不同水质补充水对循环水系统的影响分析

权开玉，孙 海

（陕西金泰氯碱化工有限公司，陕西 榆林）

陕西金泰氯碱化工有限公司（以下简称“金泰氯碱”） 是陕西投资集团有限公司控股的氯碱化工企业，成立于2003年12月，一期装置建设规模为10 万t/a 聚氯乙烯、10 万t/a 离子膜烧碱，于2005年建成。 二期装置建设规模为15 万t/a 聚氯乙烯、10万t/a 离子膜烧碱，于2014年建成投产。经过扩能改造， 目前公司一二期装置产能达到30 万t/a 聚氯乙烯、23 万t/a 离子膜烧碱。 金泰氯碱一二期装置各配套1 套循环水系统，水处理系统包括生活水处理系统、 无机废水处理系统及有机污水处理系统，2016年新建一套浓水深度处理装置，以上4 套水处理装置处理过的水全部回用， 实现了废水 “零排放”。 以下是金泰氯碱不同水质的水回用至循环水系统对系统造成的影响分析及改进措施。

1 回用水及循环水系统

1.1 生活水处理系统

生活水处理系统采用厌氧和好氧相结合的生化处理工艺，出水再经过曝气生物滤池进行深度生化处理，最后废水经过纤维球过滤器过滤后出水达到中水回用标准，经中水回用泵送到循环水系统。

1.2 无机废水处理系统

无机废水处理系统用来处理化水和循环水系统排放的工业废水，经过多介质过滤器和活性炭过滤器处理后，再经反渗透装置过滤，产生清水回用至化水和循环水，浓水送到浓水深度处理系统。

1.3 有机污水处理系统

有机污水处理系统处理聚氯乙烯干燥装置送来的离心母液水，经过凉水塔冷却后，进入初沉池，大颗粒有机物沉淀后经离心机分离，废水再采用厌氧和好氧相结合的生化处理工艺进行二级处理，出水经臭氧氧化深度处理，最后经过纤维束和活性炭过滤器后出水达到中水回用标准，经中水回用泵送到循环水系统使用。

1.4 浓水处理系统

浓水深度处理系统是将无机污水装置的一次浓水、电石渣浆按照比例输入反应池中，用氢氧化钠溶液在反应池调节一次浓水的pH 值， 将反应后的污水输入斜管沉降池进行固液分离，上清液输入双膜工序机械过滤器、自清洗过滤器和超滤装置进行预处理，最后经过反渗透装置，清水与无机清水一同回用，二次浓水回用至采卤工序注井化盐。

1.5 烧碱装置废水系统

烧碱装置排循环水系统回用水主要是固碱蒸发产生的二次蒸汽冷凝液，除一部分用于离子膜电解阴极用水外，剩余部分经冷却后作为机泵机封水排地沟再进入循环水系统。

1.6 循环水系统

循环水系统运行参数见表1。

表1 循环水系统运行参数

2 腐蚀或结垢判定及金属腐蚀机理

2.1 腐蚀或结垢判定

换热器传热表面结垢主要成分是碳酸钙，在适当的条件下也会出现磷酸钙和硅酸盐结垢，以碳酸钙为例，其动平衡关系如下。

根据以上平衡关系， 朗格利尔提出了饱和pH和饱和指数（LSI）概念，以判断碳酸钙在水中是否会析出结垢，并据此提出加酸或加碱的方法来控制水垢的析出。

以上动平衡关系中，如果碳酸钙在水中呈饱和状态，则反应（1）、（2）、（3）式处于平衡状态，此时水的pH 称为该水的饱和pH 值，以pHs 表示。

LSI=pH-pHs＞0结垢

LSI=pH-pHs=0不腐蚀不结垢

LSI=pH-pHs＜0腐蚀

为了更准确地判定是腐蚀性还是结垢性水质，提出结垢指数（RSI）概念，RSI=2pHs-pH。

RSI=2pHs-pH＜6结垢

RSI=2pHs-pH=6不腐蚀不结垢

RSI=2pHs-pH>6腐蚀

2.2 碳钢金属腐蚀机理

碳钢金属与水接触时会形成许多微小的腐蚀电池（微电池），其中活泼部位为阳极，不活泼部位为阴极。 在阳极区，碳钢氧化生成亚铁离子进入水中，并在金属基体上留下两个电子。 与此同时水中溶解氧则在阴极区接收来自阳极区的两个电子，还原为OH-，电极反应式如下。

亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时就会生成Fe（OH）2沉淀，即，如果水中溶解的氧比较充足，则Fe（OH）2会进一步氧化，生成黄色的Fe2O3·H2O；如果水中氧不足，则Fe（OH）2进一步氧化成绿色的水合四氧化三铁或黑色的无水四氧化三铁。

由以上腐蚀机理可知，造成金属腐蚀的是金属的阳极溶解反应。

2.3 氯离子对金属腐蚀的影响

钢材发生孔蚀时，铁在蚀孔内溶解，生成的亚铁离子（Fe2+）在蚀孔内产生过量的正电荷，使氯离子迁移到蚀孔中，产生高浓度的FeCl2，FeCl2水解得到高浓度的Cl-和H+，反应式如下。

氯离子和氢离子能促进多数金属和合金的溶解，氧在蚀孔溶液中的浓度实际为零，所以溶解氧在阴极的还原过程是在蚀孔附近的金属表面上进行的，这部分表面成为腐蚀电池的阴极区而不受腐蚀，冷却水中大多数孔蚀与卤素离子有关，例如氯离子、溴离子和氯酸根离子等。

3 不同用水水质分析

3.1 一次水（见表2，图1）

图1 一次水RSI变化趋势图

表2 一次水水质数据表

当RSI=6 时，水质稳定；当RSI＜6 时，水质为结垢性水质；当RSI>6 时，水质为腐蚀性水质。 一次水RSI 稳定指数平均值为6.14，接近稳定状态。

3.2 有机中水（见表3，图2）

图2 有机中水RSI变化趋势图

表3 有机中水水质数据表

从表3，图2 可以看出，有机中水RSI 稳定指数最低值为7.64，平均值为8.90，均大于6.0，为腐蚀性水质。

3.3 无机清水（见表4，图3）

图3 无机清水RSI变化趋势图

表4 无机清水水质数据表

从表4，图3 可以看出，无机中水RSI 稳定指数最低值为7.36，平均值为8.99，均大于6，为腐蚀性水质。

3.4 生活中水（见表5，图4）

图4 生活中水RSI变化趋势图

表5 生活中水水质数据表

从表5，图4 可以看出，生活中水RSI 稳定指数最低值为5.96，平均值为6.38，为腐蚀性水质。

3.5 烧碱蒸发回用水（见表6，图5）

图5 烧碱蒸发回用水RSI变化趋势图

表6 烧碱蒸发回用水水质数据表

从表6、图5 可以看出，烧碱蒸发回用水浊度平均值15.44 NTU，过高，RSI 稳定指数最低值为4.02，平均值为4.25，为结垢性水质。

4 补水水质分析

4.1 循环水水质分析

（1）一线循环水水质分析（见表7 和图6）

图6 一线循环水RSI变化趋势图

从表7、图6 可以看出，一线循环水在1-3月为腐蚀性水质，4-8月为结垢性水质。

（2）二线循环水水质分析（见表8 和图7）

图7 二线循环水RSI变化趋势图

表8 2022年1-8月二线循环水水质数据表

从表8、图7 可以看出，二线循环水在1-3月为腐蚀性水质，4-8月为结垢性水质。

4.2 各种补水在不同浓缩倍数下的RSI 值分析（见表9，图8）

图8 各种补水在不同浓缩倍数下的RSI值变化趋势图

表9 各种补水在不同浓缩倍数下的RSI数据表

从表9，图8 可以看出，当浓缩倍数不同时，各种补水水质的性质会发生变化， 当浓缩倍数较小时，RSI 值大于6，易产生腐蚀。

5 各种水质补水对循环水系统的影响分析

从以上5 种补水水质稳定指数RSI 可以看出，一次水和烧碱蒸发回用水属于结垢性水质，有机中水、无机清水和生活中水属于腐蚀性水质。5 种补水在不同时间段内循环水系统加入比例不同，会导致在特定时间段水质的稳定性状态不同，循环水水质在1-3月为腐蚀性水质，4-8月为结垢性水质，循环水水质变化大。 生活中水浊度平均值26.27 NTU，固碱回用水浊度平均值15.44 NTU，浊度过高，导致一线循环水浊度升高，排污水量大。 循环水系统有机磷浓度有小于3 mg/L 的情况，低于指标值，有机磷平均浓度偏低， 导致缓蚀阻垢剂有效成分下降，缓蚀作用降低，系统腐蚀加剧。

6 循环水系统水质管理提升措施

（1）根据水质稳定指数RSI 对循环水各种补水量比例进行调整，将RSI 控制在5.7～6.0 范围内，一线尽量用有机中水和无机中水， 减少一次水用量，二线主要用有机中水和无机中水，可适当补加一次水，调整RSI 稳定指数，控制循环水中氯离子浓度。

（2）控制循环水补水量和排污水量，控制循环水的浓缩倍数为3.0～4.0 倍， 循环水补水和排污流量不宜波动过大，以保证循环水的各项指标稳定。

（3）选择性能适合公司循环水水质的缓蚀阻垢剂，要求其耐氧化、缓蚀阻垢性能良好，缓蚀阻垢剂添加量应控制得当，以保证其缓蚀阻垢性能。

（4）烧碱蒸发废水pH 值应控制在6～9，浊度应不大于5 NTU，当进碱后应进行中和处理，为避免循环水中氯离子浓度升高， 废水应进入采卤工序，注入盐井化盐。

7 结语

生产中不同的水质补水对循环水水质的影响较大， 结垢性水质导致传热设备导热系数降低，传热效率下降， 腐蚀性水质又加剧了传热设备腐蚀，影响使用寿命。 因此，在使用补充水时要根据其水质是结垢性还是腐蚀性实时调整补水量与补水种类，同时选择使用合适的缓释阻垢剂，使循环水系统在较好的状态下运行。