循環水節水運行工藝技術應用研究

張蘭云

(河北陽煤正元化工集團，河北石家莊 050000)

在工業生產的工藝條件下，循環水冷卻是降溫的重要手段之一，但如運行過程中控制不當，會產生結垢、腐蝕、藻類、黏泥等現象，影響換熱效果，導致設備的使用壽命縮短。

1 循環水存在的問題及解決措施

1.1 循環水結垢

循環水結垢的原因復雜，形成垢類品種繁多，如泥垢、水垢、銹垢等。但垢類不是單一獨立存在，也不是單一原因造成的，往往是多種因素交織影響。

1.1.1 泥垢(污垢)

由于循環水流程設計不合理、管道配置高差不規范，循環水中攜帶的有機物、微生物菌落和分泌物、泥沙、粉塵等雜質在設備管道中易引起流速減緩、阻隔傳熱、垢下腐蝕的問題，導致換熱設備換熱效果降低、使用壽命縮短。

河北正元氫能科技有限公司(簡稱正元氫能)采用降低補充水濁度、加強循環水旁濾、投加分散劑、保障循環水壓力及流速等控制方法來予以解決。

從源頭控制降低補充水濁度(要求5NTU以下)[1]，降低雜質進入系統形成泥垢的風險。

(1)加強循環水旁濾:冷卻水在循環使用過程中，旁濾器可通過對濾料的選型，及時將微生物、泥沙、粉塵等雜質過濾出去，減少泥垢形成的風險。一般質量流量大于1 000 t/h的循環水系統要求旁濾量不低于循環量的5%；對于存在化學泄漏的循環水系統一般旁濾量設定在7%以上為宜。定時分析旁濾器進口和出口的濁度，以判定效果，及時更換濾料。

(2)控制藥劑:在進行阻垢、防腐和殺菌水質處理時，投加一定量的分散劑，以控制污垢的形成。分散劑可將黏合在一起的泥團雜質分散成微粒，并使之懸浮于水面，隨著水流流動而不沉積在傳熱表面上，從而減少污垢對傳熱的影響。

(3)合理的工藝設計可保障流速:在換熱設備流程設計中，管道低進高出、設備低端增加排污、設備高端增加排不凝氣等細節，可及時減少汽蝕、沉積等現象。循環水的流速需要嚴格控制，循環冷卻水走管內，管程水流速大于 1m/s；循環水走管外殼程，殼程水流速大于0.3m/s，以減少泥沙沉積形成泥垢的機會。

1.1.2 水垢

由于循環冷卻水在冷卻過程中不斷蒸發，水中含鹽濃度不斷增高，當超過某些鹽類的溶解度時,雜質會沉淀附著在系統管壁上形成水垢。

正元氫能的控制理念是通過調節鈣鎂離子含量來達到控制循環水水質的目的。補水以反滲透的淡水為主，適當補充一次水，嚴格控制循環水的水質總硬度指標，使水軟化，不易結晶析出碳酸鈣；同時在循環水中投加阻垢劑，破壞碳酸鈣的結晶增長，以達到控制水垢形成的目的。

1.1.3 銹垢

碳鋼設備主要成分是鐵，當空氣中的氧氣溶解在水中，與鐵反應生成氧化鐵，形成鐵銹后從設備內表面脫落。此時存在設備管壁減薄的隱患。

1.2 循環冷卻水腐蝕及微生物、黏泥、藻類

1.2.1 腐蝕

循環冷卻水對換熱設備的腐蝕主要是指電化學腐蝕。其產生的原因包括設備制造缺陷、水中充足的氧氣、水中腐蝕性離子(Cl-、Fe3+、Cu2+)，以及微生物分泌黏液生成的污垢等。循環水腐蝕會引起換熱設備報廢。

正元氫能通過添加緩蝕劑、提高循環水的pH值等方法控制腐蝕。為了減輕環境富營養化的壓力，常用添加有機膦酸鹽和低磷緩蝕劑、復合緩蝕劑的方法來解決。嚴格控制循環水的pH值，使金屬表面生成氧化性保護膜來減少設備腐蝕。敞開式循環冷卻水系統通常利用冷卻塔內的曝氣裝置提高pH值或利用加堿等方式將pH值調整為7.5～8.5。

1.2.2 微生物、黏泥、藻類

循環水中溶有充足的氧氣、合適的溫度及富養條件，適合微生物的生長繁殖。必須嚴格控制水中微生物含量、黏泥量、藻類數量，否則循環水水質會惡化、發臭、變黑。主要通過控制水質、加強旁濾、投加殺菌劑和剝離劑進行調整。

控制水質主要是控制冷卻水中氨含量、硫含量、pH值、微生物的養料。油類是微生物的養料，應盡可能防止其進入冷卻水系統。化工廠中進入冷卻水系統的氨會提高硝化菌的繁殖力并降低氯的殺菌能力，應控制循環冷卻水中氨質量濃度不高于5 mg/L[2]。如果循環冷卻水硝化菌含量增高，循環水的pH值則降低，如此將引起設備腐蝕。

控制微生物最有效和最常用的方法之一是向冷卻水系統中添加殺菌劑，當水中余氯質量濃度在0.5～1 mg/L時才有殺菌效果。添加殺菌劑或剝離劑需要注意空分(制氧)循環水不能加會起泡的殺菌剝離劑。投加后循環水濁度會不斷上升，要每隔2～3 h進行跟蹤分析。當濁度上升到最高點時，可通過反洗旁濾器排水來降低。冷卻水系統進行剝離和清洗后再投加殺菌劑的方案要比只添加殺菌劑的方案有效得多。

2 循環水的日常控制

工業循環水處理是一項非常成熟的技術，主要通過人工或自動加藥方式完成。循環水要遵循“三分技術七分管理”的理念，從日常的操作、循環水水質報告分析、系統運行檢查等方面加強管理，保證系統的穩定運行。

2.1 操作方法

操作規程要明確操作人員的職責、循環水水質控制、設備巡檢、開停車操作、數據記錄、異常情況的處理、應急預案的執行及操作人員的培訓等，操作人員要熟練掌握業務技能，保證系統的穩定運行。

(1)加藥方式：根據系統現狀和藥劑特性，投加藥劑時嚴格控制加藥時間、數量。如果投加2種殺菌劑，需采用間隔投加的方式。投加阻垢緩蝕劑要在循環冷卻水集水池旁配置配藥槽，配藥槽的上部設補水管，下部設排污口，藥劑加入配藥槽中用補充水稀釋后，用計量泵連續均勻地加入集水池中。

(2)加藥位置：一般選擇水流動處為加藥點，不要靠近排水口，以免藥劑被直接排走;同時藥劑在集水池中要保證混合的時間，使其混合均勻。

(3)阻垢緩蝕劑的加入方法：按量將藥劑加入已洗凈的配藥桶中，在不斷攪拌下加入補充水，使藥劑稀釋3～5倍，攪拌混勻后，開啟加藥泵、調節加藥閥，使藥劑連續均勻地加入集水池中。

(4)殺菌滅藻劑的加入方法：采用沖擊間歇式投加的方式，按量將藥劑直接加入集水池中，使循環水在一段時間里保持相當的藥劑濃度，從而獲得有效的殺菌和剝離效果。

2.2 日常水質分析報告

正元氫能按照GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》[3]間冷開式系統循環冷卻水控制部分水質指標，具體數值見表1。

表1 間冷開式系統循環冷卻水水質指標

2.3 循環水的日常控制

根據每天的水質分析化驗結果，對排污水量、補充水量及加藥量進行必要控制，使之達到指標要求。

(1)濁度超標：需要通過旁濾器有效管理及殺菌后反沖洗來降低濁度，當濁度>20 NTU時，加大排污水量和旁濾流量，補充清潔水，至循環水濁度<20 NTU，水質控制較好時濁度≤5 NTU。

(2)pH值超標：由于補充的水質不同，運行時間長導致循環水pH值偏高，可適當加硫酸調整；當換熱設備存在泄漏，導致循環水pH值低于正常水平，要及時用堿來調整，查找泄漏點并堵漏，防止設備腐蝕。

(3)濃縮倍數超標：可通過排水或加硫酸(H2SO4)來降低結鹽危險。若總Fe超標，說明系統有腐蝕，可檢查所有水質指標及影響因素，同時調整藥劑配方，增加Fe緩蝕劑用量。

(4)COD超標：說明系統有污染，要查明COD升高原因。若系統有漏入有機物，短時間可通過大排大補改善水質，在加大殺菌劑投放量的同時，增加循環水的排污量，以防止細菌繁殖堵塞填料和冷卻器。

(5)氨氮超標：系統含氨設備有泄漏(特別是化工企業)，需要查明泄漏的根源。一方面增加殺菌劑，防止藻類的生長；另一方面加大循環水的排污量，嚴格控制氨氮,加堿控制pH值，防止在循環水中出現氨氮反硝化現象。

(6)總磷控制：根據阻垢緩蝕劑的藥劑性能控制投加。若排污水量大，造成總磷偏低，可適當補加阻垢緩蝕劑，使總磷達標，并調節排污水量；若循環水系統正常排污，但總磷偏低，則需分析藥品是否失效或偏差過大。若排除以上原因，可加大阻垢緩蝕劑藥量，使總磷達標。當循環水中總磷大于設計值2倍以上，則第二天可控制阻垢緩蝕劑的投加量。

(7)菌類、藻類滋生控制：循環水微生物較多，繁殖生成菌類品種復雜、數量較多，日常控制異氧菌小于1×105個/mL。如果超標循環水危害菌類(鐵細菌、硫酸鹽還原菌、大腸菌群等)增加，對循環水的運行構成危害，可通過氧化、非氧化殺菌劑交替投加(一般質量濃度控制為100～150 mg/L)，防止菌類產生抗藥性(具體加藥方法參照前文表述)。

3 循環水的近零排放

正元氫能是以化肥生產為主的企業，循環水有兩套裝置，其中合成氨、尿素合用一套循環水,空分使用一套循環水。通過源頭控制、過程管控、排污回用、承包運營等方法，循環水達到近零排放，并保證系統安全、穩定、環保、高效、長周期運行。

3.1 循環水補水水質

循環水補水由地表水改為反滲透淡水(海淡水)，補水水質的提高有利于循環水水質的控制，有利于濃縮倍數的提高[4]。對比地表水的水質，反滲透淡水中總硬度降低、電導率降低(見表2)。

表2 循環水補水水質

補水含鹽量降低，有利于循環水的濃縮倍數提高，有利于節水，見表3。

表3 不同濃縮倍數系統的補充水量與排污水量

3.2 循環水排污水回收利用

循環水旁濾系統采用AGF淺層砂過濾器過濾處理，旁流進水占循環水量的5%～8%。自循環水給水管取水，經過過濾器返回涼水池，過濾器壓差達到一定程度自行反洗，反沖洗水排入反洗水池，利用提升泵提升至澄清器絮凝沉降，再經多介質過濾器進一步過濾重新回到系統，系統內的污泥經污泥泵排至污水處理污泥池。排污水經過簡單處理后回用于循環水系統，達到不排污或少排污的效果，保證循環水系統設備長期運行不結垢、不腐蝕，實現了污水回用循環水系統的近零排放。反洗水進行回收利用流程見圖1。

圖1 反洗排污水回收利用流程

此工藝運行技術不僅能夠實現工業廢水的近零排放，防止廢水超標排放導致的環保風險，而且還可以實現廢水的再利用，提高水資源的利用率。

3.3 大禹141技術模式

山東大禹141技術模式包含1套配套水質穩定藥劑、4套設備、1套運行服務體系。目前正元氫能循環水由納爾科環保技術服務有限公司提供運行服務。

(1)水質穩定藥劑：根據循環水水質要求，選擇使用包括阻垢分散劑、阻垢緩蝕劑、殺菌劑、混凝劑(HNDY)及殺菌滅藻劑等一系列配套水質穩定劑，有效控制循環水腐蝕、結垢，有利于黏泥的剝離、杜絕藻類的生長。

(2)整體設備:包括3套運行設備和1套檢測設備，其中運行設備技改升級，增加了自動加酸控制系統、自動加藥系統、AGF淺層砂過濾器。檢測設備主要是用于檢測水質參數、腐蝕狀況的設備掛片。

自動加酸控制系統以自然pH值水質穩定技術為基礎,通過自動投加硫酸來精確控制循環水的pH值,從而改變循環水的結垢指數,使鈣容忍度提高到2 000 mg/L。該系統既能保證水質穩定運行、防止設備結垢和腐蝕,又能大大降低排補水、提高濃縮倍率、節約水資源，是對自然pH水質運行工藝和傳統加酸工藝的改進。

自動加藥系統用于自動化投加阻垢緩蝕劑和殺菌滅藻劑，加藥泵1用1備，可連續穩定運行。其優勢在于一體化設計占地面積小、便于安裝和維修。

AGF淺層砂過濾器通過控制旁濾反洗時間、反洗水量，避免水系統水量浪費。

檢測設備可自動顯示pH值等相關數據，自動調節藥劑加入量,采用定期比對的方式以保證監測數據的準確性。

(3)運行服務體系:目前在水處理領域一般對系統用水量、排污量、運行效果、總成本、運行周期、異常情況處理、在線監測與故障診斷等采用全面總包技術服務模式。由連鎖式服務站隊對水質檢測、運行方案、日常運行監控、異常情況處理、技術咨詢等提供全程服務，此模式達到良好的運行效果。

4 結語

循環水運行是個復雜的過程，控制效果好壞直接關系到生產任務的完成和設備的完好運行。利用專業單位的技術優勢，從日常管理著手，對腐蝕、結垢進行管控，可實現真正意義上的近零排放。