提高循環水濃縮倍數的方法

史麗杰

（內蒙古億利化學工業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014300）

1 循環水系統概況

內蒙古億利化學工業有限公司40萬t/a PVC和36萬t/a 燒堿，生產線配備2套獨立敞開式循環冷卻水系統，總循環水量為36 000 m3/h，系統保有水量約為一萬八千立方米。其中Ⅰ# 循環系統循環水量25 500 m3/h，系統保有水量約為一萬二千八百立方米；Ⅱ循環系統循環水量為10 500 m3/h，系統保有水量約為五千二百立方米。由于該公司循環水補水水源為黃河滲水，水質（見表1）屬于高硬度和高堿度水質，鈣硬度大于180 mg/L，總堿度大于200 mg/L。這類高硬度和高堿度水質如果采用自然pH 值運行工藝，循環水的濃縮倍數最高只能控制為2倍。

2 循環水加酸的必要性

如果提高循環水濃縮倍數，由于循環水堿度、硬度高，將導致水中成垢物質沉積，水中溶解氧和腐蝕性離子的增加以及滋生的菌藻所產生的生物黏泥成倍增加，對循環水換熱設備污堵、腐蝕、結垢危害嚴重，輕則，被動停車清洗，重則使設備腐蝕穿孔而報廢，給安全生產帶來極大隱患。為了保證2套循環水系統中水冷設備的長期、高效、穩定運行，解決循環水系統中普遍存在的腐蝕、結垢和菌藻黏泥的危害，采用水質穩定劑對循環冷卻水進行化學處理顯得十分重要。

表1 循環水水質數據（不加酸）

目前采用加硫酸（一般為98%硫酸）降低循環水的堿度和pH 值、使Ca2+、Mg2+碳酸鹽轉化為硫酸鹽，是解決循環水系統不結垢而普遍采用的方法。循環水濃縮倍數要求在4.0倍以上，加酸是保證循環水系統安全運行的必要保證之一。

3 水質穩定性判斷

循環冷卻水投入運行后，要進行結垢腐蝕性判斷，通常采用碳酸鈣飽和指數及穩定指數來判斷。在循環水運行中，飽和指數只能說明一種傾向，是一個定性趨勢，有較大的局限性；穩定指數是在飽和指數基礎上發展起來的指數，是根據化學分析測出循環水系統中的鈣硬度、堿度、pH 值、固形物以及現場實際溫度來計算。目前，許多水處理工作者都采用其作為生產現場的一個控制指標，水質穩定性判斷計算見表2。

表2 水質穩定性判斷計算

RSI=2pHs-pH（即2x 水在碳酸鈣飽和平衡時的pH 值水的實測pH 值）；

RSI＜3.7，嚴重結垢性水質；

RSI＜6.0，結垢性水質；

RSI≈6.0，穩定性水質；

RSI＞6.0，腐蝕性水質；

RSI＞7.5，嚴重腐蝕性水質。

表2計算結果顯示，循環水的補充水為結垢型水質，隨著濃縮倍數的提高，水質結垢傾向更嚴重。根據國家標準GB50050-2007規定，循環水中鈣硬度與甲基橙堿度之和大于1 100 mg/L、碳酸鈣穩定指數RSI 小于3.3時，應加酸或進行軟化處理（GB50050-2007 《工業循環冷卻水處理設計規范》。按以上計算，循環水濃縮倍數在3倍時，Ca2++堿度達1 082 mg/L，正好接近控制指標的上限，而且，碳酸鈣穩定指數RSI 為3.22，小于3.30，已經到了加酸調pH 值范圍。所以，如果采用pH 值自然平衡而不加酸調節pH 值，系統能夠承受的最高濃縮倍數為3.0。

根據GB50050—2007的要求及從節約用水降低運行成本等綜合考慮，加酸降低循環水堿度，系統能夠承受的最高濃縮倍數可以提高到5倍。

4 加酸的經濟性

4.1 節水和節約藥劑減少的費用

按照設計規范，循環水不加酸調節pH 值，濃縮倍數只能在3.0倍以下運行，計算基準采用3倍濃縮倍數，加酸后，濃縮倍數可以在5倍以上運行，計算基準采用5倍濃縮倍數。不同濃縮倍數時各種水量的理論計算值見表3。

（1）濃縮倍數由3.0提高到5.0時，節水量的計算

系統設計參數

循環水量：36 000 m3/h；保有水量：15 000 m3；回出水溫差：32～42 ℃；濃縮倍數：4倍；系統材質：碳鋼、不銹鋼、銅合金。

每年節約的補充水量：（2.6-2.2）%×循環水量×8 000=1 152 000（m3）。

補充水取水費為1元/m3，年節約的補充水費為115萬元。

每年減少的排污水量：（0.8-0.4）%×循環水量×8 000=1 152 000（m3）。

假設排污水需要的費用為0.5元/m3，年節約排污水費約為五十八萬元。

（2）濃縮倍數由3.0提高到5.0時，節約的藥劑量的計算

藥劑使用濃度取平均50 mg/L 進行計算。

節約的藥劑量（kg）：節約的排污水量×藥劑使用濃度×10-3=1 152 000×50×10-3=58（t）

藥劑單價按平均1.2萬元/t 進行計算。則節約藥劑費用約為58×1.2=70萬元。

（3）濃縮倍數由3.0提高到5.0時，節約總費用

115+58+70=243（萬元/a）。

4.2 加酸增加的費用估算

（1）硫酸費用。

a.加酸量的計算

按GB50050-2007提供的加酸量公式

式中：Mm—補充水堿度，mg/L，以CaCO3計；

Mr—循環冷卻水控制的堿度，mg/L，以CaCO3計；

表3 不同濃縮倍數時各種水量的理論計算值

N—循環水濃縮倍數；

Qm—補充水量，m3/h。

取調酸以后的目標堿度為150 mg/L，補充水量為36 000×2.2%=792（m3/h），濃縮倍數為5，補充水堿度為215 mg/L

每小時加酸量Ac：=（215-150/5）×10-3×792=146.52（kg）。

年加酸量=146.52 kg×8 000=1 172 160 kg 約為一千一百七十二噸。

硫酸單價按800元/t 進行計算，則硫酸年費用為1 172×450=53（萬元/a）。

（2）加酸裝置建設費用。

加酸處理裝置新增加儲酸罐、計量酸罐、計量泵等設備，投資約三十萬元。按5年進行折舊，每年折舊費為30÷5=6（萬元）。

（3）加酸年運行總費用為59萬元。

因此，每年加酸節約的費用為184萬元。

5 加酸調pH 值的可行性和可靠性

循環水加酸調pH 值技術在二十世紀70年代就已經成熟了，目前，中國絕大多數化工裝置循環水都采用了加酸技術。運行的可行性和可靠性得到了廣泛的認可，在嚴格按操作規程進行操作的前提下安全性極高，幾十年以來，沒有循環水系統硫酸造成嚴重人身傷害方面的報道，一般是采用98%商品硫酸來調節pH 值。

目前，多數企業采用了半自動加酸系統，加酸量自動調節和人工調節相結合的方式，控制安全、穩定；計量槽只能貯存1天的使用量，保證了系統更加安全，不會造成加酸量過大造成循環水系統的腐蝕；自動化程度比較高，自動記錄數據，操作工的勞動強度大大降低，并消除了影響環境及工人安全的隱患。

6 結論

在黃河水系的工業循環冷卻水系統中，采用pH值自然平衡的水質穩定處理方案，一般只能在3倍以下的濃縮倍數下運行，才能保證系統的腐蝕和垢沉積達到國家標準的要求；采用加酸調節pH 值的處理方案，一般能使系統濃縮倍數控制在四五倍運行，完全能保證系統的腐蝕和垢沉積達到國家標準的要求；采用加酸調節pH 值的高濃縮倍數處理方案比pH 值自然平衡的低濃縮倍數處理方案有更好的經濟效益；采用加酸調節pH 值的處理方案技術非常成熟，可行性、可靠性和安全性都非常有保障。