循环水电脱盐设备在轻烃回收装置的应用

欧阳诗昆 王 牧 胡 璐 王 雷 贾晋锋 栾雪莹

（长庆油田第十二采油厂）

庄二联轻烃回收装置配套有120 m3/h的开式循环冷却水系统，该系统使用洛河层井水作为补水，运行过程凉水塔结垢严重，约2～3个月就需要清垢，严重影响轻烃回收装置的平稳运行。为此，庄二联轻烃厂组织技术攻关小组，开展循环水电脱盐技术应用研究，开发了循环水电脱盐设备。该设备能将成垢离子从循环冷却水系统中去除，实现除垢阻垢、净化水质的目的，从根本上解决循环冷却水系统凉水塔结垢问题。

1 循环水电脱盐设备

循环水电脱盐设备（图1）主要由脱盐器、二次反应净化器、泵、控制器及管路等组成，其运行电源电压380 V，装机功率15 kW，运行功率8 kW，具备就地手动、自动、远程控制方式。通常在循环冷却水系统的回水管上开旁路安装，或直接在凉水塔中取水，经设备处理后再回到凉水塔。

2 电脱盐除垢技术原理

循环水电脱盐设备采用电物理化学除垢方式，在电场作用下发生电化学反应去除循环水中大部分成垢离子，控制循环水总硬度、pH值与碱度，减缓循环水系统结垢和腐蚀，提高循环水浓缩倍数，减少排污量。电脱盐除垢效果与电流密度有密切关系，所以选择合适的电流密度是保证除垢效果的关键。二次反应净化器的主要作用是让在脱盐器中未反应的成垢离子充分接触并发生成垢反应，进而从循环水中去除，达到进一步降低水体硬度、浊度的目的。

电脱盐除垢技术原理如图2所示［1］。

图2 电脱盐除垢技术原理

在循环水电脱盐设备中，阴极附近通过氧还原和析氢的方式来产生OH-从而营造碱性环境，反应方程式如下［2～4］：

循环水中的成垢离子在传质和电场的共同作用下迁移到阴极表面，分别与阴极区域生成的和OH-反应形成沉淀，并沉积在阴极表面，从而使循环水的硬度降低，反应方程式如下：

在阳极发生电化学反应生成H+和羟基自由基（—OH）来营造酸性环境，达到杀菌的目的，若形成的强氧化物质—OH没有被全部消耗，则会产生氧，反应方程式如下［5，6］：

循环水中的Cl-形成强氧化性的ClO-，导致溶液pH值降低，反应方程式为：

循环水中的细菌和藻类会与具有强氧化性的—OH和ClO-发生反应，达到杀菌和灭藻的作用，反应方程式为：

由于缺乏稳定性，—OH只在阳极区域内与细菌和藻类发生反应［5～7］。由于稳定性相对较强，ClO-可以离开阳极区域并扩散到溶液中。因此，处理过的循环水在离开电化学处理区域时仍然具有一定的抑制细菌和藻类的能力，Cl-离子浓度越高的循环水处理后的杀菌、灭藻效果越强。

3 循环水电脱盐设备实施方案

3.1 工艺流程

设备工艺流程如图3所示。从凉水塔出水口取水，经加压泵进脱盐器脱除水中钙、镁等成垢离子，再进入二次反应净化器，进一步反应并脱除机械杂质后返回凉水塔。使用PLC控制器选择就地手动单控、就地自动和远程自动控制模式，设置处理量为30 m3/h。

图3 设备工艺流程

设备正常运行流程为：加压泵→控制阀①→脱盐器→控制阀②→二次反应净化器→控制阀③→凉水塔，其余阀门为关闭状态。

脱盐器清垢流程：控制阀④→沉淀池，加压泵及其余阀门均为关闭状态。

二次反应净化器清洗流程：加压泵→控制阀⑤→二次反应净化器→控制阀⑥→沉淀池。

3.2 现场安装方案

维持循环水系统原有流程正常运行的情况下，从凉水塔下部取水，经循环水电脱盐设备处理后返回凉水塔，脱盐污水经沉淀池沉淀后外排至污水井，脱盐净化水返回凉水塔下部，如图4所示。

图4 设备安装方案

4 运行效果

4.1 电脱盐投运前后水质变化

循环水电脱盐设备投运前：2021-09-01～2021-11-30，每月10、20、30日各分析3次，共检测9次。循环水电脱盐设备投运后：2021-12-01～2022-02-28，每月5、15、25日各分析3次，共检测9次。得到循环水电脱盐设备投运前、后循环水定时、定点取样分析结果如图5～9所示。

图5 浓缩倍数对比

从图5可以看出，循环水电脱盐设备运行后，循环水平均浓缩倍数从2.30提高到4.24，提高约1.80倍。

从图6可以看出，循环水脱盐设备投运后，循环水系统钙离子浓度有了不同程度的降低。

图6 钙离子浓度对比

从图7可以看出，循环水电脱盐设备投运后，总碱度降低幅度较大，最高值从369 mg/L降低至100 mg/L，前10天循环水总碱度下降较快，10天后碱度仅小幅度降低。

图7 总碱度对比

从图8可以看出，循环水电脱盐设备投运后，浊度变化趋势从持续上升到趋于平稳，最高值从1 250控制到10以下，效果显著。

图8 浊度对比

从图9可以看出，循环水电脱盐设备投运前后，循环水pH值变化趋势基本一致，投运后pH值降低了2个单位。

图9 pH值对比

综上，循环水电脱盐设备投运后，循环水钙离子浓度、碱度、浊度、pH值均有一定程度的降低，水体清澈透明，水质明显改善。运行90天后，凉水塔无明显结垢，循环水温度符合工艺要求。

4.2 循环水电脱盐设备投运前、后挂片腐蚀情况

采用挂片法对循环水电脱盐设备投运前、后循环水腐蚀速率进行监测，每月检测一次，得到腐蚀速率数据见表1。其中，挂片型号Ⅰ型；挂片规格50 mm×25 mm×2.0 mm；挂片表面积28 cm2；挂片材质碳钢；挂片位置位于给水总管。

表1 腐蚀速率对比

由表1可知，循环水电脱盐设备投运前，碳钢挂片腐蚀速率均不满足小于0.075 mm/a的要求；循环水电脱盐设备投运后，腐蚀情况得到很好的改善，碳钢挂片分析全部合格，说明循环水电脱盐设备对循环水腐蚀有一定的减缓和抑制作用。

4.3 补水、排水情况

循环水电脱盐设备投运前补水量为2.88 m3/h，排水量为1.25 m3/h；投运后，补水量为2.12 m3/h，排水量为0.50 m3/h。可以看出，循环水电脱盐设备投运后，循环水系统补水量、排污量均有一定程度的下降。

5 运行费用及效益分析

循环水电脱盐设备投运后，大幅减少了庄二联轻烃装置循环水系统的清垢费用，消除了循环水凉水塔结垢导致的循环水温度超标问题，提升了轻烃装置的生产效率，取得了较好的经济效益：

a.电费。设备运行功率8 kW，每度电0.6元，年运行时间为8 000 h，计算得到每年电费约3.8万元。

b.技术服务费。设备更换核心部件等材料费用及其他维护费用共计每年4.5万元。

c.设备折旧费每年10万元。

d.运行费用合计每年18.3万元。

e.节约清垢费用每年40万元，节约水费和污水处理费每年24.3万元。

f.每年增产轻烃192 t，增加效益62万元。

g.每年创造的总效益为62+40+24.3-18.3=108万元。

6 结束语

循环水电脱盐设备在轻烃回收装置中的应用结果表明，循环水电脱盐设备投运后，能有效降低循环水的钙离子浓度和碱度，具有较好的阻垢除垢功能。同时，循环水浊度改善效果明显，能有效净化循环水。自动除垢功能能使循环水处理效果长期稳定，明显减缓循环水的腐蚀速度，提高了设备的使用寿命，减少了凉水塔清洗频率，提高了凉水塔的换热效率，提升了轻烃装置的运行水平。