循环水补水比例控制及节水分析

张春艳

(陕西神木化学工业有限公司, 陕西榆林 719319)

在化工装置中,循环水消耗主要为循环水排污和蒸发损失。在为应对水资源匮乏而大力推行节能降耗的大趋势下,降低水耗尤为重要。可通过补充不同的水以及按照一定比例补水,提高循环水浓缩倍数。

1 工艺介绍

循环水主要为空分装置、合成气净化装置、甲醇合成装置、动力装置提供循环冷却用水,设计规模为60 000 m3/h。

循环水装置主要由冷却塔、塔底水池、吸水池、循环给水泵、循环给水泵房、控制室、加药间、旁滤器、监测换热器等组成。来自生产装置的循环回水利用余压上冷却塔,在塔内与空气进行热交换,冷却后的水经塔底进入吸水池,再由循环水泵加压送至各工艺装置冷却换热,换热后的热水回到冷却塔循环使用。

循环水系统换热器分为板式换热器、管程换热器、壳程换热器,其材质为不锈钢、碳钢、铜。循环水系统参数见表1。

表1 循环水系统参数

2 补充水及循环水水质情况

循环水的补充水水质分析数据见表2,循环水水质分析数据见表3。

表2 循环水的补充水水质分析数据

表3 循环水水质分析数据

从表2和表3可知：循环水补水原水的水质较好,盐离子含量较低,矿井水总碱度和钙离子含量偏高;循环水浓缩倍数较低,循环水余氯含量偏低,COD时有超标;浊度随着浓缩倍数升高,浊度接近指标上限。针对以上问题,通过对比补充水水质情况和分析指标控制等措施,达到节约用水、降低能耗的目标。

3 原水、矿井水不同比例混合后水质特点

3.1 原水、矿井水按质量比为3∶7混合

补充水水质稳定指数计算见表4。

表4 补充水水质稳定指数计算

根据碳酸钙结垢计算指数,以赖兹纳指数(RSI)为判断值,其判断结果见表5。

表5 碳酸钙结垢指数判断结果

原水、矿井水按质量比为3∶7混合后,不同浓缩倍率条件下水质状况见表6。

表6 不同浓缩倍率条件下水质状况

原水、矿井水按质量比为3∶7混合后,不同浓缩倍率条件下,其指数及判读结果见表7。

表7 指数及判读结果

从表4～表7可知：原水、矿井水按质量比为3∶7混合后,不加酸条件下,浓缩3．0倍时,其钙硬度+总碱度>1 100 mg/L;浓缩4．0倍以上时,大大超过GB 50050—2007《工业循环冷却水处理设计规范》要求[1],因此不建议采用该比例混合补水。

3.2 原水、矿井水按质量比为4∶6混合

补充水水质稳定指数计算见表8。

表8 补充水水质稳定指数计算

根据碳酸钙结垢计算指数,以赖兹纳指数(RSI)为判断值,其判断结果见表9。

表9 碳酸钙结垢指数判断结果

原水、矿井水按质量比为4∶6混合后,不同浓缩倍率条件下水质状况见表10。

表10 不同浓缩倍率条件下水质状况

原水、矿井水按质量比为4∶6混合后,不同浓缩倍率条件下,其指数及判读结果见表11。

表11 指数及判读结果

从表8～表11可知：原水、矿井水按质量比为4∶6混合后,不加酸条件下,当循环水浓缩倍率为4．0时,钙硬度+总碱度>1 100 mg/L,超过GB 50050—2007要求,系统需要辅助加酸处理。

3.3 原水、矿井水按质量比为5∶5混合

补充水水质稳定指数计算见表12。

表12 补充水水质稳定指数计算

根据碳酸钙结垢计算指数,以赖兹纳指数(RSI)为判断值,其判断结果见表13。

表13 碳酸钙结垢指数判断结果

原水、矿井水按质量比为5∶5混合后,不同浓缩倍率条件下水质状况见表14。

表14 不同浓缩倍率条件下水质状况

原水、矿井水按质量比为4∶6混合后,不同浓缩倍率条件下,其指数及判读结果见表15。

表15 指数及判读结果

从表12～表15可知：原水、矿井水按质量比为5∶5混合后,不加酸条件下,当循环水浓缩倍率为4．0时,钙硬度+总碱度>1 100 mg/L,超过GB 50050—2007要求,因此系统需要辅助加酸处理。

3.4 原水、矿井水按质量比为6∶4混合

补充水水质稳定指数计算见表16。

表16 补充水水质稳定指数计算

根据碳酸钙结垢计算指数,以赖兹纳指数(RSI)为判断值,其判断结果见表17。

表17 碳酸钙结垢指数判断结果

原水、矿井水按质量比为6∶4混合后,不同浓缩倍率条件下水质状况见表18。

表18 不同浓缩倍率条件下水质状况

原水、矿井水按质量比为4∶6混合后,不同浓缩倍率条件下,其指数及判读结果见表19。

表19 指数及判读结果

从表16～表19可知：原水、矿井水按质量比为6∶4混合后,不加酸条件下,当循环水浓缩倍率为4．0时,钙硬度+总碱度>1 100 mg/L,超过GB 50050—2007要求,系统需要辅助加酸处理。

3.5 原水、矿井水按质量比为7∶3混合

补充水水质稳定指数计算见表20。

表20 补充水水质稳定指数计算

根据碳酸钙结垢计算指数,以赖兹纳指数(RSI)为判断值,其判断结果见表21。

表21 碳酸钙结垢指数判断结果

原水、矿井水按质量比为7∶3混合后,不同浓缩倍率条件下水质状况见表22。

表22 不同浓缩倍率条件下水质状况

原水、矿井水按质量比为7∶3混合后,不同浓缩倍率条件下,其指数及判读结果见表23。

表23 指数及判读结果

从表20～表23可知：原水、矿井水按质量比为7∶3混合后,不加酸条件下,当循环水浓缩倍率为5．0时,钙硬度+总碱度>1 100 mg/L,超过GB 50050—2007要求。但是当循环水浓缩倍率运行在4．0～5．0之间时,则可控制在设计范围之内,并且不用加酸处理。

4 原水、矿井水不同质量比例混合后水质特点分析

4.1 浓缩倍率分析

不加酸条件下,不同质量比例混合后最高可浓缩倍率见表24。

表24 不加酸条件下,不同质量比例混合后最高可浓缩倍率

按照节水要求,浓缩倍率要求4．0倍以上,原水、矿井水按质量比为3∶7混合显然不符合节水要求;另外由于原水吨水费用高达3.6元,而矿井水费用仅为0.6元,原水的使用比例过大则不经济,即原水、矿井水按质量比为7∶3混合不符合要求。为了综合考虑节水节能要求,可从原水和矿井水40%～60%使用比例中选择最为经济的比例混合使用,辅助加酸条件,浓缩倍率至4.0～5.0。综合考虑,按照浓缩倍率为4.5计算。

5 指标分析

5.1 循环水浓缩倍数

循环水浓缩倍数高低直接影响因素为循环水补水量的多少,直接影响水耗高低,循环水浓缩倍率高低主要影响排污量和蒸发量的大小。当循环水浓缩倍率达到3.6时,循环水总碱度+钙硬度达到996.00 mg/L,接近指标,继续提高,会趋于饱和,导致换热器结垢。建议适当加大酸的投加量,降低总碱度,继续提高循环水浓缩倍率。

5.2 循环水浊度

从循环水水质分析可以看出,浓缩倍数升高时,循环水浊度逐渐升高。循环水浊度主要受原水浊度、空气的干净程度、循环水浓缩倍率、系统泄漏4个因素影响[2-4]。

(1) 原水浊度

原水浊度随着季节波动较大,最高时达到12.68 NTU,增加了旁滤器过滤负荷,出现循环水浊度波动(见表25)。建议对原水进行预处理,以降低原水浊度。

表25 循环水浊度波动 NTU

(2) 系统泄漏

通常根据循环水中COD的含量来判断循环水系统是否泄漏(见表26)。只有在8月出现COD含量超标现象,其余时间在正常指标内。循环水装置水温为32～42 ℃,在冷却过程中与空气充分接触,水中溶解氧充足,再加之系统泄漏时,水中含有营养物质,完全具备微生物的生长条件。如果循环水中有大量微生物,微生物的存在可以不断降低COD含量,使得循环水中污泥增加。投加杀菌剂后,引起黏泥、藻类的脱落,导致循环水浊度升高。

表26 循环水COD波动 mg·L-1

(3) 旁滤器的运行

本装置旁滤水体积流量设计为1 600 m3/h,采用球形浅层过滤器过滤进出水。当入口浊度上升时,出口浊度同时上升(见图1),说明过滤器截污能力有限,导致过滤效果差,降浊效果降低。建议增加旁滤水量或者选用截污能力较强的过滤器。

图1 入口浊度上升时,出口浊度同时上升

5.3 余氯及杀菌的控制

控制敞开式循环冷却水系统的菌藻繁殖,是循环冷却水处理的关键。藻类通常在冷却塔和冷却塔集水池受阳光照射的地方被大量繁殖,并附着于塔体和池壁上,干扰空气和水的流动,降低冷却效率。脱落的藻类进入管道而沉积,附着在热交换设备器壁上形成污垢,降低传热效率,增加水头损失。同时,作为细菌的食物,藻类会促使细菌繁殖,加剧腐蚀,危害很大。

控制菌藻繁殖的方法是投加杀生剂。杀生剂分为氧化型、非氧化型、表面活性型3类,本系统中使用氧化型杀菌剂次氯酸钠和非氧化型杀菌剂异噻唑啉酮。对于次氯酸钠,采用冲击式投加方式;对于非氧化型杀菌剂,根据经验,冬季每两月投加1次,夏季每月投加1次。循环水中余氯含量普遍偏低时,现场发现塔壁生藻现象严重。次氯酸钠使用量见表27。

表27 次氯酸钠使用量 t

从表27可知：随着夏季气温回升,次氯酸钠耗量逐渐升高,甚至是冬季的1倍多。从循环水指标看,循环水余氯并没有升高,说明系统中消耗次氯酸钠量升高,系统中有大量微生物和适合微生物生长的营养物质。为提高余氯指标,降低次氯酸钠使用量,必须控制系统泄漏量,避免微生物生长。

6 结语

通过分析以上数据,为降低循环水补水量,建议采取如下措施：

(1) 在加酸条件下(浓缩倍率为4.5),当原水、矿井水按质量比为4∶6混合时,循环水系统综合运行成本费用最低,综合吨补充水成本为1.80元,年运行费用为1 275.12万元。当不加酸时,浓缩倍率为4.5左右,则矿井水质量分数不应超过40.00%。

(2) 系统辅助加酸处理,碱度控制在270.00 mg/L或以下,并适当提高浓缩倍率至4.0～4.5运行,补充矿井水质量分数约为60.00%。如此运行,系统节水节能可以达到良好经济平衡。

(3) 查找系统漏点,防止系统物质泄漏至循环水,避免微生物生长,减少系统黏泥量,降低系统浊度。

(4) 对原水进行预处理,降低原水浊度;对旁滤进行管理,降低循环水浊度。