循環水補水比例控制及節水分析

張春艷

(陜西神木化學工業有限公司, 陜西榆林 719319)

在化工裝置中,循環水消耗主要為循環水排污和蒸發損失。在為應對水資源匱乏而大力推行節能降耗的大趨勢下,降低水耗尤為重要。可通過補充不同的水以及按照一定比例補水,提高循環水濃縮倍數。

1 工藝介紹

循環水主要為空分裝置、合成氣凈化裝置、甲醇合成裝置、動力裝置提供循環冷卻用水,設計規模為60 000 m3/h。

循環水裝置主要由冷卻塔、塔底水池、吸水池、循環給水泵、循環給水泵房、控制室、加藥間、旁濾器、監測換熱器等組成。來自生產裝置的循環回水利用余壓上冷卻塔,在塔內與空氣進行熱交換,冷卻后的水經塔底進入吸水池,再由循環水泵加壓送至各工藝裝置冷卻換熱,換熱后的熱水回到冷卻塔循環使用。

循環水系統換熱器分為板式換熱器、管程換熱器、殼程換熱器,其材質為不銹鋼、碳鋼、銅。循環水系統參數見表1。

表1 循環水系統參數

2 補充水及循環水水質情況

循環水的補充水水質分析數據見表2,循環水水質分析數據見表3。

表2 循環水的補充水水質分析數據

表3 循環水水質分析數據

從表2和表3可知：循環水補水原水的水質較好,鹽離子含量較低,礦井水總堿度和鈣離子含量偏高;循環水濃縮倍數較低,循環水余氯含量偏低,COD時有超標;濁度隨著濃縮倍數升高,濁度接近指標上限。針對以上問題,通過對比補充水水質情況和分析指標控制等措施,達到節約用水、降低能耗的目標。

3 原水、礦井水不同比例混合后水質特點

3.1 原水、礦井水按質量比為3∶7混合

補充水水質穩定指數計算見表4。

表4 補充水水質穩定指數計算

根據碳酸鈣結垢計算指數,以賴茲納指數(RSI)為判斷值,其判斷結果見表5。

表5 碳酸鈣結垢指數判斷結果

原水、礦井水按質量比為3∶7混合后,不同濃縮倍率條件下水質狀況見表6。

表6 不同濃縮倍率條件下水質狀況

原水、礦井水按質量比為3∶7混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數及判讀結果見表7。

表7 指數及判讀結果

從表4～表7可知：原水、礦井水按質量比為3∶7混合后,不加酸條件下,濃縮3．0倍時,其鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L;濃縮4．0倍以上時,大大超過GB 50050—2007《工業循環冷卻水處理設計規范》要求[1],因此不建議采用該比例混合補水。

3.2 原水、礦井水按質量比為4∶6混合

補充水水質穩定指數計算見表8。

表8 補充水水質穩定指數計算

根據碳酸鈣結垢計算指數,以賴茲納指數(RSI)為判斷值,其判斷結果見表9。

表9 碳酸鈣結垢指數判斷結果

原水、礦井水按質量比為4∶6混合后,不同濃縮倍率條件下水質狀況見表10。

表10 不同濃縮倍率條件下水質狀況

原水、礦井水按質量比為4∶6混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數及判讀結果見表11。

表11 指數及判讀結果

從表8～表11可知：原水、礦井水按質量比為4∶6混合后,不加酸條件下,當循環水濃縮倍率為4．0時,鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L,超過GB 50050—2007要求,系統需要輔助加酸處理。

3.3 原水、礦井水按質量比為5∶5混合

補充水水質穩定指數計算見表12。

表12 補充水水質穩定指數計算

根據碳酸鈣結垢計算指數,以賴茲納指數(RSI)為判斷值,其判斷結果見表13。

表13 碳酸鈣結垢指數判斷結果

原水、礦井水按質量比為5∶5混合后,不同濃縮倍率條件下水質狀況見表14。

表14 不同濃縮倍率條件下水質狀況

原水、礦井水按質量比為4∶6混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數及判讀結果見表15。

表15 指數及判讀結果

從表12～表15可知：原水、礦井水按質量比為5∶5混合后,不加酸條件下,當循環水濃縮倍率為4．0時,鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L,超過GB 50050—2007要求,因此系統需要輔助加酸處理。

3.4 原水、礦井水按質量比為6∶4混合

補充水水質穩定指數計算見表16。

表16 補充水水質穩定指數計算

根據碳酸鈣結垢計算指數,以賴茲納指數(RSI)為判斷值,其判斷結果見表17。

表17 碳酸鈣結垢指數判斷結果

原水、礦井水按質量比為6∶4混合后,不同濃縮倍率條件下水質狀況見表18。

表18 不同濃縮倍率條件下水質狀況

原水、礦井水按質量比為4∶6混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數及判讀結果見表19。

表19 指數及判讀結果

從表16～表19可知：原水、礦井水按質量比為6∶4混合后,不加酸條件下,當循環水濃縮倍率為4．0時,鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L,超過GB 50050—2007要求,系統需要輔助加酸處理。

3.5 原水、礦井水按質量比為7∶3混合

補充水水質穩定指數計算見表20。

表20 補充水水質穩定指數計算

根據碳酸鈣結垢計算指數,以賴茲納指數(RSI)為判斷值,其判斷結果見表21。

表21 碳酸鈣結垢指數判斷結果

原水、礦井水按質量比為7∶3混合后,不同濃縮倍率條件下水質狀況見表22。

表22 不同濃縮倍率條件下水質狀況

原水、礦井水按質量比為7∶3混合后,不同濃縮倍率條件下,其指數及判讀結果見表23。

表23 指數及判讀結果

從表20～表23可知：原水、礦井水按質量比為7∶3混合后,不加酸條件下,當循環水濃縮倍率為5．0時,鈣硬度+總堿度>1 100 mg/L,超過GB 50050—2007要求。但是當循環水濃縮倍率運行在4．0～5．0之間時,則可控制在設計范圍之內,并且不用加酸處理。

4 原水、礦井水不同質量比例混合后水質特點分析

4.1 濃縮倍率分析

不加酸條件下,不同質量比例混合后最高可濃縮倍率見表24。

表24 不加酸條件下,不同質量比例混合后最高可濃縮倍率

按照節水要求,濃縮倍率要求4．0倍以上,原水、礦井水按質量比為3∶7混合顯然不符合節水要求;另外由于原水噸水費用高達3.6元,而礦井水費用僅為0.6元,原水的使用比例過大則不經濟,即原水、礦井水按質量比為7∶3混合不符合要求。為了綜合考慮節水節能要求,可從原水和礦井水40%～60%使用比例中選擇最為經濟的比例混合使用,輔助加酸條件,濃縮倍率至4.0～5.0。綜合考慮,按照濃縮倍率為4.5計算。

5 指標分析

5.1 循環水濃縮倍數

循環水濃縮倍數高低直接影響因素為循環水補水量的多少,直接影響水耗高低,循環水濃縮倍率高低主要影響排污量和蒸發量的大小。當循環水濃縮倍率達到3.6時,循環水總堿度+鈣硬度達到996.00 mg/L,接近指標,繼續提高,會趨于飽和,導致換熱器結垢。建議適當加大酸的投加量,降低總堿度,繼續提高循環水濃縮倍率。

5.2 循環水濁度

從循環水水質分析可以看出,濃縮倍數升高時,循環水濁度逐漸升高。循環水濁度主要受原水濁度、空氣的干凈程度、循環水濃縮倍率、系統泄漏4個因素影響[2-4]。

(1) 原水濁度

原水濁度隨著季節波動較大,最高時達到12.68 NTU,增加了旁濾器過濾負荷,出現循環水濁度波動(見表25)。建議對原水進行預處理,以降低原水濁度。

表25 循環水濁度波動 NTU

(2) 系統泄漏

通常根據循環水中COD的含量來判斷循環水系統是否泄漏(見表26)。只有在8月出現COD含量超標現象,其余時間在正常指標內。循環水裝置水溫為32～42 ℃,在冷卻過程中與空氣充分接觸,水中溶解氧充足,再加之系統泄漏時,水中含有營養物質,完全具備微生物的生長條件。如果循環水中有大量微生物,微生物的存在可以不斷降低COD含量,使得循環水中污泥增加。投加殺菌劑后,引起黏泥、藻類的脫落,導致循環水濁度升高。

表26 循環水COD波動 mg·L-1

(3) 旁濾器的運行

本裝置旁濾水體積流量設計為1 600 m3/h,采用球形淺層過濾器過濾進出水。當入口濁度上升時,出口濁度同時上升(見圖1),說明過濾器截污能力有限,導致過濾效果差,降濁效果降低。建議增加旁濾水量或者選用截污能力較強的過濾器。

圖1 入口濁度上升時,出口濁度同時上升

5.3 余氯及殺菌的控制

控制敞開式循環冷卻水系統的菌藻繁殖,是循環冷卻水處理的關鍵。藻類通常在冷卻塔和冷卻塔集水池受陽光照射的地方被大量繁殖,并附著于塔體和池壁上,干擾空氣和水的流動,降低冷卻效率。脫落的藻類進入管道而沉積,附著在熱交換設備器壁上形成污垢,降低傳熱效率,增加水頭損失。同時,作為細菌的食物,藻類會促使細菌繁殖,加劇腐蝕,危害很大。

控制菌藻繁殖的方法是投加殺生劑。殺生劑分為氧化型、非氧化型、表面活性型3類,本系統中使用氧化型殺菌劑次氯酸鈉和非氧化型殺菌劑異噻唑啉酮。對于次氯酸鈉,采用沖擊式投加方式;對于非氧化型殺菌劑,根據經驗,冬季每兩月投加1次,夏季每月投加1次。循環水中余氯含量普遍偏低時,現場發現塔壁生藻現象嚴重。次氯酸鈉使用量見表27。

表27 次氯酸鈉使用量 t

從表27可知：隨著夏季氣溫回升,次氯酸鈉耗量逐漸升高,甚至是冬季的1倍多。從循環水指標看,循環水余氯并沒有升高,說明系統中消耗次氯酸鈉量升高,系統中有大量微生物和適合微生物生長的營養物質。為提高余氯指標,降低次氯酸鈉使用量,必須控制系統泄漏量,避免微生物生長。

6 結語

通過分析以上數據,為降低循環水補水量,建議采取如下措施：

(1) 在加酸條件下(濃縮倍率為4.5),當原水、礦井水按質量比為4∶6混合時,循環水系統綜合運行成本費用最低,綜合噸補充水成本為1.80元,年運行費用為1 275.12萬元。當不加酸時,濃縮倍率為4.5左右,則礦井水質量分數不應超過40.00%。

(2) 系統輔助加酸處理,堿度控制在270.00 mg/L或以下,并適當提高濃縮倍率至4.0～4.5運行,補充礦井水質量分數約為60.00%。如此運行,系統節水節能可以達到良好經濟平衡。

(3) 查找系統漏點,防止系統物質泄漏至循環水,避免微生物生長,減少系統黏泥量,降低系統濁度。

(4) 對原水進行預處理,降低原水濁度;對旁濾進行管理,降低循環水濁度。