軟化水作為電石生產循環水補充水的工藝研究

段樹濤，馬生蓮，鄧建民

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏 石嘴山753202）

電石主要作為生產聚氯乙烯的原料，近年來隨著國內聚氯乙烯行業迅速發展，電石的需求量也在不斷增加，促進了電石生產工藝向高效、環保、節能的方向發展。電石爐中反應溫度在2000 ℃左右，電石爐爐面的溫度非常高（600 ℃以上），這就決定了它始終處在高溫的狀態下運行。為防止高溫對電石爐生產的影響，延長電石爐的使用壽命，在爐蓋、爐門、短網、電極接觸元件、煙道等處設置了水冷卻降溫設施。為減少冷卻水中雜質對電石爐生產運行系統的影響，研究解決水結垢帶來的危害和降低安全風險的措施，保障電石爐的安全、長周期、可靠運行。

1 電石爐循環水系統結垢及影響分析

寧夏英力特化工股份有限公司現運行的電石爐產能為30 萬t/a，配套的循環冷卻水系統循環量設計為4000 m3/h。采用無壓回水方式，系統由循環給水泵、加藥裝置、冷卻塔、熱水池及循環給水回水管線等組成。經電石爐用冷設施后的回水返回至敞口的回水槽中，與大氣接觸泄壓后的循環水再自流至熱水池，經加壓泵送至冷卻塔降溫后返回冷水池循環使用，流程簡圖如下圖1。

圖1 電石循環水系統簡圖

該公司使用經處理凈化后的黃河水作為循環水補充水。堿度和硬度都較高；在運行過程中，以下因素會導致水質惡化： 電石生產區域空氣中粉塵含量高，循環水易受外界環境污染；循環水在使用過程由于濃縮倍數的控制要求導致鹽含量升高； 電石爐區域溫度高，循環水溫度有時會高達60～65 ℃，蒸發量大，這些因素都導致循環水在電石爐冷卻管道中形成結垢。起初是電化學腐蝕原因，在管道內部形成銹層，并產生一些點蝕，后因空氣中的塵埃及細菌作用，產生黏泥沉淀層，當濃縮倍數達到一定程度時，水中的難溶或微溶鹽類達到過飽和狀態產生結垢。故管道內部結垢為多層分布，垢層形成后又產生垢下腐蝕，而使垢層加厚加密。將結垢層分為兩種，一種為銹垢層，一種為非銹層。與銹層接觸的沉淀層主要為黏泥，幾乎全為酸不溶物，外層主要為鈣硬殼，中間呈黏泥沉淀層與垢層交替出現[1]。

水垢在冷卻系統內形成會減小流道截面積，增加水循環阻力，阻礙正常的熱交換。隨著水垢層的不斷加厚將造成設備嚴重的冷卻不良，并帶來的一連串的惡果。不但影響系統的冷卻效果，同時還給冷卻管路系統造成腐蝕，導致冷卻管路穿孔泄漏。電石爐冷卻系統由水分離器將冷卻水分配到爐體的三相電極的接觸元件、爐體爐蓋及保護板冷卻系統。這些冷卻系統的元件都是純銅或不銹鋼材料，一旦因損壞導致電極刺火或其他事故，必將影響電石爐長周期安全運行。間冷開式系統循環冷卻水水質指標見表1。

為了控制結垢、 沉積腐蝕及微生物給設備管路帶來的危害，通過自動加藥設備向循環水中注入藥劑。通常采用添加阻垢劑、緩蝕劑、殺生劑等藥劑，并定時排污來維持循環水系統的穩定生產。上述措施不但增加了排污量，還導致易產生結垢和發生垢下腐蝕，為維持循環水系統正常生產，參照GB/T 50050 工業循環冷卻水處理設計規范中間冷開式系統循環冷卻水水質指標要求，結合電石生產工藝實際情況，制定循環水系統中冷卻水的各項控制指標見表2。為保證各指標正常控制，該公司年采購各藥劑費用約為50 萬元，同時根據濁度進行排污量為每周600 m3/h，污水排放費用為5 元/t，產生排污費600×52×5=15（萬元），合計費用65 萬元。

2 軟化水作為循環水補充水

表1 間冷開式系統循環冷卻水水質指標[2]

表2 循環水系統冷卻水控制指標

表3 軟化水生產工藝要求指標表

2018年該公司為解決上述問題并降低循環水系統的運行費用，對循環水系統工藝現狀進行研究，引進可靠技術，建設一套200 m3/h 的全自動軟化水再生設施，將工業水經過軟化處理后作為循環水補充水。其運行過程的工藝要求和控制指標見表3。

2.1 全自動軟化水設施工作原理

該全自動軟化水生產設施以程控閥和控制器為核心，配套樹脂罐及化鹽桶。通過運行時間來啟動再生程序，除給化鹽桶加鹽外，基本不需要人工干預。全自動軟水器是采用強酸性陽離子交換樹脂，當原水經過鈉型離子交換劑時，水中的Ca2+、Mg2+等陽離子與交換劑中的Na+進行交換，降低了水的硬度，當樹脂吸收達到飽和吸附作用失效后，用飽和的食鹽水浸樹脂層，把樹脂上的Ca2+、Mg2+離子置換出來，恢復樹脂的交換能力。吸附及再生過程化學反應式如下：

離子交換樹脂的單元結構主要由三部分組成，即不溶性的三維空間網狀骨架、連接在骨架上的功能基和功能基團所帶的相反電荷的可交換離子。在水溶液中，連接在離子交換樹脂固定不變的骨架上的功能基能離解出可交換離子，這些離子在較大范圍內可以自由移動并能擴散到溶液中，同時溶液中的同類型離子也能擴散到整個樹脂多孔結構內部，這兩種離子之間的濃度差推動它們互相交換，其濃度差越大，交換速度也就越快。同時由于離子交換樹脂上攜帶的一定的功能基對于各種離子的親和力大小各不相同，所以在人為控制的條件下，功能基離解出來的可交換離子可與溶液里的同類型離子發生交換[3]。

在原水中鈣鎂離子以Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2、CaSO4和MgCl2等化合物形式存在。經鈉型離子交換樹脂處理后Ca2+、Mg2+離子被吸附，產水中陽離子只有Na+存在。

2.2 全自動軟化水設施生產流程

該設施運行周期分為工作、反洗、再生、置換、沖洗等5 個過程。

（1）反洗。工作一段時間后的軟化水設備，會在樹脂上部攔截由原水帶來的污物，反洗過程就是原水經控制閥，自中心升降管由上向下流動經底部分流器分配給交換劑層，由下向上反洗交換后，再通過控制閥排水口排除廢水。這樣可以把上部攔截下來的污物沖走。（2）再生置換過程。原水經控制閥后進入注水器，然后通過射流過程將再生劑NaCl 鹽水利用虹吸原理吸入樹脂罐，由上向下均勻分布于交換劑層進行再生，廢液再經中心升降管底部分流器由下向上流動并通過控制閥排水口排出。（3）沖洗。為了將殘留的鹽水徹底沖洗干凈，原水經控制閥進入樹脂，由上向下快速沖洗交換劑層后，再由中心升降管底部分流進入，經控制閥后排出。

2.3 運行壓力控制的注意事項

全自動軟化水設施的運行壓力要求是0.2～0.5 MPa，這樣的壓力要求有兩方面的原因：該軟化水設施是靠水力形成負壓來抽取鹽水的，吸鹽器上端的壓力直接影響吸鹽的速度和效果，壓力如果低于0.2 MPa，吸鹽效果會明顯下降； 壓力大于0.5 MPa，可以達到吸鹽效果，但是在這種壓力下管路承壓過大，各接合點容易出現滲漏；另外，水壓過大會造成多路程控閥動作不精準，進而影響吸鹽效果。

3 運行效果分析

全自動軟化水設施產水Ca2+為30 mg/L，循環水中Ca2+控制指標從600 mg/L 降至250 mg/L 左右，比原水180 mg/L 稍高，由于Ca2+含量降低，系統中結垢少，熱交換效率得以提高；因日常不再添加含磷的阻垢緩蝕劑，藻類數量減少，并減少了垢下腐蝕，減少含磷廢水排放對環境的污染。再生后的廢水收集后作為降塵噴灑用水，完全杜絕了廢水排放。軟化水設施每月運行需要30 t 工業鹽，單價為270 元/t，費用為270×30×12=9.72（萬元）；由于使用該軟化水裝置后，濁度從以前的20 降至5 左右，排污量減少為200 m3/周，單價為5 元/t，費用為200×52×5=5.2（萬元）。合計運行費用15 萬元，比單純用藥劑控制減少費用50 萬元。

4 結語

電石循環水系統采用的全自動軟化水補水生產設施工藝設計緊湊，占地面積小；采用的設備為高強度FRP 材質，管道及管件為耐腐蝕塑料管，避免了離子交換樹脂被污染和系統腐蝕問題，控制閥及程序控制器完全實現了水質軟化及系統再生過程各階段的自動轉換，免維護，不用專人看管，設備工作原理簡單，易于操作控制。比常規的電石循環水系統藥劑控制減少廢水排放，比先進的超濾和反滲透產水作循環水補充水減少能耗。因此在電石工業循環水系統具有較好的推廣意義。