淡化海水在石化行业的应用

2023-09-16陈晓艺

石油化工技术与经济 2023年4期

陈晓艺

(中国石化青岛石油化工有限责任公司,山东青岛 266043)

我国的淡水总量约为2.8×1012m3,占全球淡水资源的6%,而我国人口总数约14亿,占全球人口总数的20%左右,也就是说中国以6%的淡水资源保障全球近20%人口的用水需求,因此中国的淡水资源非常稀缺,积极开发和利用淡化海水资源成为解决这一问题的重要措施。对于石化行业来说水同样非常重要,它是石化行业的重要能耗指标之一,如何更好地利用淡化海水代替淡水成为新的课题。

1 除盐水站进水

1.1 除盐水站基本情况

某炼厂除盐水站建于1999年,采用反渗透+混床的水处理工艺,设计最大生产能力为200 t/h,工艺流程为:系统管网来的原水、排污水回收系统的回收水以及正洗水回收水,经过多介质过滤器、活性炭过滤器过滤后,进入反渗透装置,通过反渗透膜的分离,其中浓水进入浓水罐,部分作为多介质过滤器和活性炭过滤器的反洗用水,其余作为废水排放或回用至循环水系统;剩余的水生成脱盐率为98%左右的产品水,进入中间水箱,然后经过混床进行精脱盐,生成合格的除盐水,进入产品水箱,加氨后经外送泵送至管网,以满足各装置对除盐水的需求。2016年9月,经过施工改造,淡化海水自管网引入;2019年11月将淡化海水管线的材质改造为丙烯酸共聚聚氯乙烯材料(AGR)。

淡化海水新线从淡化海水公司引出后,分成3路进入厂流量表,在联合泵房处与淡化海水旧线以及自来水线碰头,在自来水或者淡化海水出现中断的情况下,能够紧急切换至另一路,确保除盐水站进水供给,稳定生产运行。

1.2 自来水、淡化海水水质对比

自来水和淡化海水水质对比情况见表1。

表1 自来水和淡化海水水质对比

从表1可以看出:淡化海水的电导率仅为自来水电导率的16.5%,硬度仅为3%,碱度仅为10%。总体而言,淡化海水的水质要远远优于自来水水质。

1.3 工艺调整

针对淡化海水水质远优于自来水水质的情况,对除盐水站工艺流程做了调整。

(1)除盐水站装置有两部分预处理设施即多介质过滤器和活性炭过滤器,多介质过滤器主要去除水中的颗粒状杂质、胶体以及能够形成沉淀的其他物质;活性炭过滤器则主要去除水中剩余的胶体、有机物、游离氯等。针对自来水和淡化海水的水质情况,除盐水站在运行淡化海水时,原水预处理只保留一套多介质过滤器设施,停用活性炭过滤器,即进水经过多介质过滤后直接经过保安过滤器进入反渗透装置。

(2)除盐水站在运行自来水时,为了保证预处理系统的降浊过滤能力,需要在多介质过滤器入口处加入聚合氧化铝(PAC)絮凝剂,而除盐水站在运行淡化海水时则停止加注絮凝剂。

(3)除盐水站运行自来水时,鉴于自来水的硬度与碱度都偏高,为了防止碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡等难溶性物质在反渗透装置浓水侧产生沉淀,在过滤器入口前加注阻垢剂,提高难溶物质的溶度积,防止膜表面结垢,加药量为2～4 mg/kg。考虑到淡化海水的硬度与碱度都偏低,在运行淡化海水时,停止加注阻垢剂。

(4)为了防止除盐水送水管道的腐蚀,需要将外送除盐水的酸碱度调整至碱性[1]。该炼厂燃气锅炉给水要求pH为8.8～9.3,除盐水站混床出水工艺卡片控制指标要求电导率不大于5 μS/cm。考虑到除盐水经过注氨调节pH后电导率会有所上升,除盐水站运行自来水时混床出水电导率按照不大于1 μS/cm控制,而运行淡化海水时混床出水电导率按照不大于0.35 μS/cm控制,可以保证锅炉装置水汽各项指标均符合要求。

1.4 除盐水站运行情况

除盐水站进水由自来水改为淡化海水,截止到2022年11月已累计运行两个周期,除盐水站的进水量为100～120 t/h(不考虑排污水、正洗水回收),装置运行平稳,水质可控,降低了混床再生频次,减少助剂的消耗,节省了大量的人力和物力。

(1)除盐水站以淡化海水进水量100 t/h、每年运行300 d计算,除盐水站装置每年可节省淡水资源720 kt。

(2)停用活性炭过滤器,不计算反洗所消耗的浓水量,仅计算每次再生正洗所消耗的新鲜水量,以单个活性炭过滤器连续运行200 h后再生,每次投运3个活性炭过滤器,每次再生消耗新鲜水20 t计算,每年可以节省淡水资源2.16 kt。

(3)停用絮凝剂和阻垢剂加注,以运行自来水时絮凝剂加注量为4 mg/kg、阻垢剂加注量为3 mg/kg计算,可以节约絮凝剂2.88 t/a,节约阻垢剂2.16 t/a。

(4)除盐水站运行自来水时,以4#混床为例,在指标可控的前提下,单次运行处理量为3～5 kt,对于同一台混床而言,运行淡化海水时,单次运行处理量可达12～18 kt。运行淡化海水时混床的处理量约为运行自来水时的3倍,即运行自来水时混床需要每30 h进行一次再生操作,而运行淡化海水时则120 h进行一次再生。以每次混床再生需要消耗反渗透产水10 t、除盐水30 t计算,可以节约新鲜水1.8 kt、除盐水5.4 kt,以每次混床再生需要消耗酸、碱各0.3 m3计算,每年可以节约酸、碱各54 m3。

2 综合塔补水

2.1 除尘脱硫单元基本情况

除尘脱硫单元主要采用新型湍冲文丘里除尘脱硫单元(双循环),进入除尘激冷塔的烟气正常为2×105m3/h,温度为170 ℃左右。除尘激冷塔分为高温过渡段、逆喷段、弯头连接段;综合塔分为消泡器、除沫器、气旋、静电除尘及烟囱等部分。烟气自上而下垂直进入除尘激冷塔,与逆喷段的循环液逆向接触,大大降低烟气温度并使之饱和,饱和烟气进入综合塔进行进一步净化,综合塔的操作温度为60 ℃,操作压力为4 kPa。为了平衡吸收过程中蒸发和排液损失的液体,综合塔需要补充新鲜水以满足工艺要求,综合塔补水量为21.5 m3/h,通过控制补水管道上的调节阀控制综合塔液位。

2.2 淡化海水用作综合塔补水

2016年脱硫脱硝装置综合塔引入淡化海水代替新鲜水作为工艺水,淡化海水线在双脱装置东侧阀门井内与新鲜水管线碰头,可以实现应急状态下的紧急切换。工艺水主要用于综合塔补水、冲洗静电除尘和气旋以及作为余热锅炉防爆水封上水。2020年,将除盐水站反渗透浓水回收至双脱作为工艺水补水,浓水回收流量约10 t/h,淡化海水进工艺水泵流量约12 t/h,以每年运行300 d计算,不计浓水消耗,每年可以节约淡水资源86.4 kt。

3 循环水场补水

3.1 循环水场基本情况

循环水装置共有3座循环水场,分别为1#、2#、3#循环水场,设计规模分别为12 000 m3/h、8 000 m3/h、6 000 m3/h,均为机械抽风逆流式混凝土结构冷却塔工艺。配套设施主要有:水泥骨架玻璃钢结构、带有轴流风机的逆流通风冷却塔、塔底集水池、泵吸水池、循环供水泵、无阀过滤器、监测换热设备、水穏剂加药设施和杀菌剂加药设施等[2]。为了平衡循环水场水分蒸发和排污等损失的液体,循环水场需要补充新鲜水来满足工艺要求。1#、2#、3#循环水场设计最大补水量分别为300 m3/h、200 m3/h、250 m3/h,均设有补水流量表,采用手动阀门补水的方式。

3.2 淡化海水用作循环水场补水

目前1#循环水场的补水水源主要有新鲜水、淡化海水、回用水3种。回用水即双膜产水,其水质情况见表2。

表2 双膜产水水质

目前双膜产水约1 400 t/d,其中1 000 t/d进入1#循环水场,其余进入2#循环水场。循环水场钙硬度和碱度优化控制指标为600～1 200 mg/L。由于淡化海水的钙硬度与碱度都偏低,若只补淡化海水会导致循环水钙硬度和碱度超标,因此需要将自来水和淡化海水调配使用。考虑到目前全厂严峻的节水形势,在满足工艺控制指标的前提下,为减少新鲜水的使用,1#循环水场补水尽量多采用淡化海水进行补水。在淡化海水引入前,循环水补水水源为新鲜水和双膜产水两种。以1#循环水场为例,目前每天补水1 400 t左右,其中双膜产水、自来水、淡化海水的比例约为5∶1∶1,以每年运行300 d淡化海水计算,仅1#循环水场每年即可以节约淡水资源约60 kt。

4 软化水系统

4.1 装置概况

软化水站始建于1982年,原设计为向低压锅炉供应锅炉用水,现主要供催化、常压、加氢、焦化等装置作为冷却水。自来水流经钠离子交换器,水中的钙离子、镁离子与钠离子进行交换,从而达到软化自来水的目的。

4.2 软化水运行

软化水站的原水改为淡化海水时,由于淡化海水硬度较低,水质已经达到软化水的标准,故将离子交换器切出,淡化海水直接进入软化水系统。以软化水出水流量20 t/h、每年运行300 d计算,可节约淡水资源144 kt/a,而每次混合离子交换器再生也消耗部分淡水,则软化水站每年可节约淡水资源约148.5 kt。

5 存在问题

5.1 腐蚀问题

由于海水属于强腐蚀性介质,虽然淡化后的海水其腐蚀性、离子浓度明显降低,但仍具有比淡水更强的腐蚀能力,容易导致设备腐蚀发生故障[3]。实际运行中,除盐水站及脱硫脱硝等使用淡化海水的装置其管线出现漏点的频次增加,同时面临着严重的结垢问题,尤其是脱硫脱硝废水单元工艺水线和余热锅炉防爆水封上水线,由于流速慢、流量小,腐蚀尤为严重。

5.2 区域限制

淡化海水应用存在区域限制,海水淡化需要充足的海水资源,因此淡化海水公司通常需要建设在海岸线附近。如内陆地区离海岸线较远,开展淡化海水的利用也将受到限制;而某些地区没有具体的政策支持淡化海水的推广和利用,也会导致淡化海水的应用受到限制。

5.3 成本与技术局限

海水淡化技术成本较高,设备和设施需要大量投资,同时还需要消耗大量的能源;海水中的盐度、硬度、碱度都较高,需要采用超滤、反渗透等高水平的技术进行处理,这些处理过程都会产生较高的能耗;海水淡化过程中,为了保证水在长距离的流动过程中保持足够的压力和流速,需要高压泵等提供动力,造成电能的消耗。随着技术的发展,我国海水淡化成本为5～8元/m3,已接近世界平均成本,但与自来水的价格相比仍然偏高[4]。

5.4 对环境的影响

大规模的海水利用,将产生大量的浓盐水,盐度作为海洋重要的生态指标之一,对海生生物的生长繁殖均有重要的影响。在海洋生态系统中,海洋生物对盐度的变化较为敏感,而海水淡化的处理过程,可能改变原本自然的海洋盐度分布,从而影响生态系统的平衡,甚至破坏特定海洋区域,因此,盐水排放的问题必须引起重视。在实践中,已经采用了多种盐水排放的措施和方案,如将盐水直接输送到远离海洋生态系统的区域进行地下注入,或通过蒸发、结盐等方式对盐水进行处理。