化學水處理裝置一級除鹽(反滲透)系統(tǒng)工藝優(yōu)化

蒲延軍，石鵬越，常志勤

[中油國際(阿爾及利亞)煉油有限公司SORALCHIN煉油廠， 阿爾及利亞 阿德拉爾 00213]

由中國石油天然氣勘探開發(fā)公司與阿爾及利亞國家石油天然氣公司合資建設的中油國際(阿爾及利亞)煉油有限公司SORALCHIN煉油廠位于阿爾及利亞國家ADRAR省ADRAR市SBAA鎮(zhèn)東側(cè)。煉油廠自備電站化學水處理裝置采用(一級)反滲透系統(tǒng)+混床除鹽工藝[1]，裝置于2006年7月份投產(chǎn)。一級除鹽系統(tǒng)原設計為3臺并列(2臺運行1臺備用，單臺額定生產(chǎn)能力為40 m3/h)的一級反滲透工藝流程，見圖1，反滲透裝置2開1備。單臺反滲透設備采用三段膜處理技術(shù)；二級除鹽系統(tǒng)采用混合離子交換技術(shù)。投產(chǎn)后，經(jīng)過半年的運行考核，反滲透裝置除鹽率低、產(chǎn)水電導高、反滲透膜元件結(jié)垢(三段膜甚至出現(xiàn)被鹽垢堵塞)等問題，導致混床入口水達不到設計指標，混床產(chǎn)水水質(zhì)也低于設計指標，致使電站鍋爐水汽品質(zhì)基本不合格，影響了電站和煉油裝置的穩(wěn)定運行。

圖1 改造前反滲透系統(tǒng)工藝流程

2008年7月SORALCHIN煉油廠與中海油天津化工研究設計院國家工業(yè)水處理工程技術(shù)研究中心(以下簡稱“天津水處理研究中心”) 進行技術(shù)合作，共同研究煉油廠反滲透設備結(jié)垢及一級除鹽系統(tǒng)產(chǎn)水質(zhì)量差的原因，并制定反滲透工藝系統(tǒng)和反滲透裝置技術(shù)改造方案，以實現(xiàn)化學水處理裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)、水質(zhì)達標的目的。

1 反滲透裝置改造前生產(chǎn)情況

1.1 工藝流程簡介

改造前單臺反滲透裝置本體采用三段膜處理工藝[1]，膜元件壓力容器采取6∶3∶1(即一段6支壓力容器，二段3支壓力容器，三段1支壓力容器)排列方式，見圖2，實線為源水及濃水走向，粗實線為產(chǎn)水走向，虛線為清洗水走向。新鮮水先進入一段進行處理，處理后的產(chǎn)水進入產(chǎn)水母管；處理后的濃水進入二段再進行處理，經(jīng)過二段處理后，濃水經(jīng)過增壓泵加壓進入三段最后處理，產(chǎn)水同樣進入產(chǎn)水母管，同時三段部分濃水回收至本臺反滲透裝置入口，部分排放，以提高反滲透裝置的回收率。

一級除鹽系統(tǒng)設計3臺反滲透裝置并聯(lián)運行，2臺運行1臺備用，一級產(chǎn)水進入二級除鹽系統(tǒng)(混合離子交換器)繼續(xù)進行深度處理。

圖2 改造前單臺反滲透裝置流程圖

1.2 反滲透裝置改造前存在的主要問題

(1) 一級除鹽系統(tǒng)生產(chǎn)指標達不到設計指標，除鹽率最高僅達到96%，低于設計指標一年內(nèi)≥99%，三年內(nèi)≥97%；回收率如果按照設計的86.6%控制，反滲透裝置則無法運行。除鹽率僅能達到90%；為保證裝置正常生產(chǎn)，只能按照實際情況控制回收率72%～75%，遠遠低于設計指標86.6%。

(2) 3臺反滲透裝置剛開始投產(chǎn)時，運行壓力就比較低，最高壓力<0.9 MPa[2],廠家將回收率控制在約80%，主要運行參數(shù)見表1。3臺反滲透裝置的除鹽率約96.5%，沒有實現(xiàn)三段濃水回收的目的。3臺反滲透裝置第三段反滲透膜元件在運行4～6個月后都出現(xiàn)嚴重的結(jié)垢問題，鈣鎂垢類結(jié)晶，嚴重堵塞了反滲透膜元件，導致裝置不能運行，進行清洗后運行效果也不理想，最終只能拆除三段反滲透膜元件，每臺反滲透設備改為兩段運行，壓力容器組合6∶3，并降低設備運行壓力和負荷，降低了回收率，以保證安全生產(chǎn)，由此大大降低了設備性能。反滲透裝置兩段運行狀況見表2。

表1 3臺反滲透裝置改造前運行狀態(tài)1)

1) 廠家調(diào)試狀態(tài)，三段運行，濃水回收為0。

(3) 一級除鹽系統(tǒng)產(chǎn)水的電導率30～75 s/cm、ρ(SiO2)=220～450 μg/L，遠遠達不到混床入口水設計指標：電導率≤10 μs/cm、ρ(SiO2)≤100 μg/L。導致混床運行周期僅僅為28～35 h，低于設計的46 h。而且混床產(chǎn)水電導率0.5～2 μs/cm、ρ(SiO2)=15～30 μg/L，低于設計指標電導率≤0.2 μs/cm、ρ(SiO2)≤20 μg/L[3]。一級除鹽系統(tǒng)和二級除鹽系統(tǒng)主要生產(chǎn)水質(zhì)見表3。使電站鍋爐水汽品質(zhì)基本不合格，影響了電站和煉油裝置的穩(wěn)定運行。

表2 3臺反滲透裝置改造前兩段運行狀態(tài)2)

1) 三段膜元件拆除，兩段運行。

表3 化學水裝置改造前一級除鹽和二級除鹽出水水質(zhì)數(shù)據(jù)

產(chǎn)生上述問題的主要原因是設計水質(zhì)(溶解固形物618 mg/L)和實際水質(zhì)(溶解固形物810 mg/L)差別較大，實際水質(zhì)含鹽量較高。原設計的反滲透裝置高回收率和三段膜處理技術(shù)，無法保證設備穩(wěn)定運行；采用的一級反滲透工藝流程，不能滿足二級除鹽系統(tǒng)的生產(chǎn)要求，最終導致化學水處理裝置外供的二級除鹽水水質(zhì)不能達到設計指標，嚴重影響了電站和煉廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1.3 產(chǎn)生問題的主要原因

(1) 實際水質(zhì)含鹽量高于設計水質(zhì)，反滲透裝置原設計回收率較高，而且為了保持高的回收率，同時設計了濃水回流流程，導致反滲透膜界面超出了鹽類濃差極化的承受能力，使得鹽類特別是鈣鎂垢類結(jié)晶析出，沉積在反滲透膜表面,造成堵塞[1]。

(2) 反滲透設備的三段膜處理方式不符合高含鹽水的脫鹽理論和實際生產(chǎn)要求，而且在實際運行中，雖然沒有實現(xiàn)濃水回收，壓力控制也較低，但是回收率控制較高，這是導致反滲透膜元件結(jié)垢的主要原因之一。

(3) 反滲透系統(tǒng)添加的絮凝劑也對膜結(jié)垢產(chǎn)生了一定的促進作用。生產(chǎn)使用的水源來自于地下150 m的深井水，濁度和雜質(zhì)都很低，原水的濁度不超過1 NTU，添加的絮凝劑在反滲透裝置的前置過濾器中沒有發(fā)揮太大的作用，全部隨著水流進入到反滲透裝置中，在高壓下，附著在反滲透膜上，對膜元件造成一定的污染，阻滯了水流的速度，對鈣鎂類鹽垢的形成也起到一定的促進作用[1]。

(4) 一級脫鹽系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)達不到設計標準，致使二級除鹽系統(tǒng)入口水質(zhì)超標，導致混床樹脂長期處于超負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，離子交換樹脂被嚴重污染，再生還原程度低，使混床運行周期短，水質(zhì)達不到設計標準和鍋爐用水標準，酸堿消耗高，再生頻繁，再生工作量大[4]。

2 反滲透系統(tǒng)工藝改造

2.1 反滲透系統(tǒng)及裝置工藝改造方案

(1) 將反滲透裝置的三段反滲透膜處理方式改造為二段，即將原設計壓力容器三段“6∶3∶1”排列的生產(chǎn)方式，改造為壓力容器二段“7∶3”排列的生產(chǎn)方式，見圖3，實線為源水及濃水走向，粗實線為產(chǎn)水走向，虛線為清洗水走向。

圖3 改造后的單臺反滲透裝置流程圖

(2) 停止使用影響反滲透膜性能的絮凝劑。

(3)將一級脫鹽系統(tǒng)原設計“一級反滲透工藝流程”改造為“二級反滲透工藝流程”，即將原來“3臺反滲透設備并聯(lián)運行”的工藝流程改造成“2臺反滲透裝置并聯(lián)、并與1臺反滲透裝置串聯(lián)”的工藝流程。同時，突破一級反滲透裝置和二級反滲透裝置固定化，不能互相轉(zhuǎn)換的工藝流程限制，在反滲透領(lǐng)域內(nèi)首次實現(xiàn)了一級反滲透裝置和二級反滲透裝置可以互為切換的的靈活多變的工藝流程模式，見圖4，實線表示為一級產(chǎn)水時水流走向；虛線為二級產(chǎn)水時水流走向。此例僅示意2#反滲透裝置作為二級的流程，實際生產(chǎn)中任何一臺均可以作為二級或者一級。

(4) 將第一級反滲透裝置產(chǎn)水與第二級反滲透裝置產(chǎn)水的管線設置安裝連通閥，突破了傳統(tǒng)反滲透理論和工藝流程中，一級反滲透裝置產(chǎn)水和二級反滲透裝置產(chǎn)水不能混合的限制，解決了特殊情況下(如二級反滲透生產(chǎn)能力不足)，用一級水適量彌補，避免了在特殊情況下(因二級水量不足)，必須切換至“一級反滲透工藝流程”的運行模式，緩解了因降低水質(zhì)對二級除鹽系統(tǒng)的沖擊。

(5) 采取濃水外置循環(huán)系統(tǒng)，將第二級反滲透設備的濃水回收至第一級反滲透設備的給水中，有效提高反滲透系統(tǒng)水的綜合回收率，減少了水資源的浪費。

(6) 將原反滲透裝置一段和二段串聯(lián)清洗的普遍流程改造成一段和二段分別清洗的新流程，可以提高各段膜元件的清洗效果，提高反滲透裝置膜元件的性能和壽命。

圖4 改造后的反滲透系統(tǒng)工藝流程示意圖

2.2 改造后試運行

經(jīng)過一段時間的試運行，改造后的二級反滲透系統(tǒng)運行穩(wěn)定，一級和二級反滲透裝置運行穩(wěn)定，各參數(shù)正常，分析數(shù)據(jù)表明：最終二級反滲透裝置產(chǎn)水電導率控制在≤8 μs/cm，控制ρ(SiO2)≤25 μg/L。完全滿足了混合離子交換器對入口水的指標要求。主要水質(zhì)指標改善情況見表4、表5。

表4 反滲透裝置改造前運行數(shù)據(jù)1)

1) 3臺反滲透裝置均為一級。

表5 反滲透系統(tǒng)二級改造后主要水質(zhì)運行數(shù)據(jù)1)

1) 1#作為二級，2#、3#作為一級。

試運行一周內(nèi)，混合離子交換器運行穩(wěn)定，電導率≤0.1 μs/cm，平均ρ(SiO2)為11.8 μg/L，運行周期≥15 d，周期制水量≥15 000 t，遠遠超出了設計運行運行周期(46 h)和周期產(chǎn)水量(2 000 t)

從表5可以看出，一級和二級反滲透裝置運行的水質(zhì)都有了一定程度的提高，反滲透裝置的運行狀況有了較大的改善，運行的穩(wěn)定性也大大提高。說明二級反滲透裝置濃水水質(zhì)明顯好于源水新鮮水水質(zhì)，回收至單臺一級反滲透裝置后，使得本臺一級反滲透裝置運行狀況和產(chǎn)水水質(zhì)有了明顯的改善，2臺一級反滲透裝置共同回收時，2臺一級反滲透裝置運行狀況也有一定程度的改善。新鮮水用量在原來同等負荷下有所下降，二級反滲透裝置濃水回收效果顯著。同時也保證了二級除鹽系統(tǒng)的穩(wěn)定和高水質(zhì)運行，混床運行周期和周期產(chǎn)水量大大提高，混床再生酸堿耗也大大降低。

2.3 改造完成后的除鹽水裝置運行狀況及效果

從2010年11月初化學水處理裝置一級脫鹽系統(tǒng)改造試車至2012年12月，經(jīng)過長時間運行，改造效果顯著，不僅解決了困擾化學水處理裝置運行穩(wěn)定性和水質(zhì)問題，同時也取得了極為可觀的經(jīng)濟效益，并在傳統(tǒng)反滲透系統(tǒng)工藝流程上也取得一定的突破。

(1) 反滲透系統(tǒng)運行狀態(tài)

兩級反滲透系統(tǒng)運行穩(wěn)定，單臺生產(chǎn)能力由原來的40 t/h提高到50 t/h，除鹽率≥99.3%，產(chǎn)水電導率≤8 μs/cm。

(2) 混床系統(tǒng)運行狀態(tài)

二級除鹽系統(tǒng)主要設備混合離子交換器的運行狀況得到很大的改善，運行周期由原來的28～35 h，提高到280 h以上，再生酸耗由原來的130 g/t下降到≤30 g/t，再生堿耗由原來的140 g/t下降到≤30 g/t。

(3) 絮凝劑系統(tǒng)

停止使用絮凝劑、反滲透裝置運行穩(wěn)定，水質(zhì)提高，混床運行周期大大提高，也使操作量大大降低。更重要的是保證了電站鍋爐水汽品質(zhì)由原來的基本不合格，達到合格。

(4) 改造后的經(jīng)濟效益

改造前的藥劑量按照2008、2009、2010 3年的實際消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，改造后的藥劑使用量按照運行一年多的實際消耗量統(tǒng)計。

改造后，絮凝劑停止使用，1年可節(jié)約2.5 t，質(zhì)量分數(shù)33%鹽酸1年可節(jié)約135 t,固體氫氧化鈉1年可節(jié)約40 t。

上述三項合計，1年可節(jié)約159 747美元。

(5) 本次改造的技術(shù)突破點

本改造項目克服了一級和二級反滲透裝置工藝流程設計的固定化模式，以及一級水和二級水不能互相摻混的技術(shù)難點，采用了一級和二級反滲透裝置工藝的交叉交替、一級水和二級水互相補充的新流程，獲得了良好的效果，對反滲透技術(shù)和工藝的發(fā)展起到了積極的促進作用，也為今后的反滲透工藝流程設計提供了一定的指導作用。

3 結(jié) 論

中油國際(阿爾及利亞)煉油有限公司 SORALCHIN煉油廠在遵照反滲透理論和技術(shù)原則的基礎(chǔ)上，克服一級和二級反滲透裝置工藝流程設計的固定化思路，以及一級水和二級水不能互相摻混的限制，在工藝技術(shù)改造中，采取了一些新的思路和工藝流程。

(1) 采用了理論上提出的而實際應用較少的多級反滲透串聯(lián)技術(shù)。

(2) 在低濁度原水中，取消了絮凝劑的使用，消除了絮凝劑對反滲透膜的副作用。

(3) 采取了目前應用較少的濃水外置循環(huán)技術(shù)，將第二級反滲透的濃水回用到第一級反滲透原水中，提高了水的綜合回收率。

(4) 通過工藝系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)了3臺反滲透裝置在一級和二級之間互相交叉交替的工藝路線，對改善反滲透裝置的運行狀態(tài)起到了積極地作用。

(5) 將目前普遍使用的反滲透裝置各段膜元件串聯(lián)清洗的流程改造成各段分別清洗的新流程。

(6) 將反滲透第一級產(chǎn)水和第二級產(chǎn)水管線設置連通閥，充分考慮了特殊情況下用一級產(chǎn)水彌補第二級反滲透裝置出力不足的情況，對后續(xù)的二級除鹽系統(tǒng)也起到了很好的水質(zhì)保證作用，這些在煉廠的實際生產(chǎn)中已經(jīng)發(fā)揮了作用。

[ 參 考 文 獻 ]

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[2] 金熙，項成林，齊冬子.工業(yè)水處理技術(shù)問答[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003：316-355.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 12145—2008火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質(zhì)量[S].北京：中國標準出版社，2009:1-6.

[4] 陳潔，楊東方.鍋爐水處理技術(shù)問答[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003：175-196.