旁滤+电化学工艺在硫酸循环水系统中的应用实践

2021-11-05吕锡佳郑江勇周元红

硫酸工业 2021年8期

吕锡佳，郑江勇，周元红

（铜陵市华兴化工有限公司，安徽铜陵 244000）

铜陵市华兴化工有限公司（以下简称华兴化工）现有3套硫铁矿制酸装置，每套装置生产能力200 kt/a。由于循环水系统未进行任何水处理措施，导致水质恶劣，恶化的水质长期在换热管内流通，形成的水垢和黏泥等会堵塞、腐蚀换热管束，致使换热设备换热效率低下和设备腐蚀，严重影响设备的稳定运行。

1 循环水系统存在问题

华兴化工3套敞开式循环水系统循环水量分别为6 000，8 000，4 000 m3/h，使用工艺水为补充水。参照GB 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》要求，敞开式循环水系统的水质控制重点是电导率、总硬度、总碱度和浊度等指标。华兴化工循环水水质存在电导率高、硬度高、碱度高和浊度高等问题，严重影响了换热设备的使用效率和生产的稳定运行。循环水水质运行指标见表1。

表1 循环水水质运行指标

据不完全统计，2018—2019年华兴化工硫酸装置w(H2SO4)93%酸冷却器和w(H2SO4)98%酸冷却器检修更换32台次。从循环水系统运行结果来看，酸冷却器换热管结垢厚度大于1 mm，循环水集水池池底泥沙层厚度大于300 mm。

2 循环水系统影响因素

循环水系统在运行过程中，由于水分蒸发、风吹损失等情况使循环水不断浓缩，其中所含的盐类超标，电导率上升，而循环水的温度、营养成分和冷却塔上充足的日光照射更是藻类和微生物繁殖的理想环境。长期运行使水质恶化，从多方面对换热设备造成影响。

1）水垢。因循环水在冷却过程中不断地蒸发，使水中碳酸钙浓度不断增高，易在传热面上形成碳酸钙水垢，影响换热效率。

2）污垢。循环水长期与空气接触，会吸收空气中大量的灰尘、泥沙等形成污垢，污垢不仅降低传热效率而且还引起垢下腐蚀，缩短设备使用寿命。

3）腐蚀。循环水运行过程中，循环水在冷却塔内与空气充分接触，使水中的溶解氧呈饱和状态，而水中的溶解氧是造成金属电化学腐蚀的主要原因，加上循环水不断地蒸发，使盐含量升高，也增加了腐蚀倾向。

4）微生物黏泥。冷却塔内光照、适宜的温度、充足的氧气及养分，很适合微生物和藻类的生长繁殖，进而形成大量的微生物黏泥，堵塞换热管束，冷却散热效果大幅下降。

因此，为保障换热设备的稳定运行，必须对循环水系统进行水处理。

3 循环水系统处理方案

3.1 增设旁滤设备

增设旁滤设备，以控制循环水系统长时间运行下循环水的浊度和污垢。目前使用广泛的旁滤设备有多介质过滤器、高效纤维过滤器和浅层砂过滤器等[1]。

多介质过滤器处理量受限，清洗耗水量大，每次清洗水量是装置能力的300%。高效纤维过滤器清洗耗水量小，每次清洗水量是装置能力的3%，但清洗需辅助机械搅拌或气擦（增加能耗），且滤料更换频繁、价格高。浅层砂过滤器清洗耗水量小，每次清洗水量是装置能力的3%~5%，利用了砂滤截污力强和高效纤维过流量大的优势。相比于多介质过滤器和高效纤维过滤器，其优势在于滤料价格低且更换便利、清洗能耗低、排水量少[2]。综上分析，优先考虑浅层砂过滤器。

浅层砂过滤器是利用石英砂作为过滤砂，在一定的压力下，把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒的石英砂过滤，有效地截留去除水中的悬浮物、有机物、胶质颗粒、微生物、氯、嗅味及部分重金属离子等，最终达到降低水浊度、净化水质效果的一种高效过滤设备[2]。

3.2 采用电化学处理设备

目前针对造成换热设备结垢和腐蚀的循环水处理有2种工艺：药剂法和电化学法[3]。

药剂法是用成套加药设备长期向循环水系统注入无磷阻垢剂、氧化性杀菌剂和非氧化性杀菌剂、黏泥剥离剂等。加药设备一次性投入约8万元/套，以华兴化工3套循环水系统为例，3套系统成套加药设备投资约25万元，药剂消耗在40~50万元/a。装置投运后，不考虑水体置换，按正常排污比0.4%计，排放污水量约576 000 m3/a。这部分污水送入污水站后，污水处理量增加72 m3/h，不但多耗电、耗药剂、费人力，还直接考验装置能力。

电化学法其主要工作原理是利用电化学的氧化还原反应，将水中Ca2+、Mg2+以固态形式排除，降低水体硬度，达到除垢和防腐蚀的目的。同时产生氧化性物质，抑制循环水系统中菌藻的滋生，起到杀菌灭藻功效[3]。目前电化学法技术成熟，因环保、节能、减排显著，已有取代药剂处理法之趋势，在欧美及中东已广泛应用，被认为是世界最优冷却循环水处理技术。电化学法可有效降低循环冷却水中浊度、硬度、电导率、氯离子等指标，运行半年以上可缓慢除去现有换热设备已经生成的水垢，而且还可节约清洗换热设备的费用。

与药剂法相比，电化学法不仅可减少排污水量且不产生水化学污染，节水环保，一次性投资约为化学药剂使用18个月左右的运行成本。电化学法运行成本极低，约为药剂法的1/10。综上分析，优先考虑电化学处理设备。

4 电化学处理设备

电化学处理设备利用水电解的基本原理为基础，阳极和阴极附件分别制造出氧化反应环境和还原反应环境，从而实现水垢的去除和在线产生杀菌灭藻物质。电化学处理设备具有阻垢、除垢、杀菌灭藻、防腐四大功效[3]。

1）阻垢。在阴极附近水被电解产生OH-，使pH值升高到约14，在高碱性环境下水中Ga2+、Mg2+以CaCO3、MgCO3等水垢形式析出并附着在阴极板上。随着阴极板上沉积水垢增多，通过人工定期清理或刮刀、“水刀”自动清理排出循环水系统，维持循环水中离子平衡，实现水质稳定。

2）除垢。在高压静电场的作用下，由于水分子的偶极矩增大，增加了水分子与CaCO3等正、负离子的水合能力，因而加快了对已形成水垢的溶解速度，从而使管道和设备壁上原有水垢逐渐松散、龟裂，以至脱落，达到了除垢的效果。

3）杀菌灭藻。在阳极附近水中的氯离子被氧化，产生游离氯（质量浓度大于或等于0.1 mg/L）及臭氧、双氧水等强氧化性物质，可有效杀灭微生物，持续控制整个循环水系统中细菌和藻类的滋生。

4）防腐。经高压静电场处理的冷却水中将在管路及设备的金属表面产生一层微薄氧化膜，可以有效地隔绝水中的氧与金属管壁接触，防止腐蚀。

5 旁滤+电化学工艺的应用

旁滤设备和电化学处理设备分别安装于循环水管线出水管和回水管，经过处理的水回流至循环水池，冲洗水进入收集池。经自然沉淀后，收集池上部清液回用至循环水池，底部沉淀物人工定期清理。旁滤量取循环水量3%~5%，3套系统旁滤和电化设备进水量分别为240，240，120 m3/h。安装过程中需注意压力条件，旁滤设备进水压力不低于0.3 MPa，电化学处理设备进水压力不低于0.1 MPa。

旁滤+电化学工艺流程见图1。

图1 旁滤+电化学工艺流程示意

6 运行效果

一、二、三系统循环水浅层砂过滤器分别于2021年4月3日、2020年12月26日和2021年4月15日投用，设备投用后，通过持续对循环水浊度跟踪检验以验证运行效果，现3套循环水系统浊度均从原来20~50 mg/L下降到目前的10 mg/L以下（有时不到5 mg/L），已达到相关水质国家标准，效果非常显著。

硫酸一系统2台120 m3/h电化学处理设备于2021年3月25日投用。为了对实际运行效果有更加直观的体现，分别于5月26日和6月2日各打开1台电化学处理设备箱体，观察到阴极板附着大量自动清洗后残留的碳酸钙、碳酸镁等成分结垢物（见图2）。大部分（占90%）平均厚度0.2~0.5 cm，边缘位置因“水刀”冲刷不到，厚度达到5~6 cm，两次人工清理出残留结垢物质量分别为60 kg和75 kg。通过推算，这2台电化学处理设备运行2个月实际除垢量约为2.5 t。为了检验电化学处理设备的有效性，利用系统小修机会查看w(H2SO4)93%酸冷却器内部结垢情况，内部管束内结垢现象明显好转，对比使用电化学处理设备前，酸冷却器管束经常堵塞、结垢的现象有非常明显的改善。从电化学处理设备投用后保持对硫酸一系统循环水水质相关指标的跟踪和检测，其中电导率从2 000 μS/cm下降至1 300 μS/cm，总硬度从900 mg/L下降至500 mg/L。再配合浅层砂过滤器降低浊度和减少污垢的作用，硫酸一系统循环水水质各项指标均有所下降，水质得到明显提升。

图2 电化学处理设备结垢物

硫酸一系统旁滤设备和电化学处理设备投入使用1个月后，循环水系统腐蚀率开始降低，换热设备换热能力开始改善。投入运行3~6个月后，软垢基本清除，循环水系统不再生成新的垢层，换热设备换热能力提高，达到节能减耗的效果。投入运行6个月后，循环水系统内原有硬垢逐渐疏松、脱落。使用3个月后循环水系统内杀菌灭藻率达到99%以上，循环水系统不再有藻类生成，原有藻类逐渐死亡，水体无异味，水质清澈，无菌类生长。

硫酸一系统循环水水质检测数据见表1。