水质控制与节水一体化装置在大榭石化的应用

＊陈华 陶蕾

（1.中海石油宁波大榭石化有限公司 浙江 315812 2.中海油天津化工研究设计院有限公司 天津 300131）

引言

中海石油宁波大榭石化有限公司（以下简称大榭石化）馏分油综合利用项目（以下简称三期项目）于2013年开工建设，2016年6月各装置进入全面生产阶段，该项目主要针对原油进行深度加工，生产高质量的国V柴油、航空煤油以及苯乙烯、丙烯、丙烷等高附加值化工产品，年产量达700万吨。该项目循环水场自2016年2月开始投用，循环量为42000m3/h，为420余台的换热器及机泵冷却器提供换热。

为了实现石化企业节水减排的目标，缓解企业用水压力，循环水系统补水以大工业水（姚江水）、污水回用中水为主，并辅以季节性的雨水回用水作为补充，但该多元化的补水方式导致了水质条件的复杂化，其水质指标如硬度由30mg/L至150mg/L波动，碱度由35mg/L至120mg/L波动，枯水期和丰水期的电导率则相差200～300μS/cm。补水水质阶段性波动直接造成循环水水质波动较大，同时增加了循环水水质控制难度，使得循环水系统浓缩倍率普遍降低至3倍左右，总补水率高达约1.2%，水处理药剂消耗量大，循环水系统的细菌控制难度增大，影响循环水场长周期稳定运行。

为了更大程度挖掘企业节水潜力，实现循环水污水减排和处理药剂减量化目标，大榭石化与中海油天津化工研究设计院有限公司（以下简称天化院）合作开发并建造了1套“电化学-电渗析”相结合的水质控制与节水一体化装置（以下简称一体化装置），该装置包括一套过滤系统（一台多介质过滤器、一台活性炭过滤器和1台布袋式保安过滤器）、6台电渗析（EDR）装置、6台电化学（ECW）装置、2台储水罐和4台增压水泵。一体化装置投用后实现了循环水系统浓缩倍率≥6倍运行，与无项目比综合节水≥50万吨/年，药剂量减少30%的研究目标，同时循环水冷却器维修数量大幅下降，对于企业实现环保节能、节水减排、降低生产成本具有重要意义，同时也为石油炼化企业污水处理提标与减排提供一种可靠的技术选择。

1.三期循环水系统概况

大榭石化三期循环水系统设置冷却塔9座，设计总循环水量为45000m³/h，温降10℃，出水压力0.45MPa，出水温度33℃，回水温度43℃。设置循环水泵10台，包括8台大泵（单泵Q=6700m³/h，H=50m）和2台小泵（单泵Q=3400m³/h，H=50m）。系统补水以大工业水（姚江水）、污水处理场含油回用水和超滤反渗透产水为主。2018年12月以前为冷却塔8台运行，2019年1月首次大检修后投用了1座备用冷却塔改为9台运行，实际循环水量由38000m³/h提高至42000m³/h，系统补水中增加了约40万吨/年的全厂回收雨水，该循环水系统存在补水水质复杂，水质波动大且用户端冷却器材质各异、数量庞大、介质侧组分和使用情况复杂，易发生各类物料泄露的问题。

2.一体化装置工艺及原理

(1)工艺方案

一体化装置依托大榭石化三期42000m3/h的循环水系统开展工艺设计以及工程化建设，原设计进水为循环回水的旁滤出水，但考虑发生物料泄漏情形冲击，为保证一体化装置稳定运行，将进水改为循环水给水，设计处理能力为100t/h。为进一步提高进水稳定性，进电渗析装置前设置一台多介质过滤器、一台活性炭过滤器和1台布袋式保安过滤器，以去除微生物黏泥、固体颗粒及余氯对电渗析膜的影响。进水经过电渗析膜，约一半的水经过脱盐后直接补充至循环水系统，另一半经浓缩后的水则进入电化学装置。电化学装置对浓水进行高效的脱硬除盐，形成钙镁盐颗粒排出电化学装置，脱硬后的水则继续补充至循环水池。一体化装置工艺方案流程示意图见图1。

图1 一体化装置流程示意

(2)电渗析技术原理

电渗析技术是一个基于选择性膜的电化学分离过程。电渗析设备由阴阳电极板与交替放置的阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，含盐溶液在阴阳离子交换膜之间流过，由此形成了靠近电极板的两个极室、多组淡水室和浓水室。含盐溶液在外加直流电场作用下，以电位差为驱动力，利用离子交换膜对溶液中离子进行选择透过，使溶液中溶质和溶剂进行了分离，从而达到淡化或浓缩的目的。

EDR在运行过程中，它是靠电能来迁移水中己解离的离子，因此它耗用的电能是和水中含盐量成正比的，去除效果与进水水质、进水温度、运行电压、电流、进水流量、流速、倒换电极时间、膜面积等参数有关。优化运行参数，控制操作电流低于极限电流密度，尽可能提高膜面流速，可以减少膜污染、降低能耗、提高电流效率等。

(3)电化学水处理技术原理

电化学水处理技术是在外加电场作用下，利用电化学阴阳极的氧化还原反应。在阴极区产生强碱区，实现对钙镁等成垢离子的去除，在阳极区产生氯气、次氯酸等氧化性物质，实现杀菌作用。经过以析氯电位、析氧电位、电催化活性面积等评价参数作为电极性能的评价参数的关键技术研究表明，以稀有金属制成的复合电极电催化活性表面积更大，电流效率更高，电能消耗更低。而增大停留时间和提高电流则能有效提高除硬效果和余氯产生量，但水体在设备内停留时间的延长与设备固有体积以及流速有关，综合处理成本以及处理效率考虑，氯离子浓度宜大于400mg/L，停留时间为10min。

(4)工艺节水原理

经过滤预处理后的循环水给水进入EDR装置进行分盐处理，脱盐产水回到循环水池，浓水进入电化学装置进行除硬除碱，同时进行杀菌，电化学产水全部回到循环水池，钙镁垢以固体形态从电化学装置析出。整个系统水量回收率＞98%，仅有部分EDR反洗水和随垢移走的水量损失。

本工艺将EDR浓水作为电化学进水，可大幅提高电化学的处理效率，减少电化学装置的规模和能耗。整体运行后，可控制整个循环水系统的硬度碱度达到合理范围，在专有配套无磷水处理剂的共同作用下，实现系统高浓缩倍率工况下的安全稳定运行；不仅可以大大减少排污量和补水量，可少减缓蚀阻垢剂用量和大量杀菌剂的需求，同时对系统的设备保护效果也大大提升。

3.一体化装置运行效果

(1)循环水系统节水情况

一体化装置从2019年3月开始试运行，对比一体化装置投用前后补水率可以看出，补水率由1.2%降至0.91%，降低了0.29%，循环水量由2018年的38000m3/h升至大修后42000m3/h计算，年运行时间按8640小时计，每年节约补水量约105万吨。图2为循环水系统补水率的变化趋势图。

图2 循环水补水率变化趋势图

(2)循环水水质监测状况

经过装置的长周期运行，循环水系统实现了高浓缩倍率（≥6.0）运行，浓缩倍率由装置运行前的3.1倍提升至7.1倍，循环水各项指标达到Q/SH 0628.2—2014《水务管理技术要求-第二部分：循环水》要求。表2为一体化装置投用前后循环水水质监测数据。

表2 一体化装置运行前后循环水水质监测数据

(3)水冷器检维修情况

技术投用后有效的控制了循环水水质，保护系统设备管路，降低腐蚀和结垢，水冷器检维修频次由2018年的年检修31次，降为2019年的年检修3次，检修频次大幅降低，从而延长各设备的使用寿命和换热效率保障炼油装置的长周期运行，带来可观的间接经济效益。

(4)一体化装置运行效果及分析

实测运行一年的进出水质，电渗析装置平均进水电导率为2225μS/cm，TDS为1234mg/L；出水电导率为1034μS/cm，TDS为519mg/L。电化学装置进水细菌总数为每毫升3.14×104个，余氯为0mg/L；产水细菌总数为0，产水余氯为1.05mg/L。从数据上验证了电渗析装置能达到53%以上的除盐率，电化学装置则能有效地将水中氯离子转化为余氯，并起到良好的杀菌效果，减少次氯酸钠药剂、非氧化杀菌的投入30%。

4.经济效益评价

经核算，增设一体化装置后大榭石化三期循环水系统每年节约工业用水成本379.33万元，节约排污废水处理费用301.95万元，单位处理水处理药剂量降低了30%以上；更加有效的控制水质，保护系统设备管路，降低腐蚀和结垢，从而延长各设备的使用寿命和换热效率，水冷器检维修频次降低90%；一体化装置的投用，每年可产生直接经济效益约930.51万元。

5.结论及建议

一体化装置在大榭石化三期循环水系统的成功应用，证明该技术应用在大型循环水系统是经济可行的，同时具有良好的社会效益，对于企业实现环保节能、节水减排、降低生产成本、实现长周期稳定运行具有重要意义，为提高企业的资源综合利用水平发挥重要作用。但一体化装置在制水率、电渗析化学清洗频次和膜的寿命、过滤器的过滤精度和反洗频次、装置占地集成等方面尚有改进空间，建议从模块化、系统化、智能化角度考虑，实现迭代更新开发，并在新建项目和同类行业中推广使用。