TOC分析儀在工業(yè)凝結(jié)水回收中的應(yīng)用

美國(guó)哈希公司北京代表處 程 立，楊家建，武云志

The Application of TOC Analyzer in Reclamation of Condensation Water

本文討論了目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)凝結(jié)水回收的現(xiàn)況，凝結(jié)水回收的重要性。分析了TOC檢測(cè)在凝結(jié)水回收中的重要性，以及TOC的監(jiān)測(cè)方法。同時(shí)介紹了TOC分析儀的特點(diǎn)功能，以及在國(guó)外應(yīng)用的有關(guān)信息。

凝結(jié)水；回收； TOC檢測(cè)

Abstract:This paper discusses the current status and the importance of the industrial condensate water reclamation. It analyzes the importance of TOC monitoring in reclamation and the measuring method of TOC. Besides, the features, functions and related application information are also involved in the paper.

Key words:Condensation Water; Reclamation; TOC Monitoring

1 前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，蒸汽作為一種熱能載體被廣泛應(yīng)用于發(fā)電、石油、化工、印染、造紙、輕紡、釀造、橡膠、陶瓷等工業(yè)領(lǐng)域中。尤其是化學(xué)工廠和石化工廠這些能耗很大的企業(yè)，在它們的生產(chǎn)過程中，需要大量的蒸汽傳輸能量。蒸汽被用來裂解、加熱和處理碳?xì)浠衔镆约盀榱诉M(jìn)一步處理，制備成其它化合物。大量的工業(yè)用水和以煤炭為主的能源被使用來產(chǎn)生蒸汽，而蒸汽釋放出部分熱能后生成的凝結(jié)水往往因?yàn)槭艿讲煌潭鹊奈廴颈恢苯优欧?，造成大量的熱能和水資源浪費(fèi)。

源水通過凈化工藝、除鹽生產(chǎn)出蒸汽需要很多工序，耗費(fèi)大量的人力和金錢。使用完的凝結(jié)水有的很干凈，還可以繼續(xù)使用；有的比較干凈，需要進(jìn)一步純化；有的凝結(jié)水已經(jīng)被污染，要排放到污水廠。

凈化使用過的回流凝結(jié)水要比從原水生產(chǎn)出純凈水經(jīng)濟(jì)很多，特別是在我國(guó)華北、西北等水資源匱乏地區(qū)，盡可能提高凝結(jié)水的再循環(huán)使用，有非常重大而且現(xiàn)實(shí)的意義。

2 國(guó)內(nèi)外凝結(jié)水回收系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)的工業(yè)熱力蒸汽鍋爐有60余萬臺(tái)，蒸發(fā)量已超過200萬噸/小時(shí)。其耗煤量約占全國(guó)煤產(chǎn)量的三分之一以上，輔助設(shè)備的耗電力量約占全國(guó)電產(chǎn)量的十分之一。因此，節(jié)煤、節(jié)電及節(jié)水的潛力和前景極為巨大。目前我國(guó)絕大部分企業(yè)的凝結(jié)水和余熱沒有進(jìn)行回收。僅僅是一次性使用，用完后直接排放到污水廠。實(shí)行凝結(jié)水回收的很多企業(yè)中，其回收系統(tǒng)也還沒有達(dá)到充分利用熱能、節(jié)水和環(huán)境保護(hù)的要求。

以石化行業(yè)為例，目前我國(guó)石化行業(yè)凝結(jié)水回收率的平均水平為40%左右，而國(guó)際平均水平為70%以上。另一方面，國(guó)內(nèi)各石化企業(yè)的凝結(jié)水回收率相差較大：高的在70%以上，低的回收率極低。

而在國(guó)外，這種凝結(jié)水回收設(shè)施已經(jīng)非常成熟。建造一個(gè)適用于化學(xué)工廠和石化工廠的鍋爐/蒸汽系統(tǒng)的成本與建造一個(gè)專門生成蒸汽供許多發(fā)電單位使用的工廠的成本相差不大。因此，世界上出現(xiàn)了許多蒸汽/發(fā)電，多種經(jīng)營(yíng)的工廠；蒸汽/電力公司與用戶單位聯(lián)合起來，把供氣—使用—回收—再利用做成相互服務(wù)和監(jiān)督一條龍的優(yōu)化體系，最好的滿足供應(yīng)商和用戶之間的需求和最大利益。此外，多余的電可以賣給公共電網(wǎng)或其它的電力公司/用戶。

化學(xué)/石化工廠和電力/蒸汽公司都是要計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益的。他們的聯(lián)合系統(tǒng)是建立在獨(dú)立優(yōu)化、監(jiān)督和核算的基礎(chǔ)上。電力公司關(guān)注的是化學(xué)和石化工廠使用后回流蒸汽的純度，化學(xué)和石化工廠關(guān)注的是蒸汽供應(yīng)的純度，以及自己生產(chǎn)工藝中，材料、潤(rùn)滑油的泄露。

這種相互的質(zhì)量檢查非常嚴(yán)格，不然就會(huì)影響化學(xué)和石化工廠的產(chǎn)品質(zhì)量。蒸汽污染的程度要求有機(jī)污染物最低檢出限是10PPB。這些污染的來源主要是石油產(chǎn)品，蒸汽循環(huán)過程中機(jī)械泵的機(jī)械油滲漏，以及換熱器的泄露等。

3 凝結(jié)水回收系統(tǒng)的重要性

凝結(jié)水擁有大量的熱量，一般占蒸汽總熱量的20～30%左右，某些設(shè)備可高達(dá)40%。因此若能將高溫凝結(jié)水作為鍋爐補(bǔ)給水循環(huán)使用，不僅節(jié)約了工業(yè)用水，更可節(jié)約大量的燃料。這樣，鍋爐在生產(chǎn)同樣多的蒸汽時(shí)，就可節(jié)約30～40%的燃料、用水和水處理藥品，降低生產(chǎn)成本。燃料節(jié)約的同時(shí)導(dǎo)致鍋爐煙氣排放的減少，保護(hù)了環(huán)境，蒸汽的優(yōu)化及回收凝結(jié)水將節(jié)約能源、解決蒸汽系統(tǒng)的跑冒直排，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)，最大限度地節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

以中國(guó)石化股份有限公司為例，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中石化煉油企業(yè)的凝結(jié)水回收潛力：如果每小時(shí)回收凝結(jié)水1720噸，除鹽水按15元/噸計(jì)算，年效益可達(dá)到2.1億元。同時(shí)，可將中國(guó)石化的凝結(jié)水回收率從目前的40%提高到70%以上，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)減少污水排放量1500萬噸。

由此可見，有關(guān)蒸汽優(yōu)化和凝結(jié)水回收的技術(shù)管理是企業(yè)節(jié)能、節(jié)水管理的一個(gè)組成重要部分，提高蒸汽利用效率及提高凝結(jié)水回收利用率是目前工業(yè)企業(yè)提高效益和競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。

4 TOC檢測(cè)在凝結(jié)水回收中的重要性

在電廠、石化和化工等企業(yè)中，凝結(jié)水能否回收最關(guān)鍵的問題是回流蒸汽的純度，特別是對(duì)回流TOC的含量非常關(guān)注。TOC，即總有機(jī)碳，代表了水中所含有機(jī)物的總和，它反映了水中被有機(jī)物質(zhì)污染的程度。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的凝結(jié)水，如果其TOC值比較低，便可以不需預(yù)處理再一次進(jìn)入鍋爐循環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行。如果超標(biāo)，便只能被排放掉。一旦凝結(jié)水被排出，這就意味著生產(chǎn)企業(yè)必須向鍋爐中加入給水。給水未經(jīng)處理是不能直接進(jìn)入鍋爐中運(yùn)行的，必須首先對(duì)給水進(jìn)行一系列的凈化處理，達(dá)標(biāo)過后才能進(jìn)入鍋爐中運(yùn)行。

蒸汽循環(huán)過程中的TOC來自于幾個(gè)方面：（1）換熱器有泄露，使蒸汽暴露在過程中，從而聚集一些有機(jī)物；（2）石化化工生產(chǎn)過程中，原料、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)品的泄露都可能會(huì)進(jìn)入到蒸汽中，從而產(chǎn)生TOC；（3）蒸汽循環(huán)過程中機(jī)械泵、閥的機(jī)械油滲漏等。

在凝結(jié)水處理過程中，需要盡快了解到有機(jī)物的含量，以決定水是否可以進(jìn)入回收水回路或直接排放。一方面，TOC的濃度增加，會(huì)降低離子交換樹脂的使用壽命，并會(huì)增加對(duì)系統(tǒng)的腐蝕。另一方面，有機(jī)物進(jìn)入鍋爐的危害非常巨大：有機(jī)物在爐水蒸汽循環(huán)的高溫高壓作用下會(huì)發(fā)生熱水解，從而產(chǎn)生CO32等酸性物質(zhì)，造成鍋爐腐蝕；有時(shí)，有的還會(huì)從爐水系統(tǒng)進(jìn)入蒸汽中，引起蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的腐蝕。TOC 監(jiān)測(cè)不僅可以自動(dòng)做出蒸汽凝結(jié)水的使用和再使用的決定，還可以計(jì)算出需要補(bǔ)充到蒸汽系統(tǒng)中的清潔給水水量。

5 TOC在線分析儀簡(jiǎn)介

當(dāng)前，用于TOC檢測(cè)的在線儀器很多。這些儀器的設(shè)計(jì)思路相同，那就是先將水中的有機(jī)物質(zhì)氧化為二氧化碳，然后檢測(cè)二氧化碳的量來確定TOC濃度。這就涉及到氧化有機(jī)物質(zhì)的氧化方法問題和檢測(cè)二氧化碳的檢測(cè)手段問題。對(duì)于氧化技術(shù)，主要有以下四種：即高溫氧化法、加熱的過硫酸氧化法、紫外線加過硫酸氧化法和紫外線氧化法。而通過美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)認(rèn)證的二氧化碳檢測(cè)方法只有兩種：非色散紅外檢測(cè)（NDIR）和薄膜電導(dǎo)率檢測(cè)。

圖1 HACH Astro 四個(gè)系列TOC在線分析儀

其中較為典型的有美國(guó)哈希（HACH）公司生產(chǎn)的Astro TOC在線分析儀。ASTRO TOC已經(jīng)有40年的生產(chǎn)歷史，主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)，包括過程用水和污水排放檢測(cè)。Astro TOC有四大系列：1950 Plus、UV、UV Turbo、和HT TOC。它們分別適用在凈水、高鹽、快速響應(yīng)、污水監(jiān)測(cè)等多種工業(yè)檢測(cè)要求環(huán)境下；測(cè)量范圍從5PPb到20000mg C/L，多達(dá)20余個(gè)選配置方案。為了適應(yīng)工業(yè)水中難消解樣品的條件，ASTRO TOC可以在試劑氧化的基礎(chǔ)上配置多達(dá)3個(gè)紫外燈，保證樣品的充分被氧化。

在以上四個(gè)系列中，ASTRO UV TURBO是專為化工、石化和電廠凝結(jié)水回用的TOC 分析而設(shè)計(jì)。采用經(jīng)典的TOC檢測(cè)分析技術(shù)——過硫酸鈉紫外催化氧化法，整個(gè)分析過程分為5個(gè)步驟：

圖2 過硫酸鈉紫外催化氧化法分析過程圖

第一步：樣品通過多通道進(jìn)樣閥進(jìn)入分析儀，加入磷酸試劑，將水中的無機(jī)碳轉(zhuǎn)化成CO2；

第二步：利用氣液分離器分離出CO2，隨載氣排出，從而除去樣品中的TIC；

第三步：樣品與過硫酸鈉試劑混合，進(jìn)入紫外光消解裝置進(jìn)行氧化反應(yīng)，將有機(jī)物氧化成CO2和水；

第四步：生成的CO2和水被氣液分離器分離，分離出的CO2氣體被送進(jìn)非發(fā)散紅外檢測(cè)器；

第五步：紅外檢測(cè)器對(duì)CO2的檢測(cè)有良好的檢測(cè)靈敏度和線性度，分析得到CO2的濃度，并換算成TOC。

Astro UV TURBO TOC在線分析儀突出“連續(xù)在線”的特點(diǎn)：

樣品流連續(xù)流入消解池中，不會(huì)發(fā)生中斷，充分體現(xiàn)了“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)”。而批次TOC分析儀的分析過程就像對(duì)監(jiān)測(cè)過程拍了一系列“快照”。定期拍“快照”，有可能錯(cuò)過測(cè)量的“事故”現(xiàn)象，甚至多數(shù)TOC超標(biāo)事件因?yàn)榕伪O(jiān)測(cè)原因沒有被監(jiān)測(cè)到。假設(shè)批次TOC分析儀的響應(yīng)時(shí)間是5分鐘到30分鐘的話，整個(gè)事故超標(biāo)現(xiàn)象可能完全錯(cuò)過；如果分析時(shí)間比采樣時(shí)間長(zhǎng)，那么重要的信息有可能永遠(yuǎn)都檢測(cè)不到。連續(xù)式監(jiān)測(cè)TOC就是對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)過程拍攝的連續(xù)錄像，Astro UV TURBO分析儀正是可以對(duì)凝結(jié)水回收系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)錄像的有機(jī)物檢測(cè)系統(tǒng)。

由于在石化系統(tǒng)中安裝的過程儀表都有嚴(yán)格的防爆要求，ASTRO TOC還具有方便、配套的正壓防爆系統(tǒng)，可以應(yīng)用在危險(xiǎn)場(chǎng)所的1區(qū)和2區(qū)。

6 TOC在線分析儀在凝結(jié)水回收中的應(yīng)用情況

ASTRO TOC在線分析儀在美國(guó)工業(yè)凝結(jié)水回收系統(tǒng)中得到廣泛的使用。它的快速測(cè)定，連續(xù)進(jìn)樣方式和低檢出限的性能，與一般的批次式的傳統(tǒng)原理儀器相比優(yōu)越很多；極大地滿足了用戶的生產(chǎn)和回收檢測(cè)的需要。在蒸汽/電力生產(chǎn)廠，根據(jù)TOC濃度的高低，甄別目前的蒸汽是回收、再生還是排放。如果生產(chǎn)用戶的工藝工況好，它使用完的蒸汽的TOC含量很低，這種蒸汽完全可以再一次回收，那么這個(gè)用戶在生產(chǎn)中僅需要付一點(diǎn)蒸汽“借用”的錢，因此它的生產(chǎn)工藝成本降低了很多，使用戶和供氣系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)，最后整個(gè)行業(yè)得到進(jìn)步。

凝結(jié)水回收中的一個(gè)焦點(diǎn)問題，就是要監(jiān)測(cè)回收蒸汽的TOC含量。為了再利用，水質(zhì)必須相對(duì)干凈；使用一臺(tái)在線的TOC分析儀非常重要，它能提供快速、準(zhǔn)確、可靠的TOC測(cè)量。

通常，Astro UV TURBO TOC在線分析儀安裝在冷凝器或冷卻塔和回流管路之間（如圖3所示）。可以在5分鐘之內(nèi)提供TOC的測(cè)量結(jié)果，準(zhǔn)確度可達(dá)到測(cè)量值的±4%或±8μg/L。

圖3 Astro UV TURBO TOC在線分析儀安裝位置圖

7 結(jié)語

TOC在凝結(jié)水回收利用中是很關(guān)鍵的參數(shù)，利用TOC在線分析儀可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)凝結(jié)水水質(zhì)，TOC監(jiān)測(cè)不僅能判斷凝結(jié)水的回收與否，還可以計(jì)算鍋爐補(bǔ)給水量和污水排放量，對(duì)工業(yè)企業(yè)的凝結(jié)水回收系統(tǒng)、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)和污染處理系統(tǒng)都有著重大的影響。