不同水質補充水對循環水系統的影響分析

權開玉，孫 海

（陜西金泰氯堿化工有限公司，陜西 榆林）

陜西金泰氯堿化工有限公司（以下簡稱“金泰氯堿”） 是陜西投資集團有限公司控股的氯堿化工企業，成立于2003年12月，一期裝置建設規模為10 萬t/a 聚氯乙烯、10 萬t/a 離子膜燒堿，于2005年建成。 二期裝置建設規模為15 萬t/a 聚氯乙烯、10萬t/a 離子膜燒堿，于2014年建成投產。經過擴能改造， 目前公司一二期裝置產能達到30 萬t/a 聚氯乙烯、23 萬t/a 離子膜燒堿。 金泰氯堿一二期裝置各配套1 套循環水系統，水處理系統包括生活水處理系統、 無機廢水處理系統及有機污水處理系統，2016年新建一套濃水深度處理裝置，以上4 套水處理裝置處理過的水全部回用， 實現了廢水 “零排放”。 以下是金泰氯堿不同水質的水回用至循環水系統對系統造成的影響分析及改進措施。

1 回用水及循環水系統

1.1 生活水處理系統

生活水處理系統采用厭氧和好氧相結合的生化處理工藝，出水再經過曝氣生物濾池進行深度生化處理，最后廢水經過纖維球過濾器過濾后出水達到中水回用標準，經中水回用泵送到循環水系統。

1.2 無機廢水處理系統

無機廢水處理系統用來處理化水和循環水系統排放的工業廢水，經過多介質過濾器和活性炭過濾器處理后，再經反滲透裝置過濾，產生清水回用至化水和循環水，濃水送到濃水深度處理系統。

1.3 有機污水處理系統

有機污水處理系統處理聚氯乙烯干燥裝置送來的離心母液水，經過涼水塔冷卻后，進入初沉池，大顆粒有機物沉淀后經離心機分離，廢水再采用厭氧和好氧相結合的生化處理工藝進行二級處理，出水經臭氧氧化深度處理，最后經過纖維束和活性炭過濾器后出水達到中水回用標準，經中水回用泵送到循環水系統使用。

1.4 濃水處理系統

濃水深度處理系統是將無機污水裝置的一次濃水、電石渣漿按照比例輸入反應池中，用氫氧化鈉溶液在反應池調節一次濃水的pH 值， 將反應后的污水輸入斜管沉降池進行固液分離，上清液輸入雙膜工序機械過濾器、自清洗過濾器和超濾裝置進行預處理，最后經過反滲透裝置，清水與無機清水一同回用，二次濃水回用至采鹵工序注井化鹽。

1.5 燒堿裝置廢水系統

燒堿裝置排循環水系統回用水主要是固堿蒸發產生的二次蒸汽冷凝液，除一部分用于離子膜電解陰極用水外，剩余部分經冷卻后作為機泵機封水排地溝再進入循環水系統。

1.6 循環水系統

循環水系統運行參數見表1。

表1 循環水系統運行參數

2 腐蝕或結垢判定及金屬腐蝕機理

2.1 腐蝕或結垢判定

換熱器傳熱表面結垢主要成分是碳酸鈣，在適當的條件下也會出現磷酸鈣和硅酸鹽結垢，以碳酸鈣為例，其動平衡關系如下。

根據以上平衡關系， 朗格利爾提出了飽和pH和飽和指數（LSI）概念，以判斷碳酸鈣在水中是否會析出結垢，并據此提出加酸或加堿的方法來控制水垢的析出。

以上動平衡關系中，如果碳酸鈣在水中呈飽和狀態，則反應（1）、（2）、（3）式處于平衡狀態，此時水的pH 稱為該水的飽和pH 值，以pHs 表示。

LSI=pH-pHs＞0結垢

LSI=pH-pHs=0不腐蝕不結垢

LSI=pH-pHs＜0腐蝕

為了更準確地判定是腐蝕性還是結垢性水質，提出結垢指數（RSI）概念，RSI=2pHs-pH。

RSI=2pHs-pH＜6結垢

RSI=2pHs-pH=6不腐蝕不結垢

RSI=2pHs-pH>6腐蝕

2.2 碳鋼金屬腐蝕機理

碳鋼金屬與水接觸時會形成許多微小的腐蝕電池（微電池），其中活潑部位為陽極，不活潑部位為陰極。 在陽極區，碳鋼氧化生成亞鐵離子進入水中，并在金屬基體上留下兩個電子。 與此同時水中溶解氧則在陰極區接收來自陽極區的兩個電子，還原為OH-，電極反應式如下。

亞鐵離子和氫氧根離子在水中相遇時就會生成Fe（OH）2沉淀，即，如果水中溶解的氧比較充足，則Fe（OH）2會進一步氧化，生成黃色的Fe2O3·H2O；如果水中氧不足，則Fe（OH）2進一步氧化成綠色的水合四氧化三鐵或黑色的無水四氧化三鐵。

由以上腐蝕機理可知，造成金屬腐蝕的是金屬的陽極溶解反應。

2.3 氯離子對金屬腐蝕的影響

鋼材發生孔蝕時，鐵在蝕孔內溶解，生成的亞鐵離子（Fe2+）在蝕孔內產生過量的正電荷，使氯離子遷移到蝕孔中，產生高濃度的FeCl2，FeCl2水解得到高濃度的Cl-和H+，反應式如下。

氯離子和氫離子能促進多數金屬和合金的溶解，氧在蝕孔溶液中的濃度實際為零，所以溶解氧在陰極的還原過程是在蝕孔附近的金屬表面上進行的，這部分表面成為腐蝕電池的陰極區而不受腐蝕，冷卻水中大多數孔蝕與鹵素離子有關，例如氯離子、溴離子和氯酸根離子等。

3 不同用水水質分析

3.1 一次水（見表2，圖1）

圖1 一次水RSI變化趨勢圖

表2 一次水水質數據表

當RSI=6 時，水質穩定；當RSI＜6 時，水質為結垢性水質；當RSI>6 時，水質為腐蝕性水質。 一次水RSI 穩定指數平均值為6.14，接近穩定狀態。

3.2 有機中水（見表3，圖2）

圖2 有機中水RSI變化趨勢圖

表3 有機中水水質數據表

從表3，圖2 可以看出，有機中水RSI 穩定指數最低值為7.64，平均值為8.90，均大于6.0，為腐蝕性水質。

3.3 無機清水（見表4，圖3）

圖3 無機清水RSI變化趨勢圖

表4 無機清水水質數據表

從表4，圖3 可以看出，無機中水RSI 穩定指數最低值為7.36，平均值為8.99，均大于6，為腐蝕性水質。

3.4 生活中水（見表5，圖4）

圖4 生活中水RSI變化趨勢圖

表5 生活中水水質數據表

從表5，圖4 可以看出，生活中水RSI 穩定指數最低值為5.96，平均值為6.38，為腐蝕性水質。

3.5 燒堿蒸發回用水（見表6，圖5）

圖5 燒堿蒸發回用水RSI變化趨勢圖

表6 燒堿蒸發回用水水質數據表

從表6、圖5 可以看出，燒堿蒸發回用水濁度平均值15.44 NTU，過高，RSI 穩定指數最低值為4.02，平均值為4.25，為結垢性水質。

4 補水水質分析

4.1 循環水水質分析

（1）一線循環水水質分析（見表7 和圖6）

圖6 一線循環水RSI變化趨勢圖

從表7、圖6 可以看出，一線循環水在1-3月為腐蝕性水質，4-8月為結垢性水質。

（2）二線循環水水質分析（見表8 和圖7）

圖7 二線循環水RSI變化趨勢圖

表8 2022年1-8月二線循環水水質數據表

從表8、圖7 可以看出，二線循環水在1-3月為腐蝕性水質，4-8月為結垢性水質。

4.2 各種補水在不同濃縮倍數下的RSI 值分析（見表9，圖8）

圖8 各種補水在不同濃縮倍數下的RSI值變化趨勢圖

表9 各種補水在不同濃縮倍數下的RSI數據表

從表9，圖8 可以看出，當濃縮倍數不同時，各種補水水質的性質會發生變化， 當濃縮倍數較小時，RSI 值大于6，易產生腐蝕。

5 各種水質補水對循環水系統的影響分析

從以上5 種補水水質穩定指數RSI 可以看出，一次水和燒堿蒸發回用水屬于結垢性水質，有機中水、無機清水和生活中水屬于腐蝕性水質。5 種補水在不同時間段內循環水系統加入比例不同，會導致在特定時間段水質的穩定性狀態不同，循環水水質在1-3月為腐蝕性水質，4-8月為結垢性水質，循環水水質變化大。 生活中水濁度平均值26.27 NTU，固堿回用水濁度平均值15.44 NTU，濁度過高，導致一線循環水濁度升高，排污水量大。 循環水系統有機磷濃度有小于3 mg/L 的情況，低于指標值，有機磷平均濃度偏低， 導致緩蝕阻垢劑有效成分下降，緩蝕作用降低，系統腐蝕加劇。

6 循環水系統水質管理提升措施

（1）根據水質穩定指數RSI 對循環水各種補水量比例進行調整，將RSI 控制在5.7～6.0 范圍內，一線盡量用有機中水和無機中水， 減少一次水用量，二線主要用有機中水和無機中水，可適當補加一次水，調整RSI 穩定指數，控制循環水中氯離子濃度。

（2）控制循環水補水量和排污水量，控制循環水的濃縮倍數為3.0～4.0 倍， 循環水補水和排污流量不宜波動過大，以保證循環水的各項指標穩定。

（3）選擇性能適合公司循環水水質的緩蝕阻垢劑，要求其耐氧化、緩蝕阻垢性能良好，緩蝕阻垢劑添加量應控制得當，以保證其緩蝕阻垢性能。

（4）燒堿蒸發廢水pH 值應控制在6～9，濁度應不大于5 NTU，當進堿后應進行中和處理，為避免循環水中氯離子濃度升高， 廢水應進入采鹵工序，注入鹽井化鹽。

7 結語

生產中不同的水質補水對循環水水質的影響較大， 結垢性水質導致傳熱設備導熱系數降低，傳熱效率下降， 腐蝕性水質又加劇了傳熱設備腐蝕，影響使用壽命。 因此，在使用補充水時要根據其水質是結垢性還是腐蝕性實時調整補水量與補水種類，同時選擇使用合適的緩釋阻垢劑，使循環水系統在較好的狀態下運行。