張春艷

(陜西神木化學(xué)工業(yè)有限公司, 陜西榆林 719319)

在化工裝置中,循環(huán)水消耗主要為循環(huán)水排污和蒸發(fā)損失。在為應(yīng)對(duì)水資源匱乏而大力推行節(jié)能降耗的大趨勢(shì)下,降低水耗尤為重要?？赏ㄟ^補(bǔ)充不同的水以及按照一定比例補(bǔ)水,提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)。

1 工藝介紹

循環(huán)水主要為空分裝置、合成氣凈化裝置、甲醇合成裝置、動(dòng)力裝置提供循環(huán)冷卻用水,設(shè)計(jì)規(guī)模為60 000 m3/h。

循環(huán)水裝置主要由冷卻塔、塔底水池、吸水池、循環(huán)給水泵、循環(huán)給水泵房、控制室、加藥間、旁濾器、監(jiān)測(cè)換熱器等組成。來自生產(chǎn)裝置的循環(huán)回水利用余壓上冷卻塔,在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換,冷卻后的水經(jīng)塔底進(jìn)入吸水池,再由循環(huán)水泵加壓送至各工藝裝置冷卻換熱,換熱后的熱水回到冷卻塔循環(huán)使用。

循環(huán)水系統(tǒng)換熱器分為板式換熱器、管程換熱器、殼程換熱器,其材質(zhì)為不銹鋼、碳鋼、銅。循環(huán)水系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 循環(huán)水系統(tǒng)參數(shù)

2 補(bǔ)充水及循環(huán)水水質(zhì)情況

循環(huán)水的補(bǔ)充水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表2,循環(huán)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表3。

表2 循環(huán)水的補(bǔ)充水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

表3 循環(huán)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

從表2和表3可知：循環(huán)水補(bǔ)水原水的水質(zhì)較好,鹽離子含量較低,礦井水總堿度和鈣離子含量偏高;循環(huán)水濃縮倍數(shù)較低,循環(huán)水余氯含量偏低,COD時(shí)有超標(biāo);濁度隨著濃縮倍數(shù)升高,濁度接近指標(biāo)上限。針對(duì)以上問題,通過對(duì)比補(bǔ)充水水質(zhì)情況和分析指標(biāo)控制等措施,達(dá)到節(jié)約用水、降低能耗的目標(biāo)。

3 原水、礦井水不同比例混合后水質(zhì)特點(diǎn)

3.1 原水、礦井水按質(zhì)量比為3∶7混合

補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算見表4。

表4 補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算

根據(jù)碳酸鈣結(jié)垢計(jì)算指數(shù),以賴茲納指數(shù)(RSI)為判斷值,其判斷結(jié)果見表5。

表5 碳酸鈣結(jié)垢指數(shù)判斷結(jié)果

原水、礦井水按質(zhì)量比為3∶7混合后,不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況見表6。

表6 不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況

原水、礦井水按質(zhì)量比為3∶7混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數(shù)及判讀結(jié)果見表7。

表7 指數(shù)及判讀結(jié)果

從表4～表7可知：原水、礦井水按質(zhì)量比為3∶7混合后,不加酸條件下,濃縮3．0倍時(shí),其鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L;濃縮4．0倍以上時(shí),大大超過GB 50050—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[1],因此不建議采用該比例混合補(bǔ)水。

3.2 原水、礦井水按質(zhì)量比為4∶6混合

補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算見表8。

表8 補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算

根據(jù)碳酸鈣結(jié)垢計(jì)算指數(shù),以賴茲納指數(shù)(RSI)為判斷值,其判斷結(jié)果見表9。

表9 碳酸鈣結(jié)垢指數(shù)判斷結(jié)果

原水、礦井水按質(zhì)量比為4∶6混合后,不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況見表10。

表10 不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況

原水、礦井水按質(zhì)量比為4∶6混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數(shù)及判讀結(jié)果見表11。

表11 指數(shù)及判讀結(jié)果

從表8～表11可知：原水、礦井水按質(zhì)量比為4∶6混合后,不加酸條件下,當(dāng)循環(huán)水濃縮倍率為4．0時(shí),鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L,超過GB 50050—2007要求,系統(tǒng)需要輔助加酸處理。

3.3 原水、礦井水按質(zhì)量比為5∶5混合

補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算見表12。

表12 補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算

根據(jù)碳酸鈣結(jié)垢計(jì)算指數(shù),以賴茲納指數(shù)(RSI)為判斷值,其判斷結(jié)果見表13。

表13 碳酸鈣結(jié)垢指數(shù)判斷結(jié)果

原水、礦井水按質(zhì)量比為5∶5混合后,不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況見表14。

表14 不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況

原水、礦井水按質(zhì)量比為4∶6混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數(shù)及判讀結(jié)果見表15。

表15 指數(shù)及判讀結(jié)果

從表12～表15可知：原水、礦井水按質(zhì)量比為5∶5混合后,不加酸條件下,當(dāng)循環(huán)水濃縮倍率為4．0時(shí),鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L,超過GB 50050—2007要求,因此系統(tǒng)需要輔助加酸處理。

3.4 原水、礦井水按質(zhì)量比為6∶4混合

補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算見表16。

表16 補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算

根據(jù)碳酸鈣結(jié)垢計(jì)算指數(shù),以賴茲納指數(shù)(RSI)為判斷值,其判斷結(jié)果見表17。

表17 碳酸鈣結(jié)垢指數(shù)判斷結(jié)果

原水、礦井水按質(zhì)量比為6∶4混合后,不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況見表18。

表18 不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況

原水、礦井水按質(zhì)量比為4∶6混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數(shù)及判讀結(jié)果見表19。

表19 指數(shù)及判讀結(jié)果

從表16～表19可知：原水、礦井水按質(zhì)量比為6∶4混合后,不加酸條件下,當(dāng)循環(huán)水濃縮倍率為4．0時(shí),鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L,超過GB 50050—2007要求,系統(tǒng)需要輔助加酸處理。

3.5 原水、礦井水按質(zhì)量比為7∶3混合

補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算見表20。

表20 補(bǔ)充水水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算

根據(jù)碳酸鈣結(jié)垢計(jì)算指數(shù),以賴茲納指數(shù)(RSI)為判斷值,其判斷結(jié)果見表21。

表21 碳酸鈣結(jié)垢指數(shù)判斷結(jié)果

原水、礦井水按質(zhì)量比為7∶3混合后,不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況見表22。

表22 不同濃縮倍率條件下水質(zhì)狀況

原水、礦井水按質(zhì)量比為7∶3混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數(shù)及判讀結(jié)果見表23。

表23 指數(shù)及判讀結(jié)果

從表20～表23可知：原水、礦井水按質(zhì)量比為7∶3混合后,不加酸條件下,當(dāng)循環(huán)水濃縮倍率為5．0時(shí),鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L,超過GB 50050—2007要求。但是當(dāng)循環(huán)水濃縮倍率運(yùn)行在4．0～5．0之間時(shí),則可控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi),并且不用加酸處理。

4 原水、礦井水不同質(zhì)量比例混合后水質(zhì)特點(diǎn)分析

4.1 濃縮倍率分析

不加酸條件下,不同質(zhì)量比例混合后最高可濃縮倍率見表24。

表24 不加酸條件下,不同質(zhì)量比例混合后最高可濃縮倍率

按照節(jié)水要求,濃縮倍率要求4．0倍以上,原水、礦井水按質(zhì)量比為3∶7混合顯然不符合節(jié)水要求;另外由于原水噸水費(fèi)用高達(dá)3.6元,而礦井水費(fèi)用僅為0.6元,原水的使用比例過大則不經(jīng)濟(jì),即原水、礦井水按質(zhì)量比為7∶3混合不符合要求。為了綜合考慮節(jié)水節(jié)能要求,可從原水和礦井水40%～60%使用比例中選擇最為經(jīng)濟(jì)的比例混合使用,輔助加酸條件,濃縮倍率至4.0～5.0。綜合考慮,按照濃縮倍率為4.5計(jì)算。

5 指標(biāo)分析

5.1 循環(huán)水濃縮倍數(shù)

循環(huán)水濃縮倍數(shù)高低直接影響因素為循環(huán)水補(bǔ)水量的多少,直接影響水耗高低,循環(huán)水濃縮倍率高低主要影響排污量和蒸發(fā)量的大小。當(dāng)循環(huán)水濃縮倍率達(dá)到3.6時(shí),循環(huán)水總堿度+鈣硬度達(dá)到996.00 mg/L,接近指標(biāo),繼續(xù)提高,會(huì)趨于飽和,導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢。建議適當(dāng)加大酸的投加量,降低總堿度,繼續(xù)提高循環(huán)水濃縮倍率。

5.2 循環(huán)水濁度

從循環(huán)水水質(zhì)分析可以看出,濃縮倍數(shù)升高時(shí),循環(huán)水濁度逐漸升高。循環(huán)水濁度主要受原水濁度、空氣的干凈程度、循環(huán)水濃縮倍率、系統(tǒng)泄漏4個(gè)因素影響[2-4]。

(1) 原水濁度

原水濁度隨著季節(jié)波動(dòng)較大,最高時(shí)達(dá)到12.68 NTU,增加了旁濾器過濾負(fù)荷,出現(xiàn)循環(huán)水濁度波動(dòng)(見表25)。建議對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理,以降低原水濁度。

表25 循環(huán)水濁度波動(dòng) NTU

(2) 系統(tǒng)泄漏

通常根據(jù)循環(huán)水中COD的含量來判斷循環(huán)水系統(tǒng)是否泄漏(見表26)。只有在8月出現(xiàn)COD含量超標(biāo)現(xiàn)象,其余時(shí)間在正常指標(biāo)內(nèi)。循環(huán)水裝置水溫為32～42 ℃,在冷卻過程中與空氣充分接觸,水中溶解氧充足,再加之系統(tǒng)泄漏時(shí),水中含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),完全具備微生物的生長(zhǎng)條件。如果循環(huán)水中有大量微生物,微生物的存在可以不斷降低COD含量,使得循環(huán)水中污泥增加。投加殺菌劑后,引起黏泥、藻類的脫落,導(dǎo)致循環(huán)水濁度升高。

表26 循環(huán)水COD波動(dòng) mg·L-1

(3) 旁濾器的運(yùn)行

本裝置旁濾水體積流量設(shè)計(jì)為1 600 m3/h,采用球形淺層過濾器過濾進(jìn)出水。當(dāng)入口濁度上升時(shí),出口濁度同時(shí)上升(見圖1),說明過濾器截污能力有限,導(dǎo)致過濾效果差,降濁效果降低。建議增加旁濾水量或者選用截污能力較強(qiáng)的過濾器。

圖1 入口濁度上升時(shí),出口濁度同時(shí)上升

5.3 余氯及殺菌的控制

控制敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的菌藻繁殖,是循環(huán)冷卻水處理的關(guān)鍵。藻類通常在冷卻塔和冷卻塔集水池受陽(yáng)光照射的地方被大量繁殖,并附著于塔體和池壁上,干擾空氣和水的流動(dòng),降低冷卻效率。脫落的藻類進(jìn)入管道而沉積,附著在熱交換設(shè)備器壁上形成污垢,降低傳熱效率,增加水頭損失。同時(shí),作為細(xì)菌的食物,藻類會(huì)促使細(xì)菌繁殖,加劇腐蝕,危害很大。

控制菌藻繁殖的方法是投加殺生劑。殺生劑分為氧化型、非氧化型、表面活性型3類,本系統(tǒng)中使用氧化型殺菌劑次氯酸鈉和非氧化型殺菌劑異噻唑啉酮。對(duì)于次氯酸鈉,采用沖擊式投加方式;對(duì)于非氧化型殺菌劑,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),冬季每?jī)稍峦都?次,夏季每月投加1次。循環(huán)水中余氯含量普遍偏低時(shí),現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)塔壁生藻現(xiàn)象嚴(yán)重。次氯酸鈉使用量見表27。

表27 次氯酸鈉使用量 t

從表27可知：隨著夏季氣溫回升,次氯酸鈉耗量逐漸升高,甚至是冬季的1倍多。從循環(huán)水指標(biāo)看,循環(huán)水余氯并沒有升高,說明系統(tǒng)中消耗次氯酸鈉量升高,系統(tǒng)中有大量微生物和適合微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。為提高余氯指標(biāo),降低次氯酸鈉使用量,必須控制系統(tǒng)泄漏量,避免微生物生長(zhǎng)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過分析以上數(shù)據(jù),為降低循環(huán)水補(bǔ)水量,建議采取如下措施：

(1) 在加酸條件下(濃縮倍率為4.5),當(dāng)原水、礦井水按質(zhì)量比為4∶6混合時(shí),循環(huán)水系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本費(fèi)用最低,綜合噸補(bǔ)充水成本為1.80元,年運(yùn)行費(fèi)用為1 275.12萬元。當(dāng)不加酸時(shí),濃縮倍率為4.5左右,則礦井水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過40.00%。

(2) 系統(tǒng)輔助加酸處理,堿度控制在270.00 mg/L或以下,并適當(dāng)提高濃縮倍率至4.0～4.5運(yùn)行,補(bǔ)充礦井水質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60.00%。如此運(yùn)行,系統(tǒng)節(jié)水節(jié)能可以達(dá)到良好經(jīng)濟(jì)平衡。

(3) 查找系統(tǒng)漏點(diǎn),防止系統(tǒng)物質(zhì)泄漏至循環(huán)水,避免微生物生長(zhǎng),減少系統(tǒng)黏泥量,降低系統(tǒng)濁度。

(4) 對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理,降低原水濁度;對(duì)旁濾進(jìn)行管理,降低循環(huán)水濁度。