除碳器设计与运行注意事项

2024-12-24 16:09 宁夏

水中碳酸类化合物会造成结垢、泡沫、pH变化等不良影响，除碳器正是脱除碳酸类化合物的首选设备。除碳器在工业给水的除盐水项目（部分电厂或化工厂称之为化学水处理或化水装置）、废水零排放项目的离子交换软化之后被广泛应用，但是很多除碳器没有发挥实际作用，这与设计及运行操控均有一定的关系。本文从除碳器的原理出发，给出除碳器设计的简捷计算方法和运行注意事项，供水处理人士参考。

一、除碳器原理

除碳器脱除碳酸类化合物本质上是一个气液传质的过程，其利用亨利定律使CO2从水中解析出来。亨利定律反映的是气体在液体中溶解度，CO2在水中的溶解度与气水接触界面上CO2所占的分压有关。在空气中，CO2分压约为0.03kPa，在水中，CO2分压可按下式计算。

式中：PCO2为CO2在水中的分压；H为亨利常数；x为CO2在水中的溶解度，用摩尔分数表示。例如，25℃时，CO2的亨利常数是1.66kPa，CO2在水中的溶解度为7%，则CO2分压为0.12kPa，空气中CO2分压低于水中CO2分压，水中的CO2向空气中转移。需要注意的是，亨利常数及气体分压计算受很多因素影响，此处为简单计算，仅用以说明除碳器脱除CO2的原理。

二、除碳器设计计算

除碳器可以通过以下步骤简捷的进行设计计算。计算中以除碳器进水水量Q=250 m³/h、进水总碱度Hz=200 mg/L、水温t=20℃、要求出水CO2含量Cco2-o≤5 mg/L为例。

（1）计算进水CO2含量

式中：Cco2-i为进水CO2含量，mg/L；HZ为进水总碱度，以CaCO3计，mg/L。进水总碱度为HZ=200 mg/L，则进水CO2含量为Cco2-i=193.15 mg/L。

（2）计算除碳器直径

除碳器的淋水密度通常取40≤q≤60 m³/(m2·h)，则按下式计算除碳器直径D=2.30~2.82 m，我们可以在此范围内选择标准直径D=2.5m。

（3）计算所需填料的表面积

按照下式计算所需填料的表面积为S=2429.54 m2。

式中，K为CO2的解析系数，m/h，可按下图查取。

（4）填料高度计算

我们选择矩鞍状瓷环填料，填料的主要技术参数如下表所示。

根据所选填料比表面积a、计算所得所需填料表面积S、计算所得除碳器直径D，计算所需填料高度h=2.48 m，圆整后取h=2.50 m。

（5）选择除碳器高度

根据计算得到的填料高度h和除碳器直径D按下表选取除碳器标准高度H=4.591 m。

（6）计算脱碳鼓风机风量

式中：i为除碳器的气水比，通常取20~30 m³空气/m³水。

（7）计算脱碳鼓风机风压

式中：第一项ah为填料的阻力，其中a是单位填料的空气阻力，Pa/m，通常取a=200~500 Pa/m；第二项计算的是空气通过除碳器进出口、填料支撑等产生的压力损失，其中kp为经验常数，kp=275。

根据（6）、（7）的计算结果，选择CQ15型离心鼓风机，风机主要技术参数如下表所示。

三、除碳器运行注意事项

1.除碳器通常布置在阳离子交换器之后，其目的是利用阳离子交换器出水呈酸性，而水中碳酸类化合物的存在形式与水的pH值有关，只有当pH＜4.3时，碳酸类化合物才主要以CO2形式存在，所以运行时须保证除碳器进水pH＜4.3。一部分废水零排放项目采用钠型阳离子交换器对废水进行深度软化，而将除碳器布置在钠型阳离子交换器之后，这时需要对离子交换器出水调节pH后再进行脱碳。

2.不同填料的CO2的解析系数不同，如在运行中更换不同类型的填料，须重新复核CO2的解析系数。

3.CO2的解析系数随着水温的升高而升高，所以，运行过程中一定要注意保证除碳器进水温度。

4.运行过程中，水中的溶解性的无机化学物质如钙、铁、锰可能在填料介质上沉淀，这可能导致除碳器的压力降增加和填料空隙容积减少。可以定期取出塑料填料，然后放入滚筒以使沉淀物去除。如果是塑料填料，长时间的酸处理会使塑料填料性能变差（使其非常脆），因此，对于塑料填料不推荐使用酸清洗填料。

总结

对于除盐水装置，如果不脱碳，阳床出水直接进入阴床或混床，由于阴离子交换树脂对碳酸氢根的交换能力要强于硅酸根，所以会导致阴床或混床频繁失效；对于零排放装置，如果不脱碳，废水在不断浓缩进入蒸发结晶系统后，碱度的存在会使水的表面张力降低，从而在蒸发器内产生大量泡沫，影响二次蒸汽品质，并造成压缩机等设备腐蚀。因此，合理设计除碳器，并在运行过程中保证进水pH、水温，合理维护和更换填料极为重要。

关联文献

水中二氧化碳含量可在下文表格中选取
Crazy Designer，公众号：水管工人工业废水处理设计—软化加药量简便计算

水处理科技学报

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