段汝元，宋子平，李寧輝

(山西省焦炭集團(tuán)益達(dá)化工股份有限公司,山西 介休 032000)

山西省焦炭集團(tuán)益達(dá)化工股份有限公司利用伴隨焦炭生產(chǎn)富裕出的焦?fàn)t氣為原料生產(chǎn)甲醇，設(shè)計能力20萬t/a。公司設(shè)有循環(huán)水系統(tǒng)，以水為冷卻介質(zhì)為設(shè)備提供持續(xù)、穩(wěn)定的降溫?，F(xiàn)公司設(shè)有循環(huán)水系統(tǒng)集水池1600m3，開放式逆流冷卻塔2座，系統(tǒng)給水溫度32℃，回水溫度42℃，系統(tǒng)設(shè)置4臺循環(huán)水泵(3開1備)，旁濾設(shè)備3臺，單臺處理水量130m3/h，系統(tǒng)循環(huán)水量7700m3/h，保有水量3300m3。

為提高水處理系統(tǒng)循環(huán)率，采用人工投加化學(xué)藥劑來保持水質(zhì)穩(wěn)定。經(jīng)過多年的運行實踐，發(fā)現(xiàn)采用人工加藥的方式，會對水質(zhì)管理造成以下問題：

(1)藥劑的消耗量大，平均每年使用水處理藥劑費用100萬元。

(2)補(bǔ)充水量大，濃縮倍數(shù)偏低，浪費了大量的水資源。

(3)受工藝的要求及空氣中懸浮雜質(zhì)的影響，循環(huán)水中產(chǎn)生的粘泥較多，嚴(yán)重影響各設(shè)備的換熱效率，需要投加大量的殺菌殺藻劑。

(4)循環(huán)水的排污量大，對環(huán)境造成一定的影響，采用人工加藥的方式，不僅勞動強(qiáng)度大，而且會對員工的健康造成不利的影響。

1 電化學(xué)水處理工藝的原理

電化學(xué)水處理技術(shù)應(yīng)用起始于20世紀(jì)40年代，近年來，電化學(xué)方法被稱為“環(huán)境友好”工藝[1]。電化學(xué)設(shè)備的核心部件是電極，主要是通過電解反應(yīng)，將水中的有機(jī)和無機(jī)污染物通過電化學(xué)氧化、電化學(xué)還原和陰極吸附等方法去除[1-2]。

1.1 陽極反應(yīng)機(jī)理

在電解過程中陽極表面(附近)區(qū)域能產(chǎn)生一定量的氯氣(Cl2)、雙氧水(H2O2)、次氯酸(HClO3)、羥基自由基(OH·)、臭氧(O3)、余氯等強(qiáng)氧化劑?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下[3-4]：

①2Cl-→Cl2+2e-

② OH--e-→OH·

③ 2H2O-2e-→H2O2+2H+

④ 4OH-→O2+2H2O+4e-

⑤ O2+2OH--2e-→O3+H2O

⑥Cl--e-→Cl·

⑦ H2O-2e-→·O+2H+

1.2 陰極反應(yīng)機(jī)理

陰極與水界面發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：

① 2H2O+2e-→2OH-+H2↑

④ Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓

1.3 電化學(xué)法除垢機(jī)理

在電解過程中，陰極區(qū)域會有大量的氫氧根離子和碳酸根離子富集，在電場作用下，鈣鎂離子會向陰極區(qū)富集。當(dāng)鈣鎂離子經(jīng)過該區(qū)域時會生成碳酸鈣和碳酸鎂等沉淀物并吸附在陰極板上，定期清理陰極板上的沉積物，可有效的將鈣鎂離子排除到循環(huán)水系統(tǒng)外，從而實現(xiàn)除垢、防垢。

1.4 電化學(xué)法殺菌除藻機(jī)理

陽極產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性物質(zhì)對水體中的微生物毒性較強(qiáng)，可以有效的殺滅水體中的細(xì)菌及藻類。同時，伴隨電解反應(yīng)的發(fā)生，陽極區(qū)為強(qiáng)酸區(qū)域(pH值<4)，陰極區(qū)為強(qiáng)堿區(qū)域(pH值>10)，對微生物的生存和繁衍起到了有效的抑制作用。再次，電解產(chǎn)生的直流電(設(shè)備最大可提供600A)可直接殺滅水體中的微生物。

1.5 電化學(xué)法防腐機(jī)理[5]

循環(huán)水管線發(fā)生腐蝕原因較多，可分為細(xì)菌腐蝕、藥劑腐蝕、氯離子腐蝕等。由于電化學(xué)法避免了化學(xué)藥劑的添加，且經(jīng)過電化學(xué)的除菌、除氯后，可以消除大部分循環(huán)水管線發(fā)生腐蝕的因素。在電解過程中產(chǎn)生的氫氧根離子和活性氧可促進(jìn)循環(huán)水管道內(nèi)壁和各種換熱器內(nèi)壁的亞鐵離子和鐵離子最終生成產(chǎn)四氧化三鐵(Fe3O4)，形成致密磁鐵保護(hù)膜，將管壁和水隔開，進(jìn)一步阻止管線及設(shè)備的腐蝕。反應(yīng)過程如下[6]：

① Fe2++2OH-→Fe(OH)2

②2Fe(OH)2+H2O+1/2O2→2Fe(OH)3

③2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

④3Fe2O3·nH2O+2e-→2Fe3O4+1/2O2+3nH2O

2 設(shè)計改造內(nèi)容及效果

2.1 改造方式

電化學(xué)處理循環(huán)水設(shè)備以旁流形式安裝到循環(huán)水系統(tǒng)中，無需改變原管路系統(tǒng)，如圖1所示。在循環(huán)水回水總管上接DN300管道至電化學(xué)水處理設(shè)備底部(共6套，型號：FEC-B204)，循環(huán)水經(jīng)過水處理執(zhí)行器箱體處理，然后從水處理設(shè)備頂部出來，通過轉(zhuǎn)子流量計至旁濾器出水總管，匯合后一起進(jìn)入循環(huán)水池。

圖1 電化學(xué)處理循環(huán)水工藝流程圖

2.2 運行效果分析

采用電化學(xué)處理循環(huán)水前后循環(huán)水系統(tǒng)運行模式未變，最大循環(huán)水量為7703m3/h，同時停止添加所有藥劑。

2.2.1 電化學(xué)處理裝置運行前后，水質(zhì)對比分析

通過水質(zhì)指標(biāo)對比可見，電化學(xué)處理裝置運行前，循環(huán)水各項指標(biāo)均超出設(shè)計要求，總硬度和氯離子超標(biāo)嚴(yán)重。電化學(xué)處理裝置在運行了三個月之后，總堿度、總硬度、氯離子、鈣離子、總磷等指標(biāo)顯著下降，均能滿足設(shè)計要求，水質(zhì)改善效果明顯。具體結(jié)果見表1。

表1 電化學(xué)處理裝置投入前后循環(huán)水水質(zhì)指標(biāo)比較結(jié)果

2.2.2 電化學(xué)處理裝置運行前后，換熱器的結(jié)垢、腐蝕情況對比分析

電化學(xué)處理裝置運行三個月后，分別對氧壓機(jī)、焦?fàn)t氣壓縮機(jī)的冷卻器拆開觀察腐蝕、結(jié)垢情況，從圖2可見，結(jié)垢主要集中在電化學(xué)處理裝置內(nèi)，循環(huán)水管束中僅含有少量泥沙，雜質(zhì)，結(jié)垢與腐蝕情況均不明顯。

(a)電化學(xué)設(shè)備內(nèi)部結(jié)垢情況 (b) 改造前循環(huán)水管線結(jié)垢情況

(c) 改造后氧壓機(jī)冷卻器結(jié)垢情況 (d)改造后壓縮機(jī)冷卻器結(jié)垢情況圖2 循環(huán)水冷卻器結(jié)垢情況

2.2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造后，系統(tǒng)運行的成本和效益見表2。采用電化學(xué)方式對循環(huán)水進(jìn)行處理，每年可節(jié)約新鮮水3.6萬噸，節(jié)約各類成本費用合計110余萬元。

表2 改造前后費用對比情況

3 結(jié)論

(1)電化學(xué)方式代替化學(xué)處理循環(huán)水技術(shù)改造的成功投用，提高了循環(huán)水水質(zhì)，降低了后續(xù)系統(tǒng)換熱設(shè)備的腐蝕與結(jié)垢，提高了換熱效果，保證設(shè)備能夠長期穩(wěn)定的運行。

(2)由于循環(huán)水循環(huán)率提高，減少了循環(huán)水排污量，降低了循環(huán)水的補(bǔ)充水量，起到了節(jié)約用水的目的，并且減少了清洗廢液對環(huán)境的污染，在一定程度上降低了公司的環(huán)保壓力。

(3)電化學(xué)處理循環(huán)水設(shè)備的投用，每年可以為公司節(jié)約成本110余萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。