循環水電脫鹽設備在輕烴回收裝置的應用

歐陽詩昆 王 牧 胡 璐 王 雷 賈晉鋒 欒雪瑩

（長慶油田第十二采油廠）

莊二聯輕烴回收裝置配套有120 m3/h的開式循環冷卻水系統，該系統使用洛河層井水作為補水，運行過程涼水塔結垢嚴重，約2～3個月就需要清垢，嚴重影響輕烴回收裝置的平穩運行。為此，莊二聯輕烴廠組織技術攻關小組，開展循環水電脫鹽技術應用研究，開發了循環水電脫鹽設備。該設備能將成垢離子從循環冷卻水系統中去除，實現除垢阻垢、凈化水質的目的，從根本上解決循環冷卻水系統涼水塔結垢問題。

1 循環水電脫鹽設備

循環水電脫鹽設備（圖1）主要由脫鹽器、二次反應凈化器、泵、控制器及管路等組成，其運行電源電壓380 V，裝機功率15 kW，運行功率8 kW，具備就地手動、自動、遠程控制方式。通常在循環冷卻水系統的回水管上開旁路安裝，或直接在涼水塔中取水，經設備處理后再回到涼水塔。

2 電脫鹽除垢技術原理

循環水電脫鹽設備采用電物理化學除垢方式，在電場作用下發生電化學反應去除循環水中大部分成垢離子，控制循環水總硬度、pH值與堿度，減緩循環水系統結垢和腐蝕，提高循環水濃縮倍數，減少排污量。電脫鹽除垢效果與電流密度有密切關系，所以選擇合適的電流密度是保證除垢效果的關鍵。二次反應凈化器的主要作用是讓在脫鹽器中未反應的成垢離子充分接觸并發生成垢反應，進而從循環水中去除，達到進一步降低水體硬度、濁度的目的。

電脫鹽除垢技術原理如圖2所示［1］。

圖2 電脫鹽除垢技術原理

在循環水電脫鹽設備中，陰極附近通過氧還原和析氫的方式來產生OH-從而營造堿性環境，反應方程式如下［2～4］：

循環水中的成垢離子在傳質和電場的共同作用下遷移到陰極表面，分別與陰極區域生成的和OH-反應形成沉淀，并沉積在陰極表面，從而使循環水的硬度降低，反應方程式如下：

在陽極發生電化學反應生成H+和羥基自由基（—OH）來營造酸性環境，達到殺菌的目的，若形成的強氧化物質—OH沒有被全部消耗，則會產生氧，反應方程式如下［5，6］：

循環水中的Cl-形成強氧化性的ClO-，導致溶液pH值降低，反應方程式為：

循環水中的細菌和藻類會與具有強氧化性的—OH和ClO-發生反應，達到殺菌和滅藻的作用，反應方程式為：

由于缺乏穩定性，—OH只在陽極區域內與細菌和藻類發生反應［5～7］。由于穩定性相對較強，ClO-可以離開陽極區域并擴散到溶液中。因此，處理過的循環水在離開電化學處理區域時仍然具有一定的抑制細菌和藻類的能力，Cl-離子濃度越高的循環水處理后的殺菌、滅藻效果越強。

3 循環水電脫鹽設備實施方案

3.1 工藝流程

設備工藝流程如圖3所示。從涼水塔出水口取水，經加壓泵進脫鹽器脫除水中鈣、鎂等成垢離子，再進入二次反應凈化器，進一步反應并脫除機械雜質后返回涼水塔。使用PLC控制器選擇就地手動單控、就地自動和遠程自動控制模式，設置處理量為30 m3/h。

圖3 設備工藝流程

設備正常運行流程為：加壓泵→控制閥①→脫鹽器→控制閥②→二次反應凈化器→控制閥③→涼水塔，其余閥門為關閉狀態。

脫鹽器清垢流程：控制閥④→沉淀池，加壓泵及其余閥門均為關閉狀態。

二次反應凈化器清洗流程：加壓泵→控制閥⑤→二次反應凈化器→控制閥⑥→沉淀池。

3.2 現場安裝方案

維持循環水系統原有流程正常運行的情況下，從涼水塔下部取水，經循環水電脫鹽設備處理后返回涼水塔，脫鹽污水經沉淀池沉淀后外排至污水井，脫鹽凈化水返回涼水塔下部，如圖4所示。

圖4 設備安裝方案

4 運行效果

4.1 電脫鹽投運前后水質變化

循環水電脫鹽設備投運前：2021-09-01～2021-11-30，每月10、20、30日各分析3次，共檢測9次。循環水電脫鹽設備投運后：2021-12-01～2022-02-28，每月5、15、25日各分析3次，共檢測9次。得到循環水電脫鹽設備投運前、后循環水定時、定點取樣分析結果如圖5～9所示。

圖5 濃縮倍數對比

從圖5可以看出，循環水電脫鹽設備運行后，循環水平均濃縮倍數從2.30提高到4.24，提高約1.80倍。

從圖6可以看出，循環水脫鹽設備投運后，循環水系統鈣離子濃度有了不同程度的降低。

圖6 鈣離子濃度對比

從圖7可以看出，循環水電脫鹽設備投運后，總堿度降低幅度較大，最高值從369 mg/L降低至100 mg/L，前10天循環水總堿度下降較快，10天后堿度僅小幅度降低。

圖7 總堿度對比

從圖8可以看出，循環水電脫鹽設備投運后，濁度變化趨勢從持續上升到趨于平穩，最高值從1 250控制到10以下，效果顯著。

圖8 濁度對比

從圖9可以看出，循環水電脫鹽設備投運前后，循環水pH值變化趨勢基本一致，投運后pH值降低了2個單位。

圖9 pH值對比

綜上，循環水電脫鹽設備投運后，循環水鈣離子濃度、堿度、濁度、pH值均有一定程度的降低，水體清澈透明，水質明顯改善。運行90天后，涼水塔無明顯結垢，循環水溫度符合工藝要求。

4.2 循環水電脫鹽設備投運前、后掛片腐蝕情況

采用掛片法對循環水電脫鹽設備投運前、后循環水腐蝕速率進行監測，每月檢測一次，得到腐蝕速率數據見表1。其中，掛片型號Ⅰ型；掛片規格50 mm×25 mm×2.0 mm；掛片表面積28 cm2；掛片材質碳鋼；掛片位置位于給水總管。

表1 腐蝕速率對比

由表1可知，循環水電脫鹽設備投運前，碳鋼掛片腐蝕速率均不滿足小于0.075 mm/a的要求；循環水電脫鹽設備投運后，腐蝕情況得到很好的改善，碳鋼掛片分析全部合格，說明循環水電脫鹽設備對循環水腐蝕有一定的減緩和抑制作用。

4.3 補水、排水情況

循環水電脫鹽設備投運前補水量為2.88 m3/h，排水量為1.25 m3/h；投運后，補水量為2.12 m3/h，排水量為0.50 m3/h。可以看出，循環水電脫鹽設備投運后，循環水系統補水量、排污量均有一定程度的下降。

5 運行費用及效益分析

循環水電脫鹽設備投運后，大幅減少了莊二聯輕烴裝置循環水系統的清垢費用，消除了循環水涼水塔結垢導致的循環水溫度超標問題，提升了輕烴裝置的生產效率，取得了較好的經濟效益：

a.電費。設備運行功率8 kW，每度電0.6元，年運行時間為8 000 h，計算得到每年電費約3.8萬元。

b.技術服務費。設備更換核心部件等材料費用及其他維護費用共計每年4.5萬元。

c.設備折舊費每年10萬元。

d.運行費用合計每年18.3萬元。

e.節約清垢費用每年40萬元，節約水費和污水處理費每年24.3萬元。

f.每年增產輕烴192 t，增加效益62萬元。

g.每年創造的總效益為62+40+24.3-18.3=108萬元。

6 結束語

循環水電脫鹽設備在輕烴回收裝置中的應用結果表明，循環水電脫鹽設備投運后，能有效降低循環水的鈣離子濃度和堿度，具有較好的阻垢除垢功能。同時，循環水濁度改善效果明顯，能有效凈化循環水。自動除垢功能能使循環水處理效果長期穩定，明顯減緩循環水的腐蝕速度，提高了設備的使用壽命，減少了涼水塔清洗頻率，提高了涼水塔的換熱效率，提升了輕烴裝置的運行水平。