提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)的方法

史麗杰

（內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

1 循環(huán)水系統(tǒng)概況

內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司40萬t/a PVC和36萬t/a 燒堿，生產(chǎn)線配備2套獨(dú)立敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，總循環(huán)水量為36 000 m3/h，系統(tǒng)保有水量約為一萬八千立方米。其中Ⅰ# 循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)水量25 500 m3/h，系統(tǒng)保有水量約為一萬二千八百立方米；Ⅱ循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)水量為10 500 m3/h，系統(tǒng)保有水量約為五千二百立方米。由于該公司循環(huán)水補(bǔ)水水源為黃河滲水，水質(zhì)（見表1）屬于高硬度和高堿度水質(zhì)，鈣硬度大于180 mg/L，總堿度大于200 mg/L。這類高硬度和高堿度水質(zhì)如果采用自然pH 值運(yùn)行工藝，循環(huán)水的濃縮倍數(shù)最高只能控制為2倍。

2 循環(huán)水加酸的必要性

如果提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，由于循環(huán)水堿度、硬度高，將導(dǎo)致水中成垢物質(zhì)沉積，水中溶解氧和腐蝕性離子的增加以及滋生的菌藻所產(chǎn)生的生物黏泥成倍增加，對循環(huán)水換熱設(shè)備污堵、腐蝕、結(jié)垢危害嚴(yán)重，輕則，被動(dòng)停車清洗，重則使設(shè)備腐蝕穿孔而報(bào)廢，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。為了保證2套循環(huán)水系統(tǒng)中水冷設(shè)備的長期、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，解決循環(huán)水系統(tǒng)中普遍存在的腐蝕、結(jié)垢和菌藻黏泥的危害，采用水質(zhì)穩(wěn)定劑對循環(huán)冷卻水進(jìn)行化學(xué)處理顯得十分重要。

表1 循環(huán)水水質(zhì)數(shù)據(jù)（不加酸）

目前采用加硫酸（一般為98%硫酸）降低循環(huán)水的堿度和pH 值、使Ca2+、Mg2+碳酸鹽轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，是解決循環(huán)水系統(tǒng)不結(jié)垢而普遍采用的方法。循環(huán)水濃縮倍數(shù)要求在4.0倍以上，加酸是保證循環(huán)水系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要保證之一。

3 水質(zhì)穩(wěn)定性判斷

循環(huán)冷卻水投入運(yùn)行后，要進(jìn)行結(jié)垢腐蝕性判斷，通常采用碳酸鈣飽和指數(shù)及穩(wěn)定指數(shù)來判斷。在循環(huán)水運(yùn)行中，飽和指數(shù)只能說明一種傾向，是一個(gè)定性趨勢，有較大的局限性；穩(wěn)定指數(shù)是在飽和指數(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的指數(shù)，是根據(jù)化學(xué)分析測出循環(huán)水系統(tǒng)中的鈣硬度、堿度、pH 值、固形物以及現(xiàn)場實(shí)際溫度來計(jì)算。目前，許多水處理工作者都采用其作為生產(chǎn)現(xiàn)場的一個(gè)控制指標(biāo)，水質(zhì)穩(wěn)定性判斷計(jì)算見表2。

表2 水質(zhì)穩(wěn)定性判斷計(jì)算

RSI=2pHs-pH（即2x 水在碳酸鈣飽和平衡時(shí)的pH 值水的實(shí)測pH 值）；

RSI＜3.7，嚴(yán)重結(jié)垢性水質(zhì)；

RSI＜6.0，結(jié)垢性水質(zhì)；

RSI≈6.0，穩(wěn)定性水質(zhì)；

RSI＞6.0，腐蝕性水質(zhì)；

RSI＞7.5，嚴(yán)重腐蝕性水質(zhì)。

表2計(jì)算結(jié)果顯示，循環(huán)水的補(bǔ)充水為結(jié)垢型水質(zhì)，隨著濃縮倍數(shù)的提高，水質(zhì)結(jié)垢傾向更嚴(yán)重。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50050-2007規(guī)定，循環(huán)水中鈣硬度與甲基橙堿度之和大于1 100 mg/L、碳酸鈣穩(wěn)定指數(shù)RSI 小于3.3時(shí)，應(yīng)加酸或進(jìn)行軟化處理（GB50050-2007 《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》。按以上計(jì)算，循環(huán)水濃縮倍數(shù)在3倍時(shí)，Ca2++堿度達(dá)1 082 mg/L，正好接近控制指標(biāo)的上限，而且，碳酸鈣穩(wěn)定指數(shù)RSI 為3.22，小于3.30，已經(jīng)到了加酸調(diào)pH 值范圍。所以，如果采用pH 值自然平衡而不加酸調(diào)節(jié)pH 值，系統(tǒng)能夠承受的最高濃縮倍數(shù)為3.0。

根據(jù)GB50050—2007的要求及從節(jié)約用水降低運(yùn)行成本等綜合考慮，加酸降低循環(huán)水堿度，系統(tǒng)能夠承受的最高濃縮倍數(shù)可以提高到5倍。

4 加酸的經(jīng)濟(jì)性

4.1 節(jié)水和節(jié)約藥劑減少的費(fèi)用

按照設(shè)計(jì)規(guī)范，循環(huán)水不加酸調(diào)節(jié)pH 值，濃縮倍數(shù)只能在3.0倍以下運(yùn)行，計(jì)算基準(zhǔn)采用3倍濃縮倍數(shù)，加酸后，濃縮倍數(shù)可以在5倍以上運(yùn)行，計(jì)算基準(zhǔn)采用5倍濃縮倍數(shù)。不同濃縮倍數(shù)時(shí)各種水量的理論計(jì)算值見表3。

（1）濃縮倍數(shù)由3.0提高到5.0時(shí)，節(jié)水量的計(jì)算

系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

循環(huán)水量：36 000 m3/h；保有水量：15 000 m3；回出水溫差：32～42 ℃；濃縮倍數(shù)：4倍；系統(tǒng)材質(zhì)：碳鋼、不銹鋼、銅合金。

每年節(jié)約的補(bǔ)充水量：（2.6-2.2）%×循環(huán)水量×8 000=1 152 000（m3）。

補(bǔ)充水取水費(fèi)為1元/m3，年節(jié)約的補(bǔ)充水費(fèi)為115萬元。

每年減少的排污水量：（0.8-0.4）%×循環(huán)水量×8 000=1 152 000（m3）。

假設(shè)排污水需要的費(fèi)用為0.5元/m3，年節(jié)約排污水費(fèi)約為五十八萬元。

（2）濃縮倍數(shù)由3.0提高到5.0時(shí)，節(jié)約的藥劑量的計(jì)算

藥劑使用濃度取平均50 mg/L 進(jìn)行計(jì)算。

節(jié)約的藥劑量（kg）：節(jié)約的排污水量×藥劑使用濃度×10-3=1 152 000×50×10-3=58（t）

藥劑單價(jià)按平均1.2萬元/t 進(jìn)行計(jì)算。則節(jié)約藥劑費(fèi)用約為58×1.2=70萬元。

（3）濃縮倍數(shù)由3.0提高到5.0時(shí)，節(jié)約總費(fèi)用

115+58+70=243（萬元/a）。

4.2 加酸增加的費(fèi)用估算

（1）硫酸費(fèi)用。

a.加酸量的計(jì)算

按GB50050-2007提供的加酸量公式

式中：Mm—補(bǔ)充水堿度，mg/L，以CaCO3計(jì)；

Mr—循環(huán)冷卻水控制的堿度，mg/L，以CaCO3計(jì)；

表3 不同濃縮倍數(shù)時(shí)各種水量的理論計(jì)算值

N—循環(huán)水濃縮倍數(shù)；

Qm—補(bǔ)充水量，m3/h。

取調(diào)酸以后的目標(biāo)堿度為150 mg/L，補(bǔ)充水量為36 000×2.2%=792（m3/h），濃縮倍數(shù)為5，補(bǔ)充水堿度為215 mg/L

每小時(shí)加酸量Ac：=（215-150/5）×10-3×792=146.52（kg）。

年加酸量=146.52 kg×8 000=1 172 160 kg 約為一千一百七十二噸。

硫酸單價(jià)按800元/t 進(jìn)行計(jì)算，則硫酸年費(fèi)用為1 172×450=53（萬元/a）。

（2）加酸裝置建設(shè)費(fèi)用。

加酸處理裝置新增加儲(chǔ)酸罐、計(jì)量酸罐、計(jì)量泵等設(shè)備，投資約三十萬元。按5年進(jìn)行折舊，每年折舊費(fèi)為30÷5=6（萬元）。

（3）加酸年運(yùn)行總費(fèi)用為59萬元。

因此，每年加酸節(jié)約的費(fèi)用為184萬元。

5 加酸調(diào)pH 值的可行性和可靠性

循環(huán)水加酸調(diào)pH 值技術(shù)在二十世紀(jì)70年代就已經(jīng)成熟了，目前，中國絕大多數(shù)化工裝置循環(huán)水都采用了加酸技術(shù)。運(yùn)行的可行性和可靠性得到了廣泛的認(rèn)可，在嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行操作的前提下安全性極高，幾十年以來，沒有循環(huán)水系統(tǒng)硫酸造成嚴(yán)重人身傷害方面的報(bào)道，一般是采用98%商品硫酸來調(diào)節(jié)pH 值。

目前，多數(shù)企業(yè)采用了半自動(dòng)加酸系統(tǒng)，加酸量自動(dòng)調(diào)節(jié)和人工調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，控制安全、穩(wěn)定；計(jì)量槽只能貯存1天的使用量，保證了系統(tǒng)更加安全，不會(huì)造成加酸量過大造成循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕；自動(dòng)化程度比較高，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，并消除了影響環(huán)境及工人安全的隱患。

6 結(jié)論

在黃河水系的工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，采用pH值自然平衡的水質(zhì)穩(wěn)定處理方案，一般只能在3倍以下的濃縮倍數(shù)下運(yùn)行，才能保證系統(tǒng)的腐蝕和垢沉積達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求；采用加酸調(diào)節(jié)pH 值的處理方案，一般能使系統(tǒng)濃縮倍數(shù)控制在四五倍運(yùn)行，完全能保證系統(tǒng)的腐蝕和垢沉積達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求；采用加酸調(diào)節(jié)pH 值的高濃縮倍數(shù)處理方案比pH 值自然平衡的低濃縮倍數(shù)處理方案有更好的經(jīng)濟(jì)效益；采用加酸調(diào)節(jié)pH 值的處理方案技術(shù)非常成熟，可行性、可靠性和安全性都非常有保障。