微，设计制造者在这方面下功夫，我觉得意义不大，例如，ZNR系列的12t/h软水器，若一年全年运行其消耗电量最多不超过40度，就是老式国产设备耗电量也不大。因此，软水设备的耗盐量，水耗不能有效地降下来，只在一些枝节问题上下功夫是不行的。

      我就对ZNR系列智能软水器进一步的发展有以下几个方面的设想；一是不断改善制水工艺，提高控制精度，使设备更加节盐，节水。二是，不断采用相关的新技术，新加工工艺，新材料提高设备的综合性能。降低制造成本，争取使制造成本比国外设备低。

    8、结论：

    通过前文对ZNR系列智能软水器的介绍可以得到如下结论。

     对流再生双室浮床和软化水再生的制水工艺，使其能处理高硬度水，制取高品质水，降低了盐耗、水耗；集成阀采用创新的密封方法和理想的摩擦副，保证了其工作质量和寿命；紧凑、高效的蜗杆、蜗轮传动系统，使其转动平稳，传动精度高；全新概念构思的控制方法加性能优良可靠的控制器件。使其工艺更准确，更可靠，操作更简便；多样化的整体结构和较多的辅助功能可更好的满足不同用户的需求；这些优良特性，使ZNR系列智能软水器适合产水量大，原水硬度高，要求水质稳定型高的重要工业用水场合。总体说，ZNR系列智能软水器是一种综合性能优良，经济技术指标高的国产软水器。适合我国国情，是值得大力推广的民族品牌产品。

 

作者简介：张志平，男，1988年毕业于重庆大学，高级工程师，原为甘肃火电公司兰州节能设备厂总工，现为兰州济美水处理设备公司法人代表。     

 

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