化工凝结水回用工艺技术研究与应用

陶正兴

（中电环保股份有限公司，江苏南京 211102）

化工企业在生产过程中会产生大量蒸汽凝结水，凝结水一般分为工艺凝结水和透平凝结水两大类。其中工艺凝结水是在工艺生产中产生的，一般经过解析、水解得到的，水质一般较差；透平凝结水是推动汽轮机做功的蒸汽在释放能量之后，由于温度、压力降低而凝结出来的一部分冷凝水，水质相对较好。凝结水中，尤其是工艺凝结水中因反应器、换热器泄漏等因素导致水质中含有油类物质、铁离子和其他有机物等，而且部分凝结水电导率超标，凝结水无法直接回用于锅炉系统[1]。此外，凝结水水温一般较高，若直接排放或者降级处理，会导致资源的浪费和环境的污染。

凝结水回收利用不但能节约能源，还能节约水资源；此外，还能减少其余热和水质对环境的污染，同时降低企业用水成本。随着水资源的紧缺，凝结水的回收和利用逐渐得到国家和企业的重视，很多企业在考虑如何回收利用凝结水资源，凝结水处理的工艺也在探索中逐渐成熟。

本文通过对某生产乙二醇的化工企业生产中产生的凝结水进行处理的工程设计进行研究和分析，为凝结水处理的工程设计提供设计参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

本项目进水水源为乙二醇化工企业生产中产生的工艺凝液和透平凝液，具体水质见表1。

表1 设计进水水质

1.2 工艺流程

本项目凝液处理后要达到《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》DL/T 12145—2016补给水水质质量标准。结合进出水水质，采用以下工艺流程：

工艺凝液精制流程：工艺凝液→板式换热器2→板式换热器3（保安）→凝结水箱→凝结水泵→过滤器→前置阳床→混床→脱盐水箱；

透平凝液精制流程：透平凝液→板式换热器1→板式换热器4（保安）→过滤器→混床→脱盐水箱。

对于工艺凝液，温度较高，约140℃，综合考虑后端处理设备的投资成本和运行成本，采用两级换热的形式，将温度降低至40℃以下。为保证混床的运行周期，在进入混床之前设置过滤器，降低回水中铁含量、有机物等，过滤器出水进入前置阳床除盐后再进入混床中进一步除盐，最终出水满足要求。

对于透平凝液，温度约60℃，和工艺凝液处理系统一样，采用两级换热后进入后端处理工艺。透平凝液水质较好，直接通过混床处理即可满足最终出水水质要求。

1.3 系统设计

本工程凝液精制系统包括板式换热器1、板式换热器2、板式换热器3、板式换热器4、工艺凝液水箱、透平凝液水箱、凝结水泵、过滤器、前置阳床、高速混床等。

1.3.1 换热器

（1）板式换热器1、板式换热器2与脱盐水制备装置共用。

（2）设置2台冷媒出力为 200m3/h的板式换热器4作为板式换热器1的串级换热器，冷媒为循环水，进水温度32℃，出水温度 42℃，用来冷却通过板式换热器1的透平凝液，通过调节循环水量使透平凝液的温度满足凝结水精制系统混床进水温度要求，系统各点温度及流量由通过计算平衡后给出。换热面材质为SS316。

（3）设置 2 台冷媒出力为 225m3/h的板式换热器3作为板式换热器2的串级换热器，热媒为通过板式换热器2的工艺凝液，冷媒为循环水，通过调节循环水量使出水工艺凝液的温度满足凝结水精制系统混床进水温度要求，系统各点温度及流量通过计算平衡后给出。换热面材质为 SS316。

1.3.2 过滤器

过滤器采用大通量滤芯，具有纳污量大、寿命长、易更换的特点。通过滤层的作用可以去除水质中的铁离子、有机物等污染物，保证后端离子交换器的进水水质。单支滤芯流量为20~40m3/h。分别设置3套（2用1备）工艺凝液和3套（2用1备）透平凝液过滤系统，系统配置以及各设备规格参数为Q=225m3/h（工艺凝液）/Q=200m3/h（透平凝液）。根据进出水压差或者产水水量来判断滤芯是否污堵或者需要更换。正常滤芯压差小于等于0.05MPa，最大运行压差控制在0.1MPa以下。

1.3.3 前置阳床

设置 4 台φ2 800mm的前置阳床（3用1备），每台正常出力为 150m3/h，运行流速为 20~30m/h。采用体内再生，树脂高度为1 600mm。选用碳钢衬胶材质。进水装置为十字多孔管型式，碱液分配装置为支母管式，中间排水装置为梯形绕丝支母管式，材质为SS316L。

1.3.4 混床

分别设置 3台（2用1备）工艺凝液和3台（2用1备）透平凝液混床，直径均为φ2 500mm，每台正常出力分别为225m3/h（工艺凝液）和200m3/h（透平凝液），运行流速为45.9m/h（工艺凝液）和40.8m/h（透平凝液）。采用体内再生，混床采用大孔树脂，其中阳离子交换树脂填高为500mm，阴离子交换树脂填高为1 000mm。混床采用立式圆柱形、碳钢制作，立式安装。进水装置为十字多孔管型式，碱液分配装置为支母管式，中间排水装置为梯形绕丝支母管式，材质为SS316L。

1.3.5 再生系统

前置阳床和混床均采用盐酸和氢氧化钠再生。系统配套卸酸碱、酸碱贮存、计量系统以及酸雾吸收器、安全淋浴器等设备。再生用酸碱来自汽车运输酸、碱槽车，经卸酸碱装置输送到酸、碱贮存罐。酸碱储罐容积均为25m3。

酸、碱计量采用计量箱、酸碱喷射器计量。前置阳床和混床设置酸、碱计量箱和酸、碱喷射器各一套。酸碱计量箱均为2m3，在喷射器出口设置酸碱浓度计对再生液浓度进行监测，确保再生效果。酸碱计量系统的设计能实现离子交换器的自动再生。再生流速按照3~5m/h设计。

2 运行结果

采用“换热器+过滤器+离子交换器装置（前置阳床+混床/混床）”处理凝液后，系统产水水质满足锅炉补给水进水水质要求，系统运行稳定，离子交换器再生频率低，再生酸碱用量节省。具体产水水质如表2所示。

表2 产水水质

说明：离子交换器除盐机理如下：

混床作为除盐处理措施，它同时去除阳离子和阴离子，混床内会发生以下反应：

由于混床是将阴、阳离子交换树脂均匀混合在一起，在一台交换器内同时完成阴、阳离子交换过程，当有水通过混床时，上述的三种反应式同时瞬间、彻底地发生。通过这种方式，水中大量离子可以被迅速置换、去除。混床可以认为是大量的强酸阳离子交换器+强碱阴离子交换器，所以出水水质上乘即电导率≤0.2µS/cm，SiO2≤20µg/L，能满足锅炉补给水进水水质要求。

混床再生时，利用阴、阳离子交换树脂的比重差，反洗分层后分别再生。混床树脂的再生水平直接影响产水的水质。混床再生时，树脂的反洗分层彻底，进酸碱液的流量匹配，再生液清洗干净，再生好的树脂混合均匀等，这些均影响混床的出水水质。因此，工艺设计、调试和运行时候需要严格按照要求控制好再生这一重要步骤，避免因为再生不彻底影响系统的正常运行。

当混床投入运行前，先进行正洗，正洗采用前级产水，正洗不但可以清洗掉再生产物，还可以将残留的再生废液冲洗干净，从而避免污染物和再生废液对系统运行产生影响。正洗出水电导率合格后系统方可投入运行。正常情况下混床需要设置一台备用。当一台混床失效时（混床出水硅或电导超标），停运该台失效混床并手动进行再生，备用混床投入运行。此时的系统出力不变。

考虑工艺凝液进水水质一般较差，在进入混床处理前会先设置前置阳床对进水离子进行去除。前置阳床内装载有阳树脂，当有水通过前置阳床时，阳离子会被H+离子置换，发生下列化学反应：nRH+ Mn+=RnM+nH+

经过前置阳床处理后的水质中离子含量减少，可降低混床的再生周期。前置阳床的出水经过混床进一步处理，可确保工艺凝液出水水质指标满足要求。

3 结论

系统采用“换热器+过滤器+离子交换器装置（前置阳床+混床/混床）”处理凝液，出水水质稳定，符合《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》DL/T 12145-2016补给水水质质量标准。冷凝液回收用作脱盐水后，不仅具有显著的节能降耗作用，还能节约资源，降低排污量，减少对生态环境的污染。

凝结水产生途径不同，来液的品质有好有坏，采用分质处理方式。凝结水处理要根据水质有针对性地设置工艺设备，设计时需要综合考虑各种可能存在的污染物。对于透平凝结水，在进水端设置监测仪表，当水质较好时，可以设置超越管道直接进入除氧器系统；当进水中含有一定污染物，水质不太好时，要经过过滤器处理后才能进入混床装置进行处理，出水才可以满足锅炉补水要求。

对于工艺凝结水回收时需要考虑以下几点：①要充分利用凝结水余热。工艺凝液温度一般较高，在100℃以上。化工企业内除凝结水回用外，大多有除盐系统，用于锅炉补给水用，可利用凝结水的水温对原水进行加热。②考虑工艺凝结水水质较差，前端除铁、除有机物措施必不可少。目前处理措施较多，有类萃取技术、复合双层膜技术、膜技术、除油除铁过滤器技术等，[2]需要根据进水水质、投资成本和运行成本综合选取一种或者多种技术进行组合。③从成本节约角度考虑，一般后端处理设备如混床装置内部采用衬胶工艺，常规树脂为非耐高温树脂，凝结水水温需要降低至40℃以下，以免造成后端设备损坏。为保证降温效果，采用两级换热器串联运行。当原水作为冷源不够时，再采用循环水作为冷源进行换热。④低温的凝结水在管网内输送，减少管网内二次蒸汽的产生，既有利于凝结水的输送，又可减少管线的投资。[3]⑤一般凝液来水温度较高，管道和阀门材质需要考虑耐高温材质，且需要采用保温隔热措施，防止对人员烫伤。在管道设计时需要考虑保温层厚度，考虑管道支架的安装空间等。

通过本系统运行情况可知，凝结水处理系统设计和运行时重点需要考虑以下因素。

1）确定凝结水进水水量、水温、水质和压力等参数尤为关键。目前很多化工企业在设计凝结水处理系统时，原化工生产线还未建设，对于凝结水水量、水温、水质和压力估算存在不准确现象，因此设计时需要认真复核，要考虑一定弹性空间，避免设备冗余过多或者设备出力不足，导致设备无法正常运行，产水指标无法满足的现象。

2）进水温度控制。进水水温通过进水换热器进行控制，换热器的选取和程序控制尤为重要。一般工艺凝液进水水温较高，建议设置2台换热器串联运行。工艺凝液优先采用除盐水作为冷源，当冷源不足时，采用循环水作为补充冷源，以确保凝液温度能降低至40℃，可节约循环水水量。透平凝液水温在60℃左右，一般采用原水作为冷源，对凝液进行降温，但是需要考虑夏季原水水温高的情况。因此，透平凝液换热器设计时将循环水作为补充水源，换热器既要满足夏季运行工况，也要满足冬季运行工况。系统设计时建议循环水来水侧设置气动调节阀门，和凝液出水温度进行联锁控制，以便有效控制凝液出水温度。换热器的设计要考虑一定的富余量，避免水质水量波动对系统的冲击，满足后端设备进水水温的要求。

3）进水水质指标检测。凝结水中金属污染物主要是由二价可溶性铁和三价不溶性铁组成。金属污染物不但降低了锅炉的热效率，而且会导致锅水品质变差。凝结水中油类，一般大都是烃类，分子量在50~1 500，主要以少量的溶解油和乳化油形式存在[4]。凝结水处理系统中进水金属物质、油类物质或其他有机物，会导致混床水质受污染，降低树脂的工作交换容量，缩短混床的工作周期，增加混床的再生频率。因此，除有机物、除铁是凝结处理的关键技术。[1]为确保工艺能正常运行，需要增加监测仪表，严格控制进水水质。建议设置事故排放池，若水质严重超标，将水质直接排放，降低后端处理工艺的风险，保护后端设备。