電解水處理技術(shù)在循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用

張衛(wèi)東

（中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300000）

0 背景

循環(huán)冷卻水用量約占工業(yè)用水總量的80%～90%，可直接提高水院利用效率，達(dá)到節(jié)省水資源的目的。 但是工業(yè)循環(huán)冷卻水隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，水中鹽類被濃縮。循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)越高，水中所含的金屬離子濃度也越高。再加上冷卻水與大氣充分接觸，溶解氧、灰塵和細(xì)菌含量大大增加，導(dǎo)致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)容易出現(xiàn)三大弊?。航Y(jié)垢、腐蝕和菌藻滋生[1]。

冷卻水中金屬離子的鹽類（主要是鈣、鎂離子的碳酸鹽類）在熱交換器被冷卻表面沉積結(jié)垢，堵塞管道，并形成腐蝕。菌藻滋生并伴隨塵土?xí)a(chǎn)生粘泥，在堵塞設(shè)備的同時(shí)加重腐蝕。這些情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成重大事故，使生產(chǎn)不能正常運(yùn)行，直接經(jīng)濟(jì)損失巨大。

天津石化公司聚醚部循環(huán)冷卻水系統(tǒng)換熱器HE-1555兩側(cè)管箱內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重、6根換熱管已經(jīng)阻塞，3根發(fā)生內(nèi)部穿孔泄漏。拆開換熱器發(fā)現(xiàn)：在冷卻器的管板上存在大量黃褐色或者磚紅色鼓包，鼓包下面是黑色粉末狀物質(zhì)的腐蝕產(chǎn)物。換熱器拆開后如圖1所示。

圖1 換熱器管板腐蝕穿孔

此次換熱器腐蝕穿孔不僅影響了循環(huán)水質(zhì)，也造成了嚴(yán)重的安全隱患，制定有針對(duì)性控制措施勢(shì)在必行。

HE-1555換熱器管板上的結(jié)垢物結(jié)晶主體存在Fe3O4（卡片號(hào)為19-0629）、FeOOH（卡片號(hào)為16-0713）和SiO2（卡片號(hào)為46-1045）和微量硫元素。分析結(jié)果如圖2所示。

1 聚醚部循環(huán)水系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)基本情況

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要為聚醚產(chǎn)品進(jìn)行冷卻，系統(tǒng)由18臺(tái)換熱器、循環(huán)水泵、循環(huán)水池和冷卻塔構(gòu)成。設(shè)備材質(zhì)均為碳鋼。水質(zhì)分析結(jié)果顯示：濃縮倍數(shù)約為6。循環(huán)冷卻補(bǔ)充水由給水提升系統(tǒng)供給。工藝流程圖如圖3所示。

圖3 循環(huán)水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

1.2 工藝參數(shù)

表1 循環(huán)水系統(tǒng)的主要參數(shù)

1.3 補(bǔ)加水、循環(huán)水水質(zhì)分析

對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)加水、循環(huán)水進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，分析結(jié)果如下：

現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)冷卻水的水型均為氯化鈣型，工業(yè)循環(huán)冷卻水隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，水中鹽類被濃縮。循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)越高，水中所含的金屬離子濃度也越高。并且循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的流速也較慢，很容易形成腐蝕和結(jié)垢環(huán)境。

表2 補(bǔ)加水水樣分析結(jié)果

2 電解水技術(shù)

為了解決換熱器堵塞、結(jié)垢和腐蝕穿孔問題，聚醚部引進(jìn)了電解水處理技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的技術(shù)為電解水原理，其主要原理如下。

電解處理循環(huán)水技術(shù)通過旁通處理的方式，取一定比例的冷卻循環(huán)水首先經(jīng)過過濾器，而后流過電解水反應(yīng)室，以便除掉適當(dāng)?shù)臋C(jī)械雜質(zhì)，緊接著在反應(yīng)室內(nèi)除掉適當(dāng)?shù)牡V物質(zhì)和殺死細(xì)菌，然后流回循環(huán)水冷卻塔中。該技術(shù)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)區(qū)別于任何一種其他的機(jī)械方法和電磁處理方法。通過電解，水中的礦物質(zhì)在電解反應(yīng)室內(nèi)壁上沉淀出來并通過機(jī)械裝置去除。反應(yīng)室內(nèi)維持一定的工作電流，結(jié)果是：在陰極（反應(yīng)室內(nèi)壁）附近形成高濃度的氫氧根，這種升高的pH（pH值大約為13），讓容易結(jié)垢的礦物質(zhì)預(yù)先結(jié)垢，并從水中析出。實(shí)際上，該處理過程與石灰處理形成冷石灰軟化環(huán)境 類似。

表3 循環(huán)水水樣分析結(jié)果

同時(shí)，電流也將一小部分的氯離子轉(zhuǎn)化為游離氯，部分氫氧根氧化成微量臭氧。這兩個(gè)產(chǎn)物提供了殺菌效應(yīng)，結(jié)合安培電流及局部高的和低的（陽(yáng)極）pH值區(qū)域，維持了電解反應(yīng)室后面一個(gè)事實(shí)上的消毒環(huán)境。根據(jù)水蒸發(fā)濃縮過程中帶來的水中碳酸鈣飽和指數(shù)（LSI）的變化，將碳酸鈣控制在過飽和狀態(tài)，在管道和設(shè)備內(nèi)壁形成很薄的保護(hù)層，從而保護(hù)管道和設(shè)備不和冷卻水中的溶解氧接觸，防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，電解反應(yīng)室內(nèi)部可以除掉冷卻水中鐵、銅離子以及其他重金屬離子，水結(jié)垢物一起排到循環(huán)水系統(tǒng)之外，而這些離子是加速腐蝕的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

在反應(yīng)室內(nèi)壁（陰極）附近發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)是[2]：

在堿性溶液中發(fā)生的反應(yīng)（陰極附近）：

Ca2+（aq）可能形成氫氧化鈣Ca（OH）2垢，CaCO3垢。

陽(yáng)極附近發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有：

現(xiàn)場(chǎng)安裝照片如圖4所示。

圖4 電解循環(huán)水處理現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備圖

在電解反應(yīng)室內(nèi)把部分水垢以固體形式在電解水反應(yīng)室內(nèi)預(yù)先析出排出冷卻系統(tǒng)之外，冷卻水的濃縮倍率可以做得更高，從而節(jié)約大量新鮮補(bǔ)充水。而且在整個(gè)電解水處理過程中，無(wú)需添加任何化學(xué)藥劑，電解水反應(yīng)室內(nèi)刮垢和清洗排放水除了水垢和固體雜質(zhì)外，沒有任何危害成分，因此簡(jiǎn)單沉淀后可以用于景觀綠化或者清洗用水，同時(shí)也就不會(huì)向水體排放任何污染物，節(jié)省了大量的化學(xué) 藥劑。

該系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)充水的依賴程度主要體現(xiàn)在：

（1）[F-]對(duì)系統(tǒng)的影響，可能影響到電極 壽命；

（2）水中COD對(duì)系統(tǒng)的影響，可能影響電解 效率。

因此，在應(yīng)用該系統(tǒng)前，一定要對(duì)補(bǔ)充水進(jìn)行全面的水質(zhì)分析，確定其含有較低的[F-]和COD。

電解室是電解循環(huán)水裝置的核心部件，其中主要發(fā)生電解反應(yīng)的部件是電極，目前其設(shè)計(jì)壽命大于3年。

3 應(yīng)用效果

2014年09月安裝運(yùn)行電解水處理系統(tǒng)，目前循環(huán)水量70m3/h，進(jìn)入電解系統(tǒng)的水量為總水量的5%～10%。在未使用該套設(shè)備前，換熱器內(nèi)粘泥附著嚴(yán)重，如圖5所示。

圖5 換熱器污泥結(jié)垢圖

目前循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行良好，水質(zhì)較清澈，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員反饋：停產(chǎn)拆開換熱器后內(nèi)部結(jié)垢/污泥非常少，只需輕輕用清水一沖即可，而以前是需要用高壓水槍進(jìn)行強(qiáng)力清洗的，電解循環(huán)水設(shè)備應(yīng)用后，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。拆開后換熱器照片如圖6所示。

圖6 應(yīng)用電解裝置后換熱器拆開狀態(tài)

為了確保電解系統(tǒng)穩(wěn)定安全地運(yùn)行，維修工人需定期采用電極刷將電極表面的污垢刷掉，同時(shí)配合表面氣泡的攪動(dòng)以及液量的高流速，確保了污垢都沉積與反應(yīng)室底部，而不會(huì)附著于電極表面。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

電解循環(huán)水處理裝置原理可行，實(shí)際運(yùn)行情況良好，可以有效控制循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢，腐蝕，菌藻滋生，水質(zhì)惡化，濃縮倍數(shù)超標(biāo)等問題，使循環(huán)水系統(tǒng)始終處于優(yōu)良穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 建議

（1）電解循環(huán)水設(shè)備是依靠垢吸附于金屬表面起到部分防腐效果，因此建議在循環(huán)水系統(tǒng)啟動(dòng)前，為了確保化學(xué)藥劑和薄垢附著于潔凈金屬表面，建議對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行清洗和預(yù)膜；

（2）電解循環(huán)水設(shè)備由電解水質(zhì)有某些特殊要求，建議對(duì)循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)進(jìn)行全面分析，重點(diǎn)檢測(cè)[ F-]和COD；

（3）電解循環(huán)水系統(tǒng)穩(wěn)定后，建議嘗試采用生產(chǎn)污水作為循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水源，為國(guó)家節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。