循环水节水运行工艺技术应用研究

2021-11-09张兰云

氮肥与合成气 2021年7期

关键词：阻垢缓蚀剂浊度

张兰云

(河北阳煤正元化工集团，河北石家庄 050000)

在工业生产的工艺条件下，循环水冷却是降温的重要手段之一，但如运行过程中控制不当，会产生结垢、腐蚀、藻类、黏泥等现象，影响换热效果，导致设备的使用寿命缩短。

1 循环水存在的问题及解决措施

1.1 循环水结垢

循环水结垢的原因复杂，形成垢类品种繁多，如泥垢、水垢、锈垢等。但垢类不是单一独立存在，也不是单一原因造成的，往往是多种因素交织影响。

1.1.1 泥垢(污垢)

由于循环水流程设计不合理、管道配置高差不规范，循环水中携带的有机物、微生物菌落和分泌物、泥沙、粉尘等杂质在设备管道中易引起流速减缓、阻隔传热、垢下腐蚀的问题，导致换热设备换热效果降低、使用寿命缩短。

河北正元氢能科技有限公司(简称正元氢能)采用降低补充水浊度、加强循环水旁滤、投加分散剂、保障循环水压力及流速等控制方法来予以解决。

从源头控制降低补充水浊度(要求5NTU以下)[1]，降低杂质进入系统形成泥垢的风险。

(1)加强循环水旁滤:冷却水在循环使用过程中，旁滤器可通过对滤料的选型，及时将微生物、泥沙、粉尘等杂质过滤出去，减少泥垢形成的风险。一般质量流量大于1 000 t/h的循环水系统要求旁滤量不低于循环量的5%；对于存在化学泄漏的循环水系统一般旁滤量设定在7%以上为宜。定时分析旁滤器进口和出口的浊度，以判定效果，及时更换滤料。

(2)控制药剂:在进行阻垢、防腐和杀菌水质处理时，投加一定量的分散剂，以控制污垢的形成。分散剂可将黏合在一起的泥团杂质分散成微粒，并使之悬浮于水面，随着水流流动而不沉积在传热表面上，从而减少污垢对传热的影响。

(3)合理的工艺设计可保障流速:在换热设备流程设计中，管道低进高出、设备低端增加排污、设备高端增加排不凝气等细节，可及时减少汽蚀、沉积等现象。循环水的流速需要严格控制，循环冷却水走管内，管程水流速大于 1m/s；循环水走管外壳程，壳程水流速大于0.3m/s，以减少泥沙沉积形成泥垢的机会。

1.1.2 水垢

由于循环冷却水在冷却过程中不断蒸发，水中含盐浓度不断增高，当超过某些盐类的溶解度时,杂质会沉淀附着在系统管壁上形成水垢。

正元氢能的控制理念是通过调节钙镁离子含量来达到控制循环水水质的目的。补水以反渗透的淡水为主，适当补充一次水，严格控制循环水的水质总硬度指标，使水软化，不易结晶析出碳酸钙；同时在循环水中投加阻垢剂，破坏碳酸钙的结晶增长，以达到控制水垢形成的目的。

1.1.3 锈垢

碳钢设备主要成分是铁，当空气中的氧气溶解在水中，与铁反应生成氧化铁，形成铁锈后从设备内表面脱落。此时存在设备管壁减薄的隐患。

1.2 循环冷却水腐蚀及微生物、黏泥、藻类

1.2.1 腐蚀

循环冷却水对换热设备的腐蚀主要是指电化学腐蚀。其产生的原因包括设备制造缺陷、水中充足的氧气、水中腐蚀性离子(Cl-、Fe3+、Cu2+)，以及微生物分泌黏液生成的污垢等。循环水腐蚀会引起换热设备报废。

正元氢能通过添加缓蚀剂、提高循环水的pH值等方法控制腐蚀。为了减轻环境富营养化的压力，常用添加有机膦酸盐和低磷缓蚀剂、复合缓蚀剂的方法来解决。严格控制循环水的pH值，使金属表面生成氧化性保护膜来减少设备腐蚀。敞开式循环冷却水系统通常利用冷却塔内的曝气装置提高pH值或利用加碱等方式将pH值调整为7.5～8.5。

1.2.2 微生物、黏泥、藻类

循环水中溶有充足的氧气、合适的温度及富养条件，适合微生物的生长繁殖。必须严格控制水中微生物含量、黏泥量、藻类数量，否则循环水水质会恶化、发臭、变黑。主要通过控制水质、加强旁滤、投加杀菌剂和剥离剂进行调整。

控制水质主要是控制冷却水中氨含量、硫含量、pH值、微生物的养料。油类是微生物的养料，应尽可能防止其进入冷却水系统。化工厂中进入冷却水系统的氨会提高硝化菌的繁殖力并降低氯的杀菌能力，应控制循环冷却水中氨质量浓度不高于5 mg/L[2]。如果循环冷却水硝化菌含量增高，循环水的pH值则降低，如此将引起设备腐蚀。

控制微生物最有效和最常用的方法之一是向冷却水系统中添加杀菌剂，当水中余氯质量浓度在0.5～1 mg/L时才有杀菌效果。添加杀菌剂或剥离剂需要注意空分(制氧)循环水不能加会起泡的杀菌剥离剂。投加后循环水浊度会不断上升，要每隔2～3 h进行跟踪分析。当浊度上升到最高点时，可通过反洗旁滤器排水来降低。冷却水系统进行剥离和清洗后再投加杀菌剂的方案要比只添加杀菌剂的方案有效得多。

2 循环水的日常控制

工业循环水处理是一项非常成熟的技术，主要通过人工或自动加药方式完成。循环水要遵循“三分技术七分管理”的理念，从日常的操作、循环水水质报告分析、系统运行检查等方面加强管理，保证系统的稳定运行。

2.1 操作方法

操作规程要明确操作人员的职责、循环水水质控制、设备巡检、开停车操作、数据记录、异常情况的处理、应急预案的执行及操作人员的培训等，操作人员要熟练掌握业务技能，保证系统的稳定运行。

(1)加药方式：根据系统现状和药剂特性，投加药剂时严格控制加药时间、数量。如果投加2种杀菌剂，需采用间隔投加的方式。投加阻垢缓蚀剂要在循环冷却水集水池旁配置配药槽，配药槽的上部设补水管，下部设排污口，药剂加入配药槽中用补充水稀释后，用计量泵连续均匀地加入集水池中。

(2)加药位置：一般选择水流动处为加药点，不要靠近排水口，以免药剂被直接排走;同时药剂在集水池中要保证混合的时间，使其混合均匀。

(3)阻垢缓蚀剂的加入方法：按量将药剂加入已洗净的配药桶中，在不断搅拌下加入补充水，使药剂稀释3～5倍，搅拌混匀后，开启加药泵、调节加药阀，使药剂连续均匀地加入集水池中。

(4)杀菌灭藻剂的加入方法：采用冲击间歇式投加的方式，按量将药剂直接加入集水池中，使循环水在一段时间里保持相当的药剂浓度，从而获得有效的杀菌和剥离效果。

2.2 日常水质分析报告

正元氢能按照GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》[3]间冷开式系统循环冷却水控制部分水质指标，具体数值见表1。

表1 间冷开式系统循环冷却水水质指标

2.3 循环水的日常控制

根据每天的水质分析化验结果，对排污水量、补充水量及加药量进行必要控制，使之达到指标要求。

(1)浊度超标：需要通过旁滤器有效管理及杀菌后反冲洗来降低浊度，当浊度>20 NTU时，加大排污水量和旁滤流量，补充清洁水，至循环水浊度<20 NTU，水质控制较好时浊度≤5 NTU。

(2)pH值超标：由于补充的水质不同，运行时间长导致循环水pH值偏高，可适当加硫酸调整；当换热设备存在泄漏，导致循环水pH值低于正常水平，要及时用碱来调整，查找泄漏点并堵漏，防止设备腐蚀。

(3)浓缩倍数超标：可通过排水或加硫酸(H2SO4)来降低结盐危险。若总Fe超标，说明系统有腐蚀，可检查所有水质指标及影响因素，同时调整药剂配方，增加Fe缓蚀剂用量。

(4)COD超标：说明系统有污染，要查明COD升高原因。若系统有漏入有机物，短时间可通过大排大补改善水质，在加大杀菌剂投放量的同时，增加循环水的排污量，以防止细菌繁殖堵塞填料和冷却器。

(5)氨氮超标：系统含氨设备有泄漏(特别是化工企业)，需要查明泄漏的根源。一方面增加杀菌剂，防止藻类的生长；另一方面加大循环水的排污量，严格控制氨氮,加碱控制pH值，防止在循环水中出现氨氮反硝化现象。

(6)总磷控制：根据阻垢缓蚀剂的药剂性能控制投加。若排污水量大，造成总磷偏低，可适当补加阻垢缓蚀剂，使总磷达标，并调节排污水量；若循环水系统正常排污，但总磷偏低，则需分析药品是否失效或偏差过大。若排除以上原因，可加大阻垢缓蚀剂药量，使总磷达标。当循环水中总磷大于设计值2倍以上，则第二天可控制阻垢缓蚀剂的投加量。

(7)菌类、藻类滋生控制：循环水微生物较多，繁殖生成菌类品种复杂、数量较多，日常控制异氧菌小于1×105个/mL。如果超标循环水危害菌类(铁细菌、硫酸盐还原菌、大肠菌群等)增加，对循环水的运行构成危害，可通过氧化、非氧化杀菌剂交替投加(一般质量浓度控制为100～150 mg/L)，防止菌类产生抗药性(具体加药方法参照前文表述)。

3 循环水的近零排放

正元氢能是以化肥生产为主的企业，循环水有两套装置，其中合成氨、尿素合用一套循环水,空分使用一套循环水。通过源头控制、过程管控、排污回用、承包运营等方法，循环水达到近零排放，并保证系统安全、稳定、环保、高效、长周期运行。

3.1 循环水补水水质

循环水补水由地表水改为反渗透淡水(海淡水)，补水水质的提高有利于循环水水质的控制，有利于浓缩倍数的提高[4]。对比地表水的水质，反渗透淡水中总硬度降低、电导率降低(见表2)。

表2 循环水补水水质

补水含盐量降低，有利于循环水的浓缩倍数提高，有利于节水，见表3。

表3 不同浓缩倍数系统的补充水量与排污水量

3.2 循环水排污水回收利用

循环水旁滤系统采用AGF浅层砂过滤器过滤处理，旁流进水占循环水量的5%～8%。自循环水给水管取水，经过过滤器返回凉水池，过滤器压差达到一定程度自行反洗，反冲洗水排入反洗水池，利用提升泵提升至澄清器絮凝沉降，再经多介质过滤器进一步过滤重新回到系统，系统内的污泥经污泥泵排至污水处理污泥池。排污水经过简单处理后回用于循环水系统，达到不排污或少排污的效果，保证循环水系统设备长期运行不结垢、不腐蚀，实现了污水回用循环水系统的近零排放。反洗水进行回收利用流程见图1。