TOC分析仪在工业凝结水回收中的应用

2010-09-09程立,杨家建,武云志

自动化博览 2010年1期

关键词：凝结水分析仪蒸汽

TOC分析仪在工业凝结水回收中的应用

美国哈希公司北京代表处程立，杨家建，武云志

The Application of TOC Analyzer in Reclamation of Condensation Water

本文讨论了目前国内外工业凝结水回收的现况，凝结水回收的重要性。分析了TOC检测在凝结水回收中的重要性，以及TOC的监测方法。同时介绍了TOC分析仪的特点功能，以及在国外应用的有关信息。

凝结水；回收； TOC检测

Abstract:This paper discusses the current status and the importance of the industrial condensate water reclamation. It analyzes the importance of TOC monitoring in reclamation and the measuring method of TOC. Besides, the features, functions and related application information are also involved in the paper.

Key words:Condensation Water; Reclamation; TOC Monitoring

1 前言

在工业生产中，蒸汽作为一种热能载体被广泛应用于发电、石油、化工、印染、造纸、轻纺、酿造、橡胶、陶瓷等工业领域中。尤其是化学工厂和石化工厂这些能耗很大的企业，在它们的生产过程中，需要大量的蒸汽传输能量。蒸汽被用来裂解、加热和处理碳氢化合物以及为了进一步处理，制备成其它化合物。大量的工业用水和以煤炭为主的能源被使用来产生蒸汽，而蒸汽释放出部分热能后生成的凝结水往往因为受到不同程度的污染被直接排放，造成大量的热能和水资源浪费。

源水通过净化工艺、除盐生产出蒸汽需要很多工序，耗费大量的人力和金钱。使用完的凝结水有的很干净，还可以继续使用；有的比较干净，需要进一步纯化；有的凝结水已经被污染，要排放到污水厂。

净化使用过的回流凝结水要比从原水生产出纯净水经济很多，特别是在我国华北、西北等水资源匮乏地区，尽可能提高凝结水的再循环使用，有非常重大而且现实的意义。

2 国内外凝结水回收系统的发展现状

据不完全统计，全国的工业热力蒸汽锅炉有60余万台，蒸发量已超过200万吨/小时。其耗煤量约占全国煤产量的三分之一以上，辅助设备的耗电力量约占全国电产量的十分之一。因此，节煤、节电及节水的潜力和前景极为巨大。目前我国绝大部分企业的凝结水和余热没有进行回收。仅仅是一次性使用，用完后直接排放到污水厂。实行凝结水回收的很多企业中，其回收系统也还没有达到充分利用热能、节水和环境保护的要求。

以石化行业为例，目前我国石化行业凝结水回收率的平均水平为40%左右，而国际平均水平为70%以上。另一方面，国内各石化企业的凝结水回收率相差较大：高的在70%以上，低的回收率极低。

而在国外，这种凝结水回收设施已经非常成熟。建造一个适用于化学工厂和石化工厂的锅炉/蒸汽系统的成本与建造一个专门生成蒸汽供许多发电单位使用的工厂的成本相差不大。因此，世界上出现了许多蒸汽/发电，多种经营的工厂；蒸汽/电力公司与用户单位联合起来，把供气—使用—回收—再利用做成相互服务和监督一条龙的优化体系，最好的满足供应商和用户之间的需求和最大利益。此外，多余的电可以卖给公共电网或其它的电力公司/用户。

化学/石化工厂和电力/蒸汽公司都是要计算经济效益的。他们的联合系统是建立在独立优化、监督和核算的基础上。电力公司关注的是化学和石化工厂使用后回流蒸汽的纯度，化学和石化工厂关注的是蒸汽供应的纯度，以及自己生产工艺中，材料、润滑油的泄露。

这种相互的质量检查非常严格，不然就会影响化学和石化工厂的产品质量。蒸汽污染的程度要求有机污染物最低检出限是10PPB。这些污染的来源主要是石油产品，蒸汽循环过程中机械泵的机械油渗漏，以及换热器的泄露等。

3 凝结水回收系统的重要性

凝结水拥有大量的热量，一般占蒸汽总热量的20～30%左右，某些设备可高达40%。因此若能将高温凝结水作为锅炉补给水循环使用，不仅节约了工业用水，更可节约大量的燃料。这样，锅炉在生产同样多的蒸汽时，就可节约30～40%的燃料、用水和水处理药品，降低生产成本。燃料节约的同时导致锅炉烟气排放的减少，保护了环境，蒸汽的优化及回收凝结水将节约能源、解决蒸汽系统的跑冒直排，争取实现闭式循环，最大限度地节水、节能、环保，具有可观的经济效益和社会效益。

以中国石化股份有限公司为例，通过调查发现，中石化炼油企业的凝结水回收潜力：如果每小时回收凝结水1720吨，除盐水按15元/吨计算，年效益可达到2.1亿元。同时，可将中国石化的凝结水回收率从目前的40%提高到70%以上，达到国际先进水平，同时减少污水排放量1500万吨。

由此可见，有关蒸汽优化和凝结水回收的技术管理是企业节能、节水管理的一个组成重要部分，提高蒸汽利用效率及提高凝结水回收利用率是目前工业企业提高效益和竞争力的重要手段。

4 TOC检测在凝结水回收中的重要性

在电厂、石化和化工等企业中，凝结水能否回收最关键的问题是回流蒸汽的纯度，特别是对回流TOC的含量非常关注。TOC，即总有机碳，代表了水中所含有机物的总和，它反映了水中被有机物质污染的程度。生产过程中产生的凝结水，如果其TOC值比较低，便可以不需预处理再一次进入锅炉循环系统中运行。如果超标，便只能被排放掉。一旦凝结水被排出，这就意味着生产企业必须向锅炉中加入给水。给水未经处理是不能直接进入锅炉中运行的，必须首先对给水进行一系列的净化处理，达标过后才能进入锅炉中运行。

蒸汽循环过程中的TOC来自于几个方面：（1）换热器有泄露，使蒸汽暴露在过程中，从而聚集一些有机物；（2）石化化工生产过程中，原料、中间产物和最终产品的泄露都可能会进入到蒸汽中，从而产生TOC；（3）蒸汽循环过程中机械泵、阀的机械油渗漏等。

在凝结水处理过程中，需要尽快了解到有机物的含量，以决定水是否可以进入回收水回路或直接排放。一方面，TOC的浓度增加，会降低离子交换树脂的使用寿命，并会增加对系统的腐蚀。另一方面，有机物进入锅炉的危害非常巨大：有机物在炉水蒸汽循环的高温高压作用下会发生热水解，从而产生CO32等酸性物质，造成锅炉腐蚀；有时，有的还会从炉水系统进入蒸汽中，引起蒸汽循环系统的腐蚀。TOC 监测不仅可以自动做出蒸汽凝结水的使用和再使用的决定，还可以计算出需要补充到蒸汽系统中的清洁给水水量。

5 TOC在线分析仪简介

当前，用于TOC检测的在线仪器很多。这些仪器的设计思路相同，那就是先将水中的有机物质氧化为二氧化碳，然后检测二氧化碳的量来确定TOC浓度。这就涉及到氧化有机物质的氧化方法问题和检测二氧化碳的检测手段问题。对于氧化技术，主要有以下四种：即高温氧化法、加热的过硫酸氧化法、紫外线加过硫酸氧化法和紫外线氧化法。而通过美国材料与试验协会(ASTM)认证的二氧化碳检测方法只有两种：非色散红外检测（NDIR）和薄膜电导率检测。

图1 HACH Astro 四个系列TOC在线分析仪

其中较为典型的有美国哈希（HACH）公司生产的Astro TOC在线分析仪。ASTRO TOC已经有40年的生产历史，主要应用在工业生产，包括过程用水和污水排放检测。Astro TOC有四大系列：1950 Plus、UV、UV Turbo、和HT TOC。它们分别适用在净水、高盐、快速响应、污水监测等多种工业检测要求环境下；测量范围从5PPb到20000mg C/L，多达20余个选配置方案。为了适应工业水中难消解样品的条件，ASTRO TOC可以在试剂氧化的基础上配置多达3个紫外灯，保证样品的充分被氧化。

在以上四个系列中，ASTRO UV TURBO是专为化工、石化和电厂凝结水回用的TOC 分析而设计。采用经典的TOC检测分析技术——过硫酸钠紫外催化氧化法，整个分析过程分为5个步骤：

图2 过硫酸钠紫外催化氧化法分析过程图

第一步：样品通过多通道进样阀进入分析仪，加入磷酸试剂，将水中的无机碳转化成CO2；

第二步：利用气液分离器分离出CO2，随载气排出，从而除去样品中的TIC；

第三步：样品与过硫酸钠试剂混合，进入紫外光消解装置进行氧化反应，将有机物氧化成CO2和水；

第四步：生成的CO2和水被气液分离器分离，分离出的CO2气体被送进非发散红外检测器；

第五步：红外检测器对CO2的检测有良好的检测灵敏度和线性度，分析得到CO2的浓度，并换算成TOC。

Astro UV TURBO TOC在线分析仪突出“连续在线”的特点：

样品流连续流入消解池中，不会发生中断，充分体现了“实时监测”。而批次TOC分析仪的分析过程就像对监测过程拍了一系列“快照”。定期拍“快照”，有可能错过测量的“事故”现象，甚至多数TOC超标事件因为批次监测原因没有被监测到。假设批次TOC分析仪的响应时间是5分钟到30分钟的话，整个事故超标现象可能完全错过；如果分析时间比采样时间长，那么重要的信息有可能永远都检测不到。连续式监测TOC就是对整个监测过程拍摄的连续录像，Astro UV TURBO分析仪正是可以对凝结水回收系统进行连续录像的有机物检测系统。

由于在石化系统中安装的过程仪表都有严格的防爆要求，ASTRO TOC还具有方便、配套的正压防爆系统，可以应用在危险场所的1区和2区。

6 TOC在线分析仪在凝结水回收中的应用情况

ASTRO TOC在线分析仪在美国工业凝结水回收系统中得到广泛的使用。它的快速测定，连续进样方式和低检出限的性能，与一般的批次式的传统原理仪器相比优越很多；极大地满足了用户的生产和回收检测的需要。在蒸汽/电力生产厂，根据TOC浓度的高低，甄别目前的蒸汽是回收、再生还是排放。如果生产用户的工艺工况好，它使用完的蒸汽的TOC含量很低，这种蒸汽完全可以再一次回收，那么这个用户在生产中仅需要付一点蒸汽“借用”的钱，因此它的生产工艺成本降低了很多，使用户和供气系统进入一个良性循环，最后整个行业得到进步。

凝结水回收中的一个焦点问题，就是要监测回收蒸汽的TOC含量。为了再利用，水质必须相对干净；使用一台在线的TOC分析仪非常重要，它能提供快速、准确、可靠的TOC测量。

通常，Astro UV TURBO TOC在线分析仪安装在冷凝器或冷却塔和回流管路之间（如图3所示）。可以在5分钟之内提供TOC的测量结果，准确度可达到测量值的±4%或±8μg/L。