循環(huán)水節(jié)水運行工藝技術(shù)應(yīng)用研究

張?zhí)m云

(河北陽煤正元化工集團(tuán)，河北石家莊 050000)

在工業(yè)生產(chǎn)的工藝條件下，循環(huán)水冷卻是降溫的重要手段之一，但如運行過程中控制不當(dāng)，會產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕、藻類、黏泥等現(xiàn)象，影響換熱效果，導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命縮短。

1 循環(huán)水存在的問題及解決措施

1.1 循環(huán)水結(jié)垢

循環(huán)水結(jié)垢的原因復(fù)雜，形成垢類品種繁多，如泥垢、水垢、銹垢等。但垢類不是單一獨立存在，也不是單一原因造成的，往往是多種因素交織影響。

1.1.1 泥垢(污垢)

由于循環(huán)水流程設(shè)計不合理、管道配置高差不規(guī)范，循環(huán)水中攜帶的有機物、微生物菌落和分泌物、泥沙、粉塵等雜質(zhì)在設(shè)備管道中易引起流速減緩、阻隔傳熱、垢下腐蝕的問題，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備換熱效果降低、使用壽命縮短。

河北正元氫能科技有限公司(簡稱正元氫能)采用降低補充水濁度、加強循環(huán)水旁濾、投加分散劑、保障循環(huán)水壓力及流速等控制方法來予以解決。

從源頭控制降低補充水濁度(要求5NTU以下)[1]，降低雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)形成泥垢的風(fēng)險。

(1)加強循環(huán)水旁濾:冷卻水在循環(huán)使用過程中，旁濾器可通過對濾料的選型，及時將微生物、泥沙、粉塵等雜質(zhì)過濾出去，減少泥垢形成的風(fēng)險。一般質(zhì)量流量大于1 000 t/h的循環(huán)水系統(tǒng)要求旁濾量不低于循環(huán)量的5%；對于存在化學(xué)泄漏的循環(huán)水系統(tǒng)一般旁濾量設(shè)定在7%以上為宜。定時分析旁濾器進(jìn)口和出口的濁度，以判定效果，及時更換濾料。

(2)控制藥劑:在進(jìn)行阻垢、防腐和殺菌水質(zhì)處理時，投加一定量的分散劑，以控制污垢的形成。分散劑可將黏合在一起的泥團(tuán)雜質(zhì)分散成微粒，并使之懸浮于水面，隨著水流流動而不沉積在傳熱表面上，從而減少污垢對傳熱的影響。

(3)合理的工藝設(shè)計可保障流速:在換熱設(shè)備流程設(shè)計中，管道低進(jìn)高出、設(shè)備低端增加排污、設(shè)備高端增加排不凝氣等細(xì)節(jié)，可及時減少汽蝕、沉積等現(xiàn)象。循環(huán)水的流速需要嚴(yán)格控制，循環(huán)冷卻水走管內(nèi)，管程水流速大于 1m/s；循環(huán)水走管外殼程，殼程水流速大于0.3m/s，以減少泥沙沉積形成泥垢的機會。

1.1.2 水垢

由于循環(huán)冷卻水在冷卻過程中不斷蒸發(fā)，水中含鹽濃度不斷增高，當(dāng)超過某些鹽類的溶解度時,雜質(zhì)會沉淀附著在系統(tǒng)管壁上形成水垢。

正元氫能的控制理念是通過調(diào)節(jié)鈣鎂離子含量來達(dá)到控制循環(huán)水水質(zhì)的目的。補水以反滲透的淡水為主，適當(dāng)補充一次水，嚴(yán)格控制循環(huán)水的水質(zhì)總硬度指標(biāo)，使水軟化，不易結(jié)晶析出碳酸鈣；同時在循環(huán)水中投加阻垢劑，破壞碳酸鈣的結(jié)晶增長，以達(dá)到控制水垢形成的目的。

1.1.3 銹垢

碳鋼設(shè)備主要成分是鐵，當(dāng)空氣中的氧氣溶解在水中，與鐵反應(yīng)生成氧化鐵，形成鐵銹后從設(shè)備內(nèi)表面脫落。此時存在設(shè)備管壁減薄的隱患。

1.2 循環(huán)冷卻水腐蝕及微生物、黏泥、藻類

1.2.1 腐蝕

循環(huán)冷卻水對換熱設(shè)備的腐蝕主要是指電化學(xué)腐蝕。其產(chǎn)生的原因包括設(shè)備制造缺陷、水中充足的氧氣、水中腐蝕性離子(Cl-、Fe3+、Cu2+)，以及微生物分泌黏液生成的污垢等。循環(huán)水腐蝕會引起換熱設(shè)備報廢。

正元氫能通過添加緩蝕劑、提高循環(huán)水的pH值等方法控制腐蝕。為了減輕環(huán)境富營養(yǎng)化的壓力，常用添加有機膦酸鹽和低磷緩蝕劑、復(fù)合緩蝕劑的方法來解決。嚴(yán)格控制循環(huán)水的pH值，使金屬表面生成氧化性保護(hù)膜來減少設(shè)備腐蝕。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)通常利用冷卻塔內(nèi)的曝氣裝置提高pH值或利用加堿等方式將pH值調(diào)整為7.5～8.5。

1.2.2 微生物、黏泥、藻類

循環(huán)水中溶有充足的氧氣、合適的溫度及富養(yǎng)條件，適合微生物的生長繁殖。必須嚴(yán)格控制水中微生物含量、黏泥量、藻類數(shù)量，否則循環(huán)水水質(zhì)會惡化、發(fā)臭、變黑。主要通過控制水質(zhì)、加強旁濾、投加殺菌劑和剝離劑進(jìn)行調(diào)整。

控制水質(zhì)主要是控制冷卻水中氨含量、硫含量、pH值、微生物的養(yǎng)料。油類是微生物的養(yǎng)料，應(yīng)盡可能防止其進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)。化工廠中進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)的氨會提高硝化菌的繁殖力并降低氯的殺菌能力，應(yīng)控制循環(huán)冷卻水中氨質(zhì)量濃度不高于5 mg/L[2]。如果循環(huán)冷卻水硝化菌含量增高，循環(huán)水的pH值則降低，如此將引起設(shè)備腐蝕。

控制微生物最有效和最常用的方法之一是向冷卻水系統(tǒng)中添加殺菌劑，當(dāng)水中余氯質(zhì)量濃度在0.5～1 mg/L時才有殺菌效果。添加殺菌劑或剝離劑需要注意空分(制氧)循環(huán)水不能加會起泡的殺菌剝離劑。投加后循環(huán)水濁度會不斷上升，要每隔2～3 h進(jìn)行跟蹤分析。當(dāng)濁度上升到最高點時，可通過反洗旁濾器排水來降低。冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行剝離和清洗后再投加殺菌劑的方案要比只添加殺菌劑的方案有效得多。

2 循環(huán)水的日常控制

工業(yè)循環(huán)水處理是一項非常成熟的技術(shù)，主要通過人工或自動加藥方式完成。循環(huán)水要遵循“三分技術(shù)七分管理”的理念，從日常的操作、循環(huán)水水質(zhì)報告分析、系統(tǒng)運行檢查等方面加強管理，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.1 操作方法

操作規(guī)程要明確操作人員的職責(zé)、循環(huán)水水質(zhì)控制、設(shè)備巡檢、開停車操作、數(shù)據(jù)記錄、異常情況的處理、應(yīng)急預(yù)案的執(zhí)行及操作人員的培訓(xùn)等，操作人員要熟練掌握業(yè)務(wù)技能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

(1)加藥方式：根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀和藥劑特性，投加藥劑時嚴(yán)格控制加藥時間、數(shù)量。如果投加2種殺菌劑，需采用間隔投加的方式。投加阻垢緩蝕劑要在循環(huán)冷卻水集水池旁配置配藥槽，配藥槽的上部設(shè)補水管，下部設(shè)排污口，藥劑加入配藥槽中用補充水稀釋后，用計量泵連續(xù)均勻地加入集水池中。

(2)加藥位置：一般選擇水流動處為加藥點，不要靠近排水口，以免藥劑被直接排走;同時藥劑在集水池中要保證混合的時間，使其混合均勻。

(3)阻垢緩蝕劑的加入方法：按量將藥劑加入已洗凈的配藥桶中，在不斷攪拌下加入補充水，使藥劑稀釋3～5倍，攪拌混勻后，開啟加藥泵、調(diào)節(jié)加藥閥，使藥劑連續(xù)均勻地加入集水池中。

(4)殺菌滅藻劑的加入方法：采用沖擊間歇式投加的方式，按量將藥劑直接加入集水池中，使循環(huán)水在一段時間里保持相當(dāng)?shù)乃巹舛?，從而獲得有效的殺菌和剝離效果。

2.2 日常水質(zhì)分析報告

正元氫能按照GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》[3]間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水控制部分水質(zhì)指標(biāo)，具體數(shù)值見表1。

表1 間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)

2.3 循環(huán)水的日?？刂?/h3>

根據(jù)每天的水質(zhì)分析化驗結(jié)果，對排污水量、補充水量及加藥量進(jìn)行必要控制，使之達(dá)到指標(biāo)要求。

(1)濁度超標(biāo)：需要通過旁濾器有效管理及殺菌后反沖洗來降低濁度，當(dāng)濁度>20 NTU時，加大排污水量和旁濾流量，補充清潔水，至循環(huán)水濁度<20 NTU，水質(zhì)控制較好時濁度≤5 NTU。

(2)pH值超標(biāo)：由于補充的水質(zhì)不同，運行時間長導(dǎo)致循環(huán)水pH值偏高，可適當(dāng)加硫酸調(diào)整；當(dāng)換熱設(shè)備存在泄漏，導(dǎo)致循環(huán)水pH值低于正常水平，要及時用堿來調(diào)整，查找泄漏點并堵漏，防止設(shè)備腐蝕。

(3)濃縮倍數(shù)超標(biāo)：可通過排水或加硫酸(H2SO4)來降低結(jié)鹽危險。若總Fe超標(biāo)，說明系統(tǒng)有腐蝕，可檢查所有水質(zhì)指標(biāo)及影響因素，同時調(diào)整藥劑配方，增加Fe緩蝕劑用量。

(4)COD超標(biāo)：說明系統(tǒng)有污染，要查明COD升高原因。若系統(tǒng)有漏入有機物，短時間可通過大排大補改善水質(zhì)，在加大殺菌劑投放量的同時，增加循環(huán)水的排污量，以防止細(xì)菌繁殖堵塞填料和冷卻器。

(5)氨氮超標(biāo)：系統(tǒng)含氨設(shè)備有泄漏(特別是化工企業(yè))，需要查明泄漏的根源。一方面增加殺菌劑，防止藻類的生長；另一方面加大循環(huán)水的排污量，嚴(yán)格控制氨氮,加堿控制pH值，防止在循環(huán)水中出現(xiàn)氨氮反硝化現(xiàn)象。

(6)總磷控制：根據(jù)阻垢緩蝕劑的藥劑性能控制投加。若排污水量大，造成總磷偏低，可適當(dāng)補加阻垢緩蝕劑，使總磷達(dá)標(biāo)，并調(diào)節(jié)排污水量；若循環(huán)水系統(tǒng)正常排污，但總磷偏低，則需分析藥品是否失效或偏差過大。若排除以上原因，可加大阻垢緩蝕劑藥量，使總磷達(dá)標(biāo)。當(dāng)循環(huán)水中總磷大于設(shè)計值2倍以上，則第二天可控制阻垢緩蝕劑的投加量。

(7)菌類、藻類滋生控制：循環(huán)水微生物較多，繁殖生成菌類品種復(fù)雜、數(shù)量較多，日常控制異氧菌小于1×105個/mL。如果超標(biāo)循環(huán)水危害菌類(鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、大腸菌群等)增加，對循環(huán)水的運行構(gòu)成危害，可通過氧化、非氧化殺菌劑交替投加(一般質(zhì)量濃度控制為100～150 mg/L)，防止菌類產(chǎn)生抗藥性(具體加藥方法參照前文表述)。

3 循環(huán)水的近零排放

正元氫能是以化肥生產(chǎn)為主的企業(yè)，循環(huán)水有兩套裝置，其中合成氨、尿素合用一套循環(huán)水,空分使用一套循環(huán)水。通過源頭控制、過程管控、排污回用、承包運營等方法，循環(huán)水達(dá)到近零排放，并保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、環(huán)保、高效、長周期運行。

3.1 循環(huán)水補水水質(zhì)

循環(huán)水補水由地表水改為反滲透淡水(海淡水)，補水水質(zhì)的提高有利于循環(huán)水水質(zhì)的控制，有利于濃縮倍數(shù)的提高[4]。對比地表水的水質(zhì)，反滲透淡水中總硬度降低、電導(dǎo)率降低(見表2)。

表2 循環(huán)水補水水質(zhì)

補水含鹽量降低，有利于循環(huán)水的濃縮倍數(shù)提高，有利于節(jié)水，見表3。

表3 不同濃縮倍數(shù)系統(tǒng)的補充水量與排污水量

3.2 循環(huán)水排污水回收利用

循環(huán)水旁濾系統(tǒng)采用AGF淺層砂過濾器過濾處理，旁流進(jìn)水占循環(huán)水量的5%～8%。自循環(huán)水給水管取水，經(jīng)過過濾器返回涼水池，過濾器壓差達(dá)到一定程度自行反洗，反沖洗水排入反洗水池，利用提升泵提升至澄清器絮凝沉降，再經(jīng)多介質(zhì)過濾器進(jìn)一步過濾重新回到系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的污泥經(jīng)污泥泵排至污水處理污泥池。排污水經(jīng)過簡單處理后回用于循環(huán)水系統(tǒng)，達(dá)到不排污或少排污的效果，保證循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備長期運行不結(jié)垢、不腐蝕，實現(xiàn)了污水回用循環(huán)水系統(tǒng)的近零排放。反洗水進(jìn)行回收利用流程見圖1。

圖1 反洗排污水回收利用流程

此工藝運行技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)廢水的近零排放，防止廢水超標(biāo)排放導(dǎo)致的環(huán)保風(fēng)險，而且還可以實現(xiàn)廢水的再利用，提高水資源的利用率。

3.3 大禹141技術(shù)模式

山東大禹141技術(shù)模式包含1套配套水質(zhì)穩(wěn)定藥劑、4套設(shè)備、1套運行服務(wù)體系。目前正元氫能循環(huán)水由納爾科環(huán)保技術(shù)服務(wù)有限公司提供運行服務(wù)。

(1)水質(zhì)穩(wěn)定藥劑：根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)要求，選擇使用包括阻垢分散劑、阻垢緩蝕劑、殺菌劑、混凝劑(HNDY)及殺菌滅藻劑等一系列配套水質(zhì)穩(wěn)定劑，有效控制循環(huán)水腐蝕、結(jié)垢，有利于黏泥的剝離、杜絕藻類的生長。

(2)整體設(shè)備:包括3套運行設(shè)備和1套檢測設(shè)備，其中運行設(shè)備技改升級，增加了自動加酸控制系統(tǒng)、自動加藥系統(tǒng)、AGF淺層砂過濾器。檢測設(shè)備主要是用于檢測水質(zhì)參數(shù)、腐蝕狀況的設(shè)備掛片。

自動加酸控制系統(tǒng)以自然pH值水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)為基礎(chǔ),通過自動投加硫酸來精確控制循環(huán)水的pH值,從而改變循環(huán)水的結(jié)垢指數(shù),使鈣容忍度提高到2 000 mg/L。該系統(tǒng)既能保證水質(zhì)穩(wěn)定運行、防止設(shè)備結(jié)垢和腐蝕,又能大大降低排補水、提高濃縮倍率、節(jié)約水資源，是對自然pH水質(zhì)運行工藝和傳統(tǒng)加酸工藝的改進(jìn)。

自動加藥系統(tǒng)用于自動化投加阻垢緩蝕劑和殺菌滅藻劑，加藥泵1用1備，可連續(xù)穩(wěn)定運行。其優(yōu)勢在于一體化設(shè)計占地面積小、便于安裝和維修。

AGF淺層砂過濾器通過控制旁濾反洗時間、反洗水量，避免水系統(tǒng)水量浪費。

檢測設(shè)備可自動顯示pH值等相關(guān)數(shù)據(jù)，自動調(diào)節(jié)藥劑加入量,采用定期比對的方式以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(3)運行服務(wù)體系:目前在水處理領(lǐng)域一般對系統(tǒng)用水量、排污量、運行效果、總成本、運行周期、異常情況處理、在線監(jiān)測與故障診斷等采用全面總包技術(shù)服務(wù)模式。由連鎖式服務(wù)站隊對水質(zhì)檢測、運行方案、日常運行監(jiān)控、異常情況處理、技術(shù)咨詢等提供全程服務(wù)，此模式達(dá)到良好的運行效果。

4 結(jié)語

循環(huán)水運行是個復(fù)雜的過程，控制效果好壞直接關(guān)系到生產(chǎn)任務(wù)的完成和設(shè)備的完好運行。利用專業(yè)單位的技術(shù)優(yōu)勢，從日常管理著手，對腐蝕、結(jié)垢進(jìn)行管控，可實現(xiàn)真正意義上的近零排放。