軟化水作為電石生產(chǎn)循環(huán)水補(bǔ)充水的工藝研究

段樹(shù)濤，馬生蓮，鄧建民

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏 石嘴山753202）

電石主要作為生產(chǎn)聚氯乙烯的原料，近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)聚氯乙烯行業(yè)迅速發(fā)展，電石的需求量也在不斷增加，促進(jìn)了電石生產(chǎn)工藝向高效、環(huán)保、節(jié)能的方向發(fā)展。電石爐中反應(yīng)溫度在2000 ℃左右，電石爐爐面的溫度非常高（600 ℃以上），這就決定了它始終處在高溫的狀態(tài)下運(yùn)行。為防止高溫對(duì)電石爐生產(chǎn)的影響，延長(zhǎng)電石爐的使用壽命，在爐蓋、爐門(mén)、短網(wǎng)、電極接觸元件、煙道等處設(shè)置了水冷卻降溫設(shè)施。為減少冷卻水中雜質(zhì)對(duì)電石爐生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)的影響，研究解決水結(jié)垢帶來(lái)的危害和降低安全風(fēng)險(xiǎn)的措施，保障電石爐的安全、長(zhǎng)周期、可靠運(yùn)行。

1 電石爐循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢及影響分析

寧夏英力特化工股份有限公司現(xiàn)運(yùn)行的電石爐產(chǎn)能為30 萬(wàn)t/a，配套的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)量設(shè)計(jì)為4000 m3/h。采用無(wú)壓回水方式，系統(tǒng)由循環(huán)給水泵、加藥裝置、冷卻塔、熱水池及循環(huán)給水回水管線(xiàn)等組成。經(jīng)電石爐用冷設(shè)施后的回水返回至敞口的回水槽中，與大氣接觸泄壓后的循環(huán)水再自流至熱水池，經(jīng)加壓泵送至冷卻塔降溫后返回冷水池循環(huán)使用，流程簡(jiǎn)圖如下圖1。

圖1 電石循環(huán)水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該公司使用經(jīng)處理凈化后的黃河水作為循環(huán)水補(bǔ)充水。堿度和硬度都較高；在運(yùn)行過(guò)程中，以下因素會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化： 電石生產(chǎn)區(qū)域空氣中粉塵含量高，循環(huán)水易受外界環(huán)境污染；循環(huán)水在使用過(guò)程由于濃縮倍數(shù)的控制要求導(dǎo)致鹽含量升高； 電石爐區(qū)域溫度高，循環(huán)水溫度有時(shí)會(huì)高達(dá)60～65 ℃，蒸發(fā)量大，這些因素都導(dǎo)致循環(huán)水在電石爐冷卻管道中形成結(jié)垢。起初是電化學(xué)腐蝕原因，在管道內(nèi)部形成銹層，并產(chǎn)生一些點(diǎn)蝕，后因空氣中的塵埃及細(xì)菌作用，產(chǎn)生黏泥沉淀層，當(dāng)濃縮倍數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)，水中的難溶或微溶鹽類(lèi)達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)產(chǎn)生結(jié)垢。故管道內(nèi)部結(jié)垢為多層分布，垢層形成后又產(chǎn)生垢下腐蝕，而使垢層加厚加密。將結(jié)垢層分為兩種，一種為銹垢層，一種為非銹層。與銹層接觸的沉淀層主要為黏泥，幾乎全為酸不溶物，外層主要為鈣硬殼，中間呈黏泥沉淀層與垢層交替出現(xiàn)[1]。

水垢在冷卻系統(tǒng)內(nèi)形成會(huì)減小流道截面積，增加水循環(huán)阻力，阻礙正常的熱交換。隨著水垢層的不斷加厚將造成設(shè)備嚴(yán)重的冷卻不良，并帶來(lái)的一連串的惡果。不但影響系統(tǒng)的冷卻效果，同時(shí)還給冷卻管路系統(tǒng)造成腐蝕，導(dǎo)致冷卻管路穿孔泄漏。電石爐冷卻系統(tǒng)由水分離器將冷卻水分配到爐體的三相電極的接觸元件、爐體爐蓋及保護(hù)板冷卻系統(tǒng)。這些冷卻系統(tǒng)的元件都是純銅或不銹鋼材料，一旦因損壞導(dǎo)致電極刺火或其他事故，必將影響電石爐長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。間冷開(kāi)式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

為了控制結(jié)垢、 沉積腐蝕及微生物給設(shè)備管路帶來(lái)的危害，通過(guò)自動(dòng)加藥設(shè)備向循環(huán)水中注入藥劑。通常采用添加阻垢劑、緩蝕劑、殺生劑等藥劑，并定時(shí)排污來(lái)維持循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)。上述措施不但增加了排污量，還導(dǎo)致易產(chǎn)生結(jié)垢和發(fā)生垢下腐蝕，為維持循環(huán)水系統(tǒng)正常生產(chǎn)，參照GB/T 50050 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范中間冷開(kāi)式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)要求，結(jié)合電石生產(chǎn)工藝實(shí)際情況，制定循環(huán)水系統(tǒng)中冷卻水的各項(xiàng)控制指標(biāo)見(jiàn)表2。為保證各指標(biāo)正?？刂?，該公司年采購(gòu)各藥劑費(fèi)用約為50 萬(wàn)元，同時(shí)根據(jù)濁度進(jìn)行排污量為每周600 m3/h，污水排放費(fèi)用為5 元/t，產(chǎn)生排污費(fèi)600×52×5=15（萬(wàn)元），合計(jì)費(fèi)用65 萬(wàn)元。

2 軟化水作為循環(huán)水補(bǔ)充水

表1 間冷開(kāi)式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)[2]

表2 循環(huán)水系統(tǒng)冷卻水控制指標(biāo)

表3 軟化水生產(chǎn)工藝要求指標(biāo)表

2018年該公司為解決上述問(wèn)題并降低循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)工藝現(xiàn)狀進(jìn)行研究，引進(jìn)可靠技術(shù)，建設(shè)一套200 m3/h 的全自動(dòng)軟化水再生設(shè)施，將工業(yè)水經(jīng)過(guò)軟化處理后作為循環(huán)水補(bǔ)充水。其運(yùn)行過(guò)程的工藝要求和控制指標(biāo)見(jiàn)表3。

2.1 全自動(dòng)軟化水設(shè)施工作原理

該全自動(dòng)軟化水生產(chǎn)設(shè)施以程控閥和控制器為核心，配套樹(shù)脂罐及化鹽桶。通過(guò)運(yùn)行時(shí)間來(lái)啟動(dòng)再生程序，除給化鹽桶加鹽外，基本不需要人工干預(yù)。全自動(dòng)軟水器是采用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，當(dāng)原水經(jīng)過(guò)鈉型離子交換劑時(shí)，水中的Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子與交換劑中的Na+進(jìn)行交換，降低了水的硬度，當(dāng)樹(shù)脂吸收達(dá)到飽和吸附作用失效后，用飽和的食鹽水浸樹(shù)脂層，把樹(shù)脂上的Ca2+、Mg2+離子置換出來(lái)，恢復(fù)樹(shù)脂的交換能力。吸附及再生過(guò)程化學(xué)反應(yīng)式如下：

離子交換樹(shù)脂的單元結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，即不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架、連接在骨架上的功能基和功能基團(tuán)所帶的相反電荷的可交換離子。在水溶液中，連接在離子交換樹(shù)脂固定不變的骨架上的功能基能離解出可交換離子，這些離子在較大范圍內(nèi)可以自由移動(dòng)并能擴(kuò)散到溶液中，同時(shí)溶液中的同類(lèi)型離子也能擴(kuò)散到整個(gè)樹(shù)脂多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這兩種離子之間的濃度差推動(dòng)它們互相交換，其濃度差越大，交換速度也就越快。同時(shí)由于離子交換樹(shù)脂上攜帶的一定的功能基對(duì)于各種離子的親和力大小各不相同，所以在人為控制的條件下，功能基離解出來(lái)的可交換離子可與溶液里的同類(lèi)型離子發(fā)生交換[3]。

在原水中鈣鎂離子以Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2、CaSO4和MgCl2等化合物形式存在。經(jīng)鈉型離子交換樹(shù)脂處理后Ca2+、Mg2+離子被吸附，產(chǎn)水中陽(yáng)離子只有Na+存在。

2.2 全自動(dòng)軟化水設(shè)施生產(chǎn)流程

該設(shè)施運(yùn)行周期分為工作、反洗、再生、置換、沖洗等5 個(gè)過(guò)程。

（1）反洗。工作一段時(shí)間后的軟化水設(shè)備，會(huì)在樹(shù)脂上部攔截由原水帶來(lái)的污物，反洗過(guò)程就是原水經(jīng)控制閥，自中心升降管由上向下流動(dòng)經(jīng)底部分流器分配給交換劑層，由下向上反洗交換后，再通過(guò)控制閥排水口排除廢水。這樣可以把上部攔截下來(lái)的污物沖走。（2）再生置換過(guò)程。原水經(jīng)控制閥后進(jìn)入注水器，然后通過(guò)射流過(guò)程將再生劑NaCl 鹽水利用虹吸原理吸入樹(shù)脂罐，由上向下均勻分布于交換劑層進(jìn)行再生，廢液再經(jīng)中心升降管底部分流器由下向上流動(dòng)并通過(guò)控制閥排水口排出。（3）沖洗。為了將殘留的鹽水徹底沖洗干凈，原水經(jīng)控制閥進(jìn)入樹(shù)脂，由上向下快速?zèng)_洗交換劑層后，再由中心升降管底部分流進(jìn)入，經(jīng)控制閥后排出。

2.3 運(yùn)行壓力控制的注意事項(xiàng)

全自動(dòng)軟化水設(shè)施的運(yùn)行壓力要求是0.2～0.5 MPa，這樣的壓力要求有兩方面的原因：該軟化水設(shè)施是靠水力形成負(fù)壓來(lái)抽取鹽水的，吸鹽器上端的壓力直接影響吸鹽的速度和效果，壓力如果低于0.2 MPa，吸鹽效果會(huì)明顯下降； 壓力大于0.5 MPa，可以達(dá)到吸鹽效果，但是在這種壓力下管路承壓過(guò)大，各接合點(diǎn)容易出現(xiàn)滲漏；另外，水壓過(guò)大會(huì)造成多路程控閥動(dòng)作不精準(zhǔn)，進(jìn)而影響吸鹽效果。

3 運(yùn)行效果分析

全自動(dòng)軟化水設(shè)施產(chǎn)水Ca2+為30 mg/L，循環(huán)水中Ca2+控制指標(biāo)從600 mg/L 降至250 mg/L 左右，比原水180 mg/L 稍高，由于Ca2+含量降低，系統(tǒng)中結(jié)垢少，熱交換效率得以提高；因日常不再添加含磷的阻垢緩蝕劑，藻類(lèi)數(shù)量減少，并減少了垢下腐蝕，減少含磷廢水排放對(duì)環(huán)境的污染。再生后的廢水收集后作為降塵噴灑用水，完全杜絕了廢水排放。軟化水設(shè)施每月運(yùn)行需要30 t 工業(yè)鹽，單價(jià)為270 元/t，費(fèi)用為270×30×12=9.72（萬(wàn)元）；由于使用該軟化水裝置后，濁度從以前的20 降至5 左右，排污量減少為200 m3/周，單價(jià)為5 元/t，費(fèi)用為200×52×5=5.2（萬(wàn)元）。合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用15 萬(wàn)元，比單純用藥劑控制減少費(fèi)用50 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

電石循環(huán)水系統(tǒng)采用的全自動(dòng)軟化水補(bǔ)水生產(chǎn)設(shè)施工藝設(shè)計(jì)緊湊，占地面積??；采用的設(shè)備為高強(qiáng)度FRP 材質(zhì)，管道及管件為耐腐蝕塑料管，避免了離子交換樹(shù)脂被污染和系統(tǒng)腐蝕問(wèn)題，控制閥及程序控制器完全實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)軟化及系統(tǒng)再生過(guò)程各階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，免維護(hù)，不用專(zhuān)人看管，設(shè)備工作原理簡(jiǎn)單，易于操作控制。比常規(guī)的電石循環(huán)水系統(tǒng)藥劑控制減少?gòu)U水排放，比先進(jìn)的超濾和反滲透產(chǎn)水作循環(huán)水補(bǔ)充水減少能耗。因此在電石工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)具有較好的推廣意義。