淡化海水在石化行業的應用

陳曉藝

(中國石化青島石油化工有限責任公司,山東 青島 266043)

我國的淡水總量約為2.8×1012m3,占全球淡水資源的6%,而我國人口總數約14億,占全球人口總數的20%左右,也就是說中國以6%的淡水資源保障全球近20%人口的用水需求,因此中國的淡水資源非常稀缺,積極開發和利用淡化海水資源成為解決這一問題的重要措施。對于石化行業來說水同樣非常重要,它是石化行業的重要能耗指標之一,如何更好地利用淡化海水代替淡水成為新的課題。

1 除鹽水站進水

1.1 除鹽水站基本情況

某煉廠除鹽水站建于1999年,采用反滲透+混床的水處理工藝,設計最大生產能力為200 t/h,工藝流程為:系統管網來的原水、排污水回收系統的回收水以及正洗水回收水,經過多介質過濾器、活性炭過濾器過濾后,進入反滲透裝置,通過反滲透膜的分離,其中濃水進入濃水罐,部分作為多介質過濾器和活性炭過濾器的反洗用水,其余作為廢水排放或回用至循環水系統;剩余的水生成脫鹽率為98%左右的產品水,進入中間水箱,然后經過混床進行精脫鹽,生成合格的除鹽水,進入產品水箱,加氨后經外送泵送至管網,以滿足各裝置對除鹽水的需求。2016年9月,經過施工改造,淡化海水自管網引入;2019年11月將淡化海水管線的材質改造為丙烯酸共聚聚氯乙烯材料(AGR)。

淡化海水新線從淡化海水公司引出后,分成3路進入廠流量表,在聯合泵房處與淡化海水舊線以及自來水線碰頭,在自來水或者淡化海水出現中斷的情況下,能夠緊急切換至另一路,確保除鹽水站進水供給,穩定生產運行。

1.2 自來水、淡化海水水質對比

自來水和淡化海水水質對比情況見表1。

表1 自來水和淡化海水水質對比

從表1可以看出:淡化海水的電導率僅為自來水電導率的16.5%,硬度僅為3%,堿度僅為10%。總體而言,淡化海水的水質要遠遠優于自來水水質。

1.3 工藝調整

針對淡化海水水質遠優于自來水水質的情況,對除鹽水站工藝流程做了調整。

(1)除鹽水站裝置有兩部分預處理設施即多介質過濾器和活性炭過濾器,多介質過濾器主要去除水中的顆粒狀雜質、膠體以及能夠形成沉淀的其他物質;活性炭過濾器則主要去除水中剩余的膠體、有機物、游離氯等。針對自來水和淡化海水的水質情況,除鹽水站在運行淡化海水時,原水預處理只保留一套多介質過濾器設施,停用活性炭過濾器,即進水經過多介質過濾后直接經過保安過濾器進入反滲透裝置。

(2)除鹽水站在運行自來水時,為了保證預處理系統的降濁過濾能力,需要在多介質過濾器入口處加入聚合氧化鋁(PAC)絮凝劑,而除鹽水站在運行淡化海水時則停止加注絮凝劑。

(3)除鹽水站運行自來水時,鑒于自來水的硬度與堿度都偏高,為了防止碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇等難溶性物質在反滲透裝置濃水側產生沉淀,在過濾器入口前加注阻垢劑,提高難溶物質的溶度積,防止膜表面結垢,加藥量為2～4 mg/kg。考慮到淡化海水的硬度與堿度都偏低,在運行淡化海水時,停止加注阻垢劑。

(4)為了防止除鹽水送水管道的腐蝕,需要將外送除鹽水的酸堿度調整至堿性[1]。該煉廠燃氣鍋爐給水要求pH為8.8～9.3,除鹽水站混床出水工藝卡片控制指標要求電導率不大于5 μS/cm。考慮到除鹽水經過注氨調節pH后電導率會有所上升,除鹽水站運行自來水時混床出水電導率按照不大于1 μS/cm控制,而運行淡化海水時混床出水電導率按照不大于0.35 μS/cm控制,可以保證鍋爐裝置水汽各項指標均符合要求。

1.4 除鹽水站運行情況

除鹽水站進水由自來水改為淡化海水,截止到2022年11月已累計運行兩個周期,除鹽水站的進水量為100～120 t/h(不考慮排污水、正洗水回收),裝置運行平穩,水質可控,降低了混床再生頻次,減少助劑的消耗,節省了大量的人力和物力。

(1)除鹽水站以淡化海水進水量100 t/h、每年運行300 d計算,除鹽水站裝置每年可節省淡水資源720 kt。

(2)停用活性炭過濾器,不計算反洗所消耗的濃水量,僅計算每次再生正洗所消耗的新鮮水量,以單個活性炭過濾器連續運行200 h后再生,每次投運3個活性炭過濾器,每次再生消耗新鮮水20 t計算,每年可以節省淡水資源2.16 kt。

(3)停用絮凝劑和阻垢劑加注,以運行自來水時絮凝劑加注量為4 mg/kg、阻垢劑加注量為3 mg/kg計算,可以節約絮凝劑2.88 t/a,節約阻垢劑2.16 t/a。

(4)除鹽水站運行自來水時,以4#混床為例,在指標可控的前提下,單次運行處理量為3～5 kt,對于同一臺混床而言,運行淡化海水時,單次運行處理量可達12～18 kt。運行淡化海水時混床的處理量約為運行自來水時的3倍,即運行自來水時混床需要每30 h進行一次再生操作,而運行淡化海水時則120 h進行一次再生。以每次混床再生需要消耗反滲透產水10 t、除鹽水30 t計算,可以節約新鮮水1.8 kt、除鹽水5.4 kt,以每次混床再生需要消耗酸、堿各0.3 m3計算,每年可以節約酸、堿各54 m3。

2 綜合塔補水

2.1 除塵脫硫單元基本情況

除塵脫硫單元主要采用新型湍沖文丘里除塵脫硫單元(雙循環),進入除塵激冷塔的煙氣正常為2×105m3/h,溫度為170 ℃左右。除塵激冷塔分為高溫過渡段、逆噴段、彎頭連接段;綜合塔分為消泡器、除沫器、氣旋、靜電除塵及煙囪等部分。煙氣自上而下垂直進入除塵激冷塔,與逆噴段的循環液逆向接觸,大大降低煙氣溫度并使之飽和,飽和煙氣進入綜合塔進行進一步凈化,綜合塔的操作溫度為60 ℃,操作壓力為4 kPa。為了平衡吸收過程中蒸發和排液損失的液體,綜合塔需要補充新鮮水以滿足工藝要求,綜合塔補水量為21.5 m3/h,通過控制補水管道上的調節閥控制綜合塔液位。

2.2 淡化海水用作綜合塔補水

2016年脫硫脫硝裝置綜合塔引入淡化海水代替新鮮水作為工藝水,淡化海水線在雙脫裝置東側閥門井內與新鮮水管線碰頭,可以實現應急狀態下的緊急切換。工藝水主要用于綜合塔補水、沖洗靜電除塵和氣旋以及作為余熱鍋爐防爆水封上水。2020年,將除鹽水站反滲透濃水回收至雙脫作為工藝水補水,濃水回收流量約10 t/h,淡化海水進工藝水泵流量約12 t/h,以每年運行300 d計算,不計濃水消耗,每年可以節約淡水資源86.4 kt。

3 循環水場補水

3.1 循環水場基本情況

循環水裝置共有3座循環水場,分別為1#、2#、3#循環水場,設計規模分別為12 000 m3/h、8 000 m3/h、6 000 m3/h,均為機械抽風逆流式混凝土結構冷卻塔工藝。配套設施主要有:水泥骨架玻璃鋼結構、帶有軸流風機的逆流通風冷卻塔、塔底集水池、泵吸水池、循環供水泵、無閥過濾器、監測換熱設備、水穏劑加藥設施和殺菌劑加藥設施等[2]。為了平衡循環水場水分蒸發和排污等損失的液體,循環水場需要補充新鮮水來滿足工藝要求。1#、2#、3#循環水場設計最大補水量分別為300 m3/h、200 m3/h、250 m3/h,均設有補水流量表,采用手動閥門補水的方式。

3.2 淡化海水用作循環水場補水

目前1#循環水場的補水水源主要有新鮮水、淡化海水、回用水3種。回用水即雙膜產水,其水質情況見表2。

表2 雙膜產水水質

目前雙膜產水約1 400 t/d,其中1 000 t/d進入1#循環水場,其余進入2#循環水場。循環水場鈣硬度和堿度優化控制指標為600～1 200 mg/L。由于淡化海水的鈣硬度與堿度都偏低,若只補淡化海水會導致循環水鈣硬度和堿度超標,因此需要將自來水和淡化海水調配使用。考慮到目前全廠嚴峻的節水形勢,在滿足工藝控制指標的前提下,為減少新鮮水的使用,1#循環水場補水盡量多采用淡化海水進行補水。在淡化海水引入前,循環水補水水源為新鮮水和雙膜產水兩種。以1#循環水場為例,目前每天補水1 400 t左右,其中雙膜產水、自來水、淡化海水的比例約為5∶1∶1,以每年運行300 d淡化海水計算,僅1#循環水場每年即可以節約淡水資源約60 kt。

4 軟化水系統

4.1 裝置概況

軟化水站始建于1982年,原設計為向低壓鍋爐供應鍋爐用水,現主要供催化、常壓、加氫、焦化等裝置作為冷卻水。自來水流經鈉離子交換器,水中的鈣離子、鎂離子與鈉離子進行交換,從而達到軟化自來水的目的。

4.2 軟化水運行

軟化水站的原水改為淡化海水時,由于淡化海水硬度較低,水質已經達到軟化水的標準,故將離子交換器切出,淡化海水直接進入軟化水系統。以軟化水出水流量20 t/h、每年運行300 d計算,可節約淡水資源144 kt/a,而每次混合離子交換器再生也消耗部分淡水,則軟化水站每年可節約淡水資源約148.5 kt。

5 存在問題

5.1 腐蝕問題

由于海水屬于強腐蝕性介質,雖然淡化后的海水其腐蝕性、離子濃度明顯降低,但仍具有比淡水更強的腐蝕能力,容易導致設備腐蝕發生故障[3]。實際運行中,除鹽水站及脫硫脫硝等使用淡化海水的裝置其管線出現漏點的頻次增加,同時面臨著嚴重的結垢問題,尤其是脫硫脫硝廢水單元工藝水線和余熱鍋爐防爆水封上水線,由于流速慢、流量小,腐蝕尤為嚴重。

5.2 區域限制

淡化海水應用存在區域限制,海水淡化需要充足的海水資源,因此淡化海水公司通常需要建設在海岸線附近。如內陸地區離海岸線較遠,開展淡化海水的利用也將受到限制;而某些地區沒有具體的政策支持淡化海水的推廣和利用,也會導致淡化海水的應用受到限制。

5.3 成本與技術局限

海水淡化技術成本較高,設備和設施需要大量投資,同時還需要消耗大量的能源;海水中的鹽度、硬度、堿度都較高,需要采用超濾、反滲透等高水平的技術進行處理,這些處理過程都會產生較高的能耗;海水淡化過程中,為了保證水在長距離的流動過程中保持足夠的壓力和流速,需要高壓泵等提供動力,造成電能的消耗。隨著技術的發展,我國海水淡化成本為5～8元/m3,已接近世界平均成本,但與自來水的價格相比仍然偏高[4]。

5.4 對環境的影響

大規模的海水利用,將產生大量的濃鹽水,鹽度作為海洋重要的生態指標之一,對海生生物的生長繁殖均有重要的影響。在海洋生態系統中,海洋生物對鹽度的變化較為敏感,而海水淡化的處理過程,可能改變原本自然的海洋鹽度分布,從而影響生態系統的平衡,甚至破壞特定海洋區域,因此,鹽水排放的問題必須引起重視。在實踐中,已經采用了多種鹽水排放的措施和方案,如將鹽水直接輸送到遠離海洋生態系統的區域進行地下注入,或通過蒸發、結鹽等方式對鹽水進行處理。

6 結語

我國存在嚴重的人均淡水資源短缺問題,開發和利用淡化海水成為解決這一問題的關鍵。某煉廠通過引進淡化海水來代替淡水資源,減少了淡水的消耗,提高了混床的處理量,降低了混床的再生頻次,減少了助劑的消耗。但是同樣面臨著離子水耗升高、淡化海水腐蝕、區域性限制以及高成本等問題。