電吸附技術在石化循環水處理中的應用研究

孫 磊 關志峰 籍志凱 張成軍 司樹昌 萬德福

（山東濱化濱陽燃化有限公司 山東陽信 251800）

一、前言

循環水是石化企業中重要配套公用工程，主要是以水作為冷卻介質并循環使用的一種冷卻運行系統。在開放式循環水系統中，由于循環水不斷蒸發、無機離子和有機物質濃縮、微生物及藻類滋生等諸多原因，產生嚴重的結垢、粘泥增生和設備腐蝕等水質問題：（1）結垢：主要是碳酸鈣不斷沉積結垢，導致換熱器傳熱效率降低甚至管道被堵。（2）粘泥增生：開放式循環水冷卻塔適合微生物增生，導致換熱器中管路堵塞，降低了冷卻作用還造成粘泥腐蝕。（3）設備腐蝕：循環水系統中的碳鋼、不銹鋼、銅材質在長期循環水運行會形成溶解氧腐蝕、垢下腐蝕、氯離子腐蝕等各類腐蝕[1]。

二、化學藥劑法

目前傳統的水處理方法有化學藥劑法，通過連續投加緩蝕劑、阻垢劑或緩蝕阻垢復合劑（一般情況為富含有機磷或無機正磷的聚合物），定期或連續投加氧化性殺菌劑，沖擊性投加非氧化殺菌劑，結合旁濾、定期排污置換方式結合控制水質，并按照《GB50050-2017 工業循環冷卻水處設計規范》要求進行水質管理。

化學藥劑法雖然能夠滿足循環水水處理的指標要求，但也有較大的缺點：（1）緩蝕阻垢劑以含磷為主，排污時對環境造成一定污染，且磷元素本身會有利于微生物的增生，增加殺菌滅藻的難度。（2）化學藥劑具有時效性，跟投加濃度和成分有關，且在水體中有效成分易分解，易失效，效果不穩定。（3）氧化性殺菌劑一般為含氯殺菌劑，余氯過高會增加碳鋼腐蝕，非氧化殺菌劑，具有一定毒性，對水生動物有危害。（4）為節約用水，一般循環水高濃縮倍數運行，阻垢效果會變差，循環水仍存在結垢的風險。

總之，化學藥劑法不能從根本上解決循環水系統微生物粘泥、結垢及腐蝕問題，無法進一步節約用水，且容易導致二次污染。

三、電吸附技術

電吸附技術耦合了電化學理論與吸附分離技術，廣泛用于水的除鹽、去硬等。

循環水通過電吸附后在陰極進行陰極電化學反應如下：

在陽極進行陽極電化學反應如下：

反應后陰極板形成鈣垢和鎂垢，同時水得到電子生成氫氣，將容易結垢離子進行有效去除，同時在陽極進行氧化反應，生成臭氧和氯氣等氣體[2-4]。

四、電吸 附在石化循環水場的應用研究

（一）設備改造

以1 500m3/h循環水場作為電吸附設施研究試點：循環水量為1 500m3/h，溫差為5 ℃，保有水量為300 m3。

（1）循環水經過生產裝取熱后返回冷卻塔回水壓力為0.2-0.3 Mpa，利用該壓力取循環水量的2%-5%通過電吸附設備后再返回循環水系統中，循環水經過電吸附設備處理后水體連續經過凈化循環而不斷得到處理。

（2）本次改造試驗使用上海復禹環保有限公司的2套電吸附設備，具體改造內容如下：①在一期循環水回水管路上增加一DN150管線，分出2個DN80（89*5）分支，并各設置一個切斷閥門。②在以上2個支路上安裝2套電吸附循環水處理設施，使循環水通過回水壓力通過該設備，水體在電吸附技術設備中進行電吸附反應后返回循環水集水池，循返回線需要深度到集水池液面以下0.5 m。③每臺設備增加1套流量計用于監測通過設備流量情況，并根據一期循環水的循環水和水質情況調整該流量，同時在循環水掛片器監測循環水腐蝕情況。

圖1 試驗裝置流程圖

（二）水質檢測

試驗確保循環水水質符合GB50050-2017相關水質標準，主要指標及檢測方法見表1：

表1 循環水水質檢測項目及檢測方法標準表

（三）試驗情況

1.方案設計

運行電吸附循環水處理設備（運行電流≤200A，電壓≤30V），設計了三種試驗方案：

（1）方案一：每臺運行電流為180A，處理水量為循環水量的4%左右，通過水量為每臺設備30 m3/h處理量，共計60 m3/h，運行10天后檢測循環水相關數據。

（2）方案二：每臺運行電流為180A，處理水量為循環水量的2%左右，通過水量為每臺設備15 m3/h處理量，共計30m3/h，運行10天后檢測循環水相關數據。

（3）方案三：每臺運行電流為200A，處理水量為循環水量的4%左右，通過水量為每臺設備30 m3/h處理量，共計60 m3/h，運行10天后檢測循環水相關數據。

2.試驗結果

對運行后的循環水水質數據進行匯總見表2：

表2 循環水水質檢驗結果及對比情況

表3 4.5 倍濃縮倍數下氯離子、總堿度、鈣硬度對比

表4 5 倍濃縮倍數下氯離子、總堿度、鈣硬度對比

表5 循環水碳鋼掛片腐蝕速率對比（mm/年）

圖2 4.5 倍濃縮倍數下循環水鹽含量對比

圖3 5 倍濃縮倍數下循環水鹽含量對比

圖4 三種方案的循環水鹽含量對比

3.數據分析

（1）電吸附試驗發現運行電吸附后均能夠使循環水中鹽含量不同程度降低：①濃縮倍數為4.5（方案一：電流為180A，處理水量為循環水量的4%左右），氯離子降低7.41%，總堿度降低31%，鈣硬降低55%，電導率降低7.5%。②濃縮倍數為5（方案三：運行電流為200A，處理水量為循環水量的4%左右），氯離子降低8.33%，總堿度降低41.59%，鈣硬降低50.88%，電導率降低22.22%。

試驗數據表明電吸附設施對于鈣硬和總堿度去除能力最大，但氯離子去除能力有限，主要原因可能為氯離子經過陽極氧化反應后生成氯氣再融入循環水中，未揮發出去，在水中形成次氯酸進行殺菌作用，因此氯離子去除率有限。

（2）三種方案運行后循環水鹽含量的對比表明：①加大電流有利于電吸附的電化學反應，增加電流，循環水的堿度、鈣硬、氯離子、電導率均有不同程度去除。②同樣電流情況下，通過電吸附的流量越大，對降低循環水鹽含量越有利，但不得超過設備運行的額定流量。

（3）表2-5可以看到通過藥劑方法僅能夠將細菌總數（異養菌）控制在50 000CFU/ML，但通過電吸附設施能夠有效將細菌總數降低至10 000CFU/ML以下，主要原因是電吸附陽極反應產生氯氣和臭氧，再溶于水對循環水進行有效的殺菌滅藻，效果明顯。

（4）循環水水體得到較好的凈化，循環水濁度由原來的18NTU降至2NTU，同時對水中COD也得到有效地去除，降低30%以上。電吸附不僅對鹽含量降低明顯，而且有機物、粘泥的去除效果也相當可觀。

（5）碳鋼掛片腐蝕速率的監測表明循環水電吸附使用后在碳鋼掛片表面形成致密防腐膜，且不易脫落，掛片重量反而出現增加情況，證明電吸附針對循環水的防腐效果明顯，防腐蝕效果優于化學藥劑法。

五、結束語

電吸附設施科有效降低循環水的鈣硬度和總堿度，具有較好的除垢功能，同時使pH略有降低，具有一定溶垢功能，在循環水可代替阻垢劑降低循環水結垢導致的風險。

電吸附設施可以通過電化學反應產生臭氧和氯氣對循環水形成殺菌作用，用于代替殺菌劑，同時不對循環水產生二次污染。

電吸附設施通過電化學反應形成羥基自由基，改變形成鐵銹的反應機理，形成四氧化三鐵致密膜，進一步阻斷鐵銹的產生，具有防腐功能，用于代替緩蝕劑。

電吸附對于循環水的COD和濁度的去除效果明顯，對于凈化循環水水質具有較好效果。

綜上所述，電吸附設備的在石化循環水系統的應用無論在節約用水還是改善水質均優于藥劑管理，是未來循環水水質管理的重要發展方向。