循环水电化学除垢技术在化工企业的研究与应用

刘延财，王奋中，曹国玉，高树丽

（陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林719319）

陕西北元化工集团股份有限公司（简称北元化工）100 万t/a 聚氯乙烯综合循环利用项目所有循环水系统均采用化学药剂方法处理，在运行过程中，随着循环水蒸发浓缩，盐类物质不断增加，水与空气直接接触把空气中的大量灰尘洗涤到水中，浊度升高，化学药剂的加入或者工艺介质泄漏，水中污染物、杂质不断增加,影响水质指标，为了控制浓缩倍数和浊度，不得不补充新鲜水进行置换。 一般情况下，循环水浓缩倍数控制较低，浊度通过旁流设施过滤后，效果也一般， 部分换热设备因循环水流速等原因存在结垢和腐蚀问题，造成换热效率低下，影响生产系统稳定运行。结合以上情况，北元化工在乙炔二期循环水站和蒸发循环水站引进电化学除垢技术替代药剂处理。

1 电化学设备结构附件

乙炔分厂循环水电化学除垢设备主要结构附件包括水处理执行器箱体（含阴极、阳极、密封系统）；电控柜（含直流电源、控制系统）；直流电源输出380V，50 Hz；保护电流600 A，输出电压5～30 V，设备运行电流范围450～550 A。

图1 蒸发循环水电化学除垢设备结构示意图

自动控制电路提供一个恒定电流， 控制系统包括：电源为24 V、70 A 或者30 V、50 A 的直流电源；PLC 控制系统；交互显示界面；pH、电导率测试仪；主电源连接：3 相，380 V。

2 电化学除垢原理

2.1 循环水溶液的电化学反应

（1）氧化反应。产生OH·、O3、H2O2、HClO 等强氧化物质。 作用：除软垢、杀菌灭藻、防腐蚀。

（2）还原反应。将成垢离子从水中直接去除。 作用：除垢、除盐、降低硬度、提高浓缩倍数。

2.2 相关化学方程式

（1）阳极反应高级氧化作用及电解形成强酸环境杀菌灭藻。

（2）阴极反应

电解形成强碱环境杀菌预成垢。

2.3 防腐蚀原理

设备腐蚀原因较多， 可分为细菌腐蚀、 药剂腐蚀、氯离子腐蚀等，该设备具有杀菌效果，因此可以减少细菌对系统所带来的腐蚀， 设备处理冷却循环水时，不添加任何化学药剂，因此可减少化学药剂所产生的腐蚀， 设备在电解中能将部分氯离子电解成氯气飘散掉，最终排出循环水系统，从而也能减少氯离子对管道、换热器、凝汽器等设备的腐蚀，电解过程中产生的氢氧根离子和活性氧可促进管道内壁和各种换热器内壁的亚铁离子和铁离子最终生成四氧化三铁（Fe3O4）致密磁铁保护膜，隔开管壁和水，阻止进一步腐蚀。

3 电化学处理实施方案

（1）乙炔二期循环水采用5 套半自动化水处理装置，每套装置配备一台管道泵，从循环水池取水，人工清垢。 蒸发循环水采用3 套全自动化水处理成套设备， 液压推动刮刀将反应室内的水垢和其他沉积物、污染物从反应室内壁上刮下并排掉，全自动控制，配备一台取水泵，也可以采用循环水回水余压进入电化学设备内，电子除垢设备采用PLC 控制智能化模块，实现水质在线数据检测，达到电压、电流、频率的动态数据监控管理。

（2）电化学除垢装置负荷按照循环水量5%～10%的循环水进行电解处理， 将系统内导致生垢（锈）的成分如钙、镁、铁等离子吸附收集。

4 药剂处理与电化学处理对比

2019 年12 月， 北元化工电化学装置项目建设完成，投入试运行，投运后按照技术要求，停止化学药剂的投加，定期投加浓硫酸调节pH 值，同时将智能检测换热器挂片重新更换，每天进行常规项目的检测， 并做好数据的记录进行对比分析数据对比图见图2-图9。

4.1 电化学除垢效果图

电化学除垢装置投运14 天，乙炔二期循环水电化学设备箱体打开阴极板上析出大量的垢物， 呈白色固体物质，质地柔软，偏碱性，容易剥离清洗。通过分析垢物其主要成分为碳酸钙， 其他为磷酸盐、硅酸盐等杂质。 循环水经过电化学装置处理后水质明显变清澈透明，浊度明显降低，水质指标有所改善，这说明循环水内灰尘、砂子、黏土等物质也具有带电离子的特性，在电解的作用下被电离析出，也说明了在环境比较差的地方， 应用电化学装置处理循环水是很有必要的。蒸发循环水站因水质和刮垢的频率，析出的垢物量比较少，刮出的垢物随着刮垢、反冲洗及沉降少部分进入污水系统。运行8 个月后，大检修期间将换热设备及管道打开后， 观察到管道表面形成分布不均匀、非致密黑色的保护膜。

图2 乙炔二期循环水和蒸发循环水浓缩倍数

图3 乙炔二期循环水和蒸发循环水钙硬度

图4 乙炔二期循环水和蒸发循环水总碱度

图5 乙炔二期循环水和蒸发循环水氯离子含量

图6 乙炔二期循环水和蒸发循环水浊度

图7 乙炔二期循环水和蒸发循环水电导率

图8 乙炔二期循环水和蒸发循环水补水

图9 乙炔二期循环水和蒸发循环水排水

4.2 挂片腐蚀速率分析

腐蚀速率分析数据见表1。

从以上分析数据可以看出， 乙炔分厂二期循环水挂片（1453、1454、3203、3204）和蒸发循环水挂片（1415、1414、3229、3230） 均 超 出 国 家 标 准（GB50050-2017）要求。 电化学除垢设施运行期间，碳钢挂片检测均不合格，挂片很容易粘黏泥，造成垢下腐蚀，目前正在协调技术厂家进行解决处理，挂片腐蚀没有得到有效解决。

表1 腐蚀速率分析数据表

5 效益分析

5.1 经济效益

5.1.1 电耗

电化学装置共计两套，乙炔分厂二期循环水为5 套半自动装置，运行过程中，单台设备直流电流在330～460 A，电压为23.0～24.0 V，每小时消耗电大约80 kW·h。蒸发循环水为全自动控制，消耗电约（5+30） kW·h，动力电功率30 kW（夏季温度高使用）。 每度电按照0.3 元计算，装置年投运时间为8 000 h，每年增加电费为18 万～20 万元。

5.1.2 节水

根据厂家提供的技术要求， 电化学装置投运后能够在药剂处理的基础上节约用水30%，通过实际运行8 个月，每年减少排污水15%～20%。

5.1.3 节约药剂和技术服务费用

蒸发循环水和乙炔循环水水质处理药剂采用承包制，每年药剂费用约40.8 万元。 电化学装置投运后阻垢缓蚀药剂停止投加，因杀菌效果不明显，保留氧化性杀菌剂的投加。

5.1.4 实施费用

实施费用约26 万元，主要是土建基础施工材料及人工费用。

5.2 社会效益

电化学装置投运后取代传统药剂处理方法，达到节水、节药，提高了水的利用率。

6 结论

（1）电化学除垢设施能有效降低循环水的钙硬度和总碱度，具有较好的除垢功能。

（2）电化学除垢设施可以通过电化学反应产生臭氧和氯气对循环水形成杀菌作用， 但不能完全代替杀菌剂。

（3）循环水通过电化学除垢设施能够形成四氧化三铁保护膜，但循环水管道和设备使用时间较长，使用电化学装置后不能完全形成分布均匀、 致密的氧化膜，需结合药剂进行处理。

（4）电化学除垢对于循环水的COD 和浊度的去除效果明显，对于净化循环水水质具有较好效果。

（5）电化学除垢设施通过提高浓缩倍数可以达到节水、减排的目的。

总体分析，效果不是很明显，未达到预期，检测挂片处于腐蚀状态， 未得到有效解决。 作为生产企业，工艺的先进性、低能耗、技术的可靠性是首先考虑的问题，而作为电化学设计厂家，应该从设备设施稳定性和低能耗方面深入研究， 使得电化学处理设施在化工企业得到推广应用，更好地服务于生产。