电吸附技术在石化循环水处理中的应用研究

孙 磊 关志峰 籍志凯 张成军 司树昌 万德福

（山东滨化滨阳燃化有限公司 山东阳信 251800）

一、前言

循环水是石化企业中重要配套公用工程，主要是以水作为冷却介质并循环使用的一种冷却运行系统。在开放式循环水系统中，由于循环水不断蒸发、无机离子和有机物质浓缩、微生物及藻类滋生等诸多原因，产生严重的结垢、粘泥增生和设备腐蚀等水质问题：（1）结垢：主要是碳酸钙不断沉积结垢，导致换热器传热效率降低甚至管道被堵。（2）粘泥增生：开放式循环水冷却塔适合微生物增生，导致换热器中管路堵塞，降低了冷却作用还造成粘泥腐蚀。（3）设备腐蚀：循环水系统中的碳钢、不锈钢、铜材质在长期循环水运行会形成溶解氧腐蚀、垢下腐蚀、氯离子腐蚀等各类腐蚀[1]。

二、化学药剂法

目前传统的水处理方法有化学药剂法，通过连续投加缓蚀剂、阻垢剂或缓蚀阻垢复合剂（一般情况为富含有机磷或无机正磷的聚合物），定期或连续投加氧化性杀菌剂，冲击性投加非氧化杀菌剂，结合旁滤、定期排污置换方式结合控制水质，并按照《GB50050-2017 工业循环冷却水处设计规范》要求进行水质管理。

化学药剂法虽然能够满足循环水水处理的指标要求，但也有较大的缺点：（1）缓蚀阻垢剂以含磷为主，排污时对环境造成一定污染，且磷元素本身会有利于微生物的增生，增加杀菌灭藻的难度。（2）化学药剂具有时效性，跟投加浓度和成分有关，且在水体中有效成分易分解，易失效，效果不稳定。（3）氧化性杀菌剂一般为含氯杀菌剂，余氯过高会增加碳钢腐蚀，非氧化杀菌剂，具有一定毒性，对水生动物有危害。（4）为节约用水，一般循环水高浓缩倍数运行，阻垢效果会变差，循环水仍存在结垢的风险。

总之，化学药剂法不能从根本上解决循环水系统微生物粘泥、结垢及腐蚀问题，无法进一步节约用水，且容易导致二次污染。

三、电吸附技术

电吸附技术耦合了电化学理论与吸附分离技术，广泛用于水的除盐、去硬等。

循环水通过电吸附后在阴极进行阴极电化学反应如下：

在阳极进行阳极电化学反应如下：

反应后阴极板形成钙垢和镁垢，同时水得到电子生成氢气，将容易结垢离子进行有效去除，同时在阳极进行氧化反应，生成臭氧和氯气等气体[2-4]。

四、电吸 附在石化循环水场的应用研究

（一）设备改造

以1 500m3/h循环水场作为电吸附设施研究试点：循环水量为1 500m3/h，温差为5 ℃，保有水量为300 m3。

（1）循环水经过生产装取热后返回冷却塔回水压力为0.2-0.3 Mpa，利用该压力取循环水量的2%-5%通过电吸附设备后再返回循环水系统中，循环水经过电吸附设备处理后水体连续经过净化循环而不断得到处理。

（2）本次改造试验使用上海复禹环保有限公司的2套电吸附设备，具体改造内容如下：①在一期循环水回水管路上增加一DN150管线，分出2个DN80（89*5）分支，并各设置一个切断阀门。②在以上2个支路上安装2套电吸附循环水处理设施，使循环水通过回水压力通过该设备，水体在电吸附技术设备中进行电吸附反应后返回循环水集水池，循返回线需要深度到集水池液面以下0.5 m。③每台设备增加1套流量计用于监测通过设备流量情况，并根据一期循环水的循环水和水质情况调整该流量，同时在循环水挂片器监测循环水腐蚀情况。

图1 试验装置流程图

（二）水质检测

试验确保循环水水质符合GB50050-2017相关水质标准，主要指标及检测方法见表1：

表1 循环水水质检测项目及检测方法标准表

（三）试验情况

1.方案设计

运行电吸附循环水处理设备（运行电流≤200A，电压≤30V），设计了三种试验方案：

（1）方案一：每台运行电流为180A，处理水量为循环水量的4%左右，通过水量为每台设备30 m3/h处理量，共计60 m3/h，运行10天后检测循环水相关数据。

（2）方案二：每台运行电流为180A，处理水量为循环水量的2%左右，通过水量为每台设备15 m3/h处理量，共计30m3/h，运行10天后检测循环水相关数据。

（3）方案三：每台运行电流为200A，处理水量为循环水量的4%左右，通过水量为每台设备30 m3/h处理量，共计60 m3/h，运行10天后检测循环水相关数据。

2.试验结果

对运行后的循环水水质数据进行汇总见表2：

表2 循环水水质检验结果及对比情况

表3 4.5 倍浓缩倍数下氯离子、总碱度、钙硬度对比

表4 5 倍浓缩倍数下氯离子、总碱度、钙硬度对比

表5 循环水碳钢挂片腐蚀速率对比（mm/年）

图2 4.5 倍浓缩倍数下循环水盐含量对比

图3 5 倍浓缩倍数下循环水盐含量对比

图4 三种方案的循环水盐含量对比

3.数据分析

（1）电吸附试验发现运行电吸附后均能够使循环水中盐含量不同程度降低：①浓缩倍数为4.5（方案一：电流为180A，处理水量为循环水量的4%左右），氯离子降低7.41%，总碱度降低31%，钙硬降低55%，电导率降低7.5%。②浓缩倍数为5（方案三：运行电流为200A，处理水量为循环水量的4%左右），氯离子降低8.33%，总碱度降低41.59%，钙硬降低50.88%，电导率降低22.22%。

试验数据表明电吸附设施对于钙硬和总碱度去除能力最大，但氯离子去除能力有限，主要原因可能为氯离子经过阳极氧化反应后生成氯气再融入循环水中，未挥发出去，在水中形成次氯酸进行杀菌作用，因此氯离子去除率有限。

（2）三种方案运行后循环水盐含量的对比表明：①加大电流有利于电吸附的电化学反应，增加电流，循环水的碱度、钙硬、氯离子、电导率均有不同程度去除。②同样电流情况下，通过电吸附的流量越大，对降低循环水盐含量越有利，但不得超过设备运行的额定流量。

（3）表2-5可以看到通过药剂方法仅能够将细菌总数（异养菌）控制在50 000CFU/ML，但通过电吸附设施能够有效将细菌总数降低至10 000CFU/ML以下，主要原因是电吸附阳极反应产生氯气和臭氧，再溶于水对循环水进行有效的杀菌灭藻，效果明显。

（4）循环水水体得到较好的净化，循环水浊度由原来的18NTU降至2NTU，同时对水中COD也得到有效地去除，降低30%以上。电吸附不仅对盐含量降低明显，而且有机物、粘泥的去除效果也相当可观。

（5）碳钢挂片腐蚀速率的监测表明循环水电吸附使用后在碳钢挂片表面形成致密防腐膜，且不易脱落，挂片重量反而出现增加情况，证明电吸附针对循环水的防腐效果明显，防腐蚀效果优于化学药剂法。

五、结束语

电吸附设施科有效降低循环水的钙硬度和总碱度，具有较好的除垢功能，同时使pH略有降低，具有一定溶垢功能，在循环水可代替阻垢剂降低循环水结垢导致的风险。

电吸附设施可以通过电化学反应产生臭氧和氯气对循环水形成杀菌作用，用于代替杀菌剂，同时不对循环水产生二次污染。

电吸附设施通过电化学反应形成羟基自由基，改变形成铁锈的反应机理，形成四氧化三铁致密膜，进一步阻断铁锈的产生，具有防腐功能，用于代替缓蚀剂。

电吸附对于循环水的COD和浊度的去除效果明显，对于净化循环水水质具有较好效果。

综上所述，电吸附设备的在石化循环水系统的应用无论在节约用水还是改善水质均优于药剂管理，是未来循环水水质管理的重要发展方向。