提高循环水浓缩倍数的方法

史丽杰

（内蒙古亿利化学工业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

1 循环水系统概况

内蒙古亿利化学工业有限公司40万t/a PVC和36万t/a 烧碱，生产线配备2套独立敞开式循环冷却水系统，总循环水量为36 000 m3/h，系统保有水量约为一万八千立方米。其中Ⅰ# 循环系统循环水量25 500 m3/h，系统保有水量约为一万二千八百立方米；Ⅱ循环系统循环水量为10 500 m3/h，系统保有水量约为五千二百立方米。由于该公司循环水补水水源为黄河渗水，水质（见表1）属于高硬度和高碱度水质，钙硬度大于180 mg/L，总碱度大于200 mg/L。这类高硬度和高碱度水质如果采用自然pH 值运行工艺，循环水的浓缩倍数最高只能控制为2倍。

2 循环水加酸的必要性

如果提高循环水浓缩倍数，由于循环水碱度、硬度高，将导致水中成垢物质沉积，水中溶解氧和腐蚀性离子的增加以及滋生的菌藻所产生的生物黏泥成倍增加，对循环水换热设备污堵、腐蚀、结垢危害严重，轻则，被动停车清洗，重则使设备腐蚀穿孔而报废，给安全生产带来极大隐患。为了保证2套循环水系统中水冷设备的长期、高效、稳定运行，解决循环水系统中普遍存在的腐蚀、结垢和菌藻黏泥的危害，采用水质稳定剂对循环冷却水进行化学处理显得十分重要。

表1 循环水水质数据（不加酸）

目前采用加硫酸（一般为98%硫酸）降低循环水的碱度和pH 值、使Ca2+、Mg2+碳酸盐转化为硫酸盐，是解决循环水系统不结垢而普遍采用的方法。循环水浓缩倍数要求在4.0倍以上，加酸是保证循环水系统安全运行的必要保证之一。

3 水质稳定性判断

循环冷却水投入运行后，要进行结垢腐蚀性判断，通常采用碳酸钙饱和指数及稳定指数来判断。在循环水运行中，饱和指数只能说明一种倾向，是一个定性趋势，有较大的局限性；稳定指数是在饱和指数基础上发展起来的指数，是根据化学分析测出循环水系统中的钙硬度、碱度、pH 值、固形物以及现场实际温度来计算。目前，许多水处理工作者都采用其作为生产现场的一个控制指标，水质稳定性判断计算见表2。

表2 水质稳定性判断计算

RSI=2pHs-pH（即2x 水在碳酸钙饱和平衡时的pH 值水的实测pH 值）；

RSI＜3.7，严重结垢性水质；

RSI＜6.0，结垢性水质；

RSI≈6.0，稳定性水质；

RSI＞6.0，腐蚀性水质；

RSI＞7.5，严重腐蚀性水质。

表2计算结果显示，循环水的补充水为结垢型水质，随着浓缩倍数的提高，水质结垢倾向更严重。根据国家标准GB50050-2007规定，循环水中钙硬度与甲基橙碱度之和大于1 100 mg/L、碳酸钙稳定指数RSI 小于3.3时，应加酸或进行软化处理（GB50050-2007 《工业循环冷却水处理设计规范》。按以上计算，循环水浓缩倍数在3倍时，Ca2++碱度达1 082 mg/L，正好接近控制指标的上限，而且，碳酸钙稳定指数RSI 为3.22，小于3.30，已经到了加酸调pH 值范围。所以，如果采用pH 值自然平衡而不加酸调节pH 值，系统能够承受的最高浓缩倍数为3.0。

根据GB50050—2007的要求及从节约用水降低运行成本等综合考虑，加酸降低循环水碱度，系统能够承受的最高浓缩倍数可以提高到5倍。

4 加酸的经济性

4.1 节水和节约药剂减少的费用

按照设计规范，循环水不加酸调节pH 值，浓缩倍数只能在3.0倍以下运行，计算基准采用3倍浓缩倍数，加酸后，浓缩倍数可以在5倍以上运行，计算基准采用5倍浓缩倍数。不同浓缩倍数时各种水量的理论计算值见表3。

（1）浓缩倍数由3.0提高到5.0时，节水量的计算

系统设计参数

循环水量：36 000 m3/h；保有水量：15 000 m3；回出水温差：32～42 ℃；浓缩倍数：4倍；系统材质：碳钢、不锈钢、铜合金。

每年节约的补充水量：（2.6-2.2）%×循环水量×8 000=1 152 000（m3）。

补充水取水费为1元/m3，年节约的补充水费为115万元。

每年减少的排污水量：（0.8-0.4）%×循环水量×8 000=1 152 000（m3）。

假设排污水需要的费用为0.5元/m3，年节约排污水费约为五十八万元。

（2）浓缩倍数由3.0提高到5.0时，节约的药剂量的计算

药剂使用浓度取平均50 mg/L 进行计算。

节约的药剂量（kg）：节约的排污水量×药剂使用浓度×10-3=1 152 000×50×10-3=58（t）

药剂单价按平均1.2万元/t 进行计算。则节约药剂费用约为58×1.2=70万元。

（3）浓缩倍数由3.0提高到5.0时，节约总费用

115+58+70=243（万元/a）。

4.2 加酸增加的费用估算

（1）硫酸费用。

a.加酸量的计算

按GB50050-2007提供的加酸量公式

式中：Mm—补充水碱度，mg/L，以CaCO3计；

Mr—循环冷却水控制的碱度，mg/L，以CaCO3计；

表3 不同浓缩倍数时各种水量的理论计算值

N—循环水浓缩倍数；

Qm—补充水量，m3/h。

取调酸以后的目标碱度为150 mg/L，补充水量为36 000×2.2%=792（m3/h），浓缩倍数为5，补充水碱度为215 mg/L

每小时加酸量Ac：=（215-150/5）×10-3×792=146.52（kg）。

年加酸量=146.52 kg×8 000=1 172 160 kg 约为一千一百七十二吨。

硫酸单价按800元/t 进行计算，则硫酸年费用为1 172×450=53（万元/a）。

（2）加酸装置建设费用。

加酸处理装置新增加储酸罐、计量酸罐、计量泵等设备，投资约三十万元。按5年进行折旧，每年折旧费为30÷5=6（万元）。

（3）加酸年运行总费用为59万元。

因此，每年加酸节约的费用为184万元。

5 加酸调pH 值的可行性和可靠性

循环水加酸调pH 值技术在二十世纪70年代就已经成熟了，目前，中国绝大多数化工装置循环水都采用了加酸技术。运行的可行性和可靠性得到了广泛的认可，在严格按操作规程进行操作的前提下安全性极高，几十年以来，没有循环水系统硫酸造成严重人身伤害方面的报道，一般是采用98%商品硫酸来调节pH 值。

目前，多数企业采用了半自动加酸系统，加酸量自动调节和人工调节相结合的方式，控制安全、稳定；计量槽只能贮存1天的使用量，保证了系统更加安全，不会造成加酸量过大造成循环水系统的腐蚀；自动化程度比较高，自动记录数据，操作工的劳动强度大大降低，并消除了影响环境及工人安全的隐患。

6 结论

在黄河水系的工业循环冷却水系统中，采用pH值自然平衡的水质稳定处理方案，一般只能在3倍以下的浓缩倍数下运行，才能保证系统的腐蚀和垢沉积达到国家标准的要求；采用加酸调节pH 值的处理方案，一般能使系统浓缩倍数控制在四五倍运行，完全能保证系统的腐蚀和垢沉积达到国家标准的要求；采用加酸调节pH 值的高浓缩倍数处理方案比pH 值自然平衡的低浓缩倍数处理方案有更好的经济效益；采用加酸调节pH 值的处理方案技术非常成熟，可行性、可靠性和安全性都非常有保障。