電吸附技術(shù)在石化循環(huán)水處理中的應(yīng)用研究

孫 磊 關(guān)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(huán)水是石化企業(yè)中重要配套公用工程，主要是以水作為冷卻介質(zhì)并循環(huán)使用的一種冷卻運行系統(tǒng)。在開放式循環(huán)水系統(tǒng)中，由于循環(huán)水不斷蒸發(fā)、無機離子和有機物質(zhì)濃縮、微生物及藻類滋生等諸多原因，產(chǎn)生嚴重的結(jié)垢、粘泥增生和設(shè)備腐蝕等水質(zhì)問題：（1）結(jié)垢：主要是碳酸鈣不斷沉積結(jié)垢，導(dǎo)致?lián)Q熱器傳熱效率降低甚至管道被堵。（2）粘泥增生：開放式循環(huán)水冷卻塔適合微生物增生，導(dǎo)致?lián)Q熱器中管路堵塞，降低了冷卻作用還造成粘泥腐蝕。（3）設(shè)備腐蝕：循環(huán)水系統(tǒng)中的碳鋼、不銹鋼、銅材質(zhì)在長期循環(huán)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(xué)藥劑法

目前傳統(tǒng)的水處理方法有化學(xué)藥劑法，通過連續(xù)投加緩蝕劑、阻垢劑或緩蝕阻垢復(fù)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(xù)投加氧化性殺菌劑，沖擊性投加非氧化殺菌劑，結(jié)合旁濾、定期排污置換方式結(jié)合控制水質(zhì)，并按照《GB50050-2017 工業(yè)循環(huán)冷卻水處設(shè)計規(guī)范》要求進行水質(zhì)管理。

化學(xué)藥劑法雖然能夠滿足循環(huán)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(huán)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(xué)藥劑具有時效性，跟投加濃度和成分有關(guān)，且在水體中有效成分易分解，易失效，效果不穩(wěn)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(jié)約用水，一般循環(huán)水高濃縮倍數(shù)運行，阻垢效果會變差，循環(huán)水仍存在結(jié)垢的風(fēng)險。

總之，化學(xué)藥劑法不能從根本上解決循環(huán)水系統(tǒng)微生物粘泥、結(jié)垢及腐蝕問題，無法進一步節(jié)約用水，且容易導(dǎo)致二次污染。

三、電吸附技術(shù)

電吸附技術(shù)耦合了電化學(xué)理論與吸附分離技術(shù)，廣泛用于水的除鹽、去硬等。

循環(huán)水通過電吸附后在陰極進行陰極電化學(xué)反應(yīng)如下：

在陽極進行陽極電化學(xué)反應(yīng)如下：

反應(yīng)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(jié)垢離子進行有效去除，同時在陽極進行氧化反應(yīng)，生成臭氧和氯氣等氣體[2-4]。

四、電吸 附在石化循環(huán)水場的應(yīng)用研究

（一）設(shè)備改造

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

（1）循環(huán)水經(jīng)過生產(chǎn)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(huán)水量的2%-5%通過電吸附設(shè)備后再返回循環(huán)水系統(tǒng)中，循環(huán)水經(jīng)過電吸附設(shè)備處理后水體連續(xù)經(jīng)過凈化循環(huán)而不斷得到處理。

（2）本次改造試驗使用上海復(fù)禹環(huán)保有限公司的2套電吸附設(shè)備，具體改造內(nèi)容如下：①在一期循環(huán)水回水管路上增加一DN150管線，分出2個DN80（89*5）分支，并各設(shè)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(huán)水處理設(shè)施，使循環(huán)水通過回水壓力通過該設(shè)備，水體在電吸附技術(shù)設(shè)備中進行電吸附反應(yīng)后返回循環(huán)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(shè)備增加1套流量計用于監(jiān)測通過設(shè)備流量情況，并根據(jù)一期循環(huán)水的循環(huán)水和水質(zhì)情況調(diào)整該流量，同時在循環(huán)水掛片器監(jiān)測循環(huán)水腐蝕情況。

圖1 試驗裝置流程圖

（二）水質(zhì)檢測

試驗確保循環(huán)水水質(zhì)符合GB50050-2017相關(guān)水質(zhì)標準，主要指標及檢測方法見表1：

表1 循環(huán)水水質(zhì)檢測項目及檢測方法標準表

（三）試驗情況

1.方案設(shè)計

運行電吸附循環(huán)水處理設(shè)備（運行電流≤200A，電壓≤30V），設(shè)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(huán)水量的4%左右，通過水量為每臺設(shè)備30 m3/h處理量，共計60 m3/h，運行10天后檢測循環(huán)水相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）方案二：每臺運行電流為180A，處理水量為循環(huán)水量的2%左右，通過水量為每臺設(shè)備15 m3/h處理量，共計30m3/h，運行10天后檢測循環(huán)水相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）方案三：每臺運行電流為200A，處理水量為循環(huán)水量的4%左右，通過水量為每臺設(shè)備30 m3/h處理量，共計60 m3/h，運行10天后檢測循環(huán)水相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.試驗結(jié)果

對運行后的循環(huán)水水質(zhì)數(shù)據(jù)進行匯總見表2：

表2 循環(huán)水水質(zhì)檢驗結(jié)果及對比情況

表3 4.5 倍濃縮倍數(shù)下氯離子、總堿度、鈣硬度對比

表4 5 倍濃縮倍數(shù)下氯離子、總堿度、鈣硬度對比

表5 循環(huán)水碳鋼掛片腐蝕速率對比（mm/年）

圖2 4.5 倍濃縮倍數(shù)下循環(huán)水鹽含量對比

圖3 5 倍濃縮倍數(shù)下循環(huán)水鹽含量對比

圖4 三種方案的循環(huán)水鹽含量對比

3.數(shù)據(jù)分析

（1）電吸附試驗發(fā)現(xiàn)運行電吸附后均能夠使循環(huán)水中鹽含量不同程度降低：①濃縮倍數(shù)為4.5（方案一：電流為180A，處理水量為循環(huán)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(dǎo)率降低7.5%。②濃縮倍數(shù)為5（方案三：運行電流為200A，處理水量為循環(huán)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(dǎo)率降低22.22%。

試驗數(shù)據(jù)表明電吸附設(shè)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(jīng)過陽極氧化反應(yīng)后生成氯氣再融入循環(huán)水中，未揮發(fā)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(huán)水鹽含量的對比表明：①加大電流有利于電吸附的電化學(xué)反應(yīng)，增加電流，循環(huán)水的堿度、鈣硬、氯離子、電導(dǎo)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(huán)水鹽含量越有利，但不得超過設(shè)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?qū)⒓毦倲?shù)（異養(yǎng)菌）控制在50 000CFU/ML，但通過電吸附設(shè)施能夠有效將細菌總數(shù)降低至10 000CFU/ML以下，主要原因是電吸附陽極反應(yīng)產(chǎn)生氯氣和臭氧，再溶于水對循環(huán)水進行有效的殺菌滅藻，效果明顯。

（4）循環(huán)水水體得到較好的凈化，循環(huán)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(jiān)測表明循環(huán)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(xiàn)增加情況，證明電吸附針對循環(huán)水的防腐效果明顯，防腐蝕效果優(yōu)于化學(xué)藥劑法。

五、結(jié)束語

電吸附設(shè)施科有效降低循環(huán)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(huán)水可代替阻垢劑降低循環(huán)水結(jié)垢導(dǎo)致的風(fēng)險。

電吸附設(shè)施可以通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生臭氧和氯氣對循環(huán)水形成殺菌作用，用于代替殺菌劑，同時不對循環(huán)水產(chǎn)生二次污染。

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

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

綜上所述，電吸附設(shè)備的在石化循環(huán)水系統(tǒng)的應(yīng)用無論在節(jié)約用水還是改善水質(zhì)均優(yōu)于藥劑管理，是未來循環(huán)水水質(zhì)管理的重要發(fā)展方向。