循環(huán)水電化學除垢技術在化工企業(yè)的研究與應用

劉延財，王奮中，曹國玉，高樹麗

（陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林719319）

陜西北元化工集團股份有限公司（簡稱北元化工）100 萬t/a 聚氯乙烯綜合循環(huán)利用項目所有循環(huán)水系統(tǒng)均采用化學藥劑方法處理，在運行過程中，隨著循環(huán)水蒸發(fā)濃縮，鹽類物質不斷增加，水與空氣直接接觸把空氣中的大量灰塵洗滌到水中，濁度升高，化學藥劑的加入或者工藝介質泄漏，水中污染物、雜質不斷增加,影響水質指標，為了控制濃縮倍數(shù)和濁度，不得不補充新鮮水進行置換。 一般情況下，循環(huán)水濃縮倍數(shù)控制較低，濁度通過旁流設施過濾后，效果也一般， 部分換熱設備因循環(huán)水流速等原因存在結垢和腐蝕問題，造成換熱效率低下，影響生產系統(tǒng)穩(wěn)定運行。結合以上情況，北元化工在乙炔二期循環(huán)水站和蒸發(fā)循環(huán)水站引進電化學除垢技術替代藥劑處理。

1 電化學設備結構附件

乙炔分廠循環(huán)水電化學除垢設備主要結構附件包括水處理執(zhí)行器箱體（含陰極、陽極、密封系統(tǒng)）；電控柜（含直流電源、控制系統(tǒng)）；直流電源輸出380V，50 Hz；保護電流600 A，輸出電壓5～30 V，設備運行電流范圍450～550 A。

圖1 蒸發(fā)循環(huán)水電化學除垢設備結構示意圖

自動控制電路提供一個恒定電流， 控制系統(tǒng)包括：電源為24 V、70 A 或者30 V、50 A 的直流電源；PLC 控制系統(tǒng)；交互顯示界面；pH、電導率測試儀；主電源連接：3 相，380 V。

2 電化學除垢原理

2.1 循環(huán)水溶液的電化學反應

（1）氧化反應。產生OH·、O3、H2O2、HClO 等強氧化物質。 作用：除軟垢、殺菌滅藻、防腐蝕。

（2）還原反應。將成垢離子從水中直接去除。 作用：除垢、除鹽、降低硬度、提高濃縮倍數(shù)。

2.2 相關化學方程式

（1）陽極反應高級氧化作用及電解形成強酸環(huán)境殺菌滅藻。

（2）陰極反應

電解形成強堿環(huán)境殺菌預成垢。

2.3 防腐蝕原理

設備腐蝕原因較多， 可分為細菌腐蝕、 藥劑腐蝕、氯離子腐蝕等，該設備具有殺菌效果，因此可以減少細菌對系統(tǒng)所帶來的腐蝕， 設備處理冷卻循環(huán)水時，不添加任何化學藥劑，因此可減少化學藥劑所產生的腐蝕， 設備在電解中能將部分氯離子電解成氯氣飄散掉，最終排出循環(huán)水系統(tǒng)，從而也能減少氯離子對管道、換熱器、凝汽器等設備的腐蝕，電解過程中產生的氫氧根離子和活性氧可促進管道內壁和各種換熱器內壁的亞鐵離子和鐵離子最終生成四氧化三鐵（Fe3O4）致密磁鐵保護膜，隔開管壁和水，阻止進一步腐蝕。

3 電化學處理實施方案

（1）乙炔二期循環(huán)水采用5 套半自動化水處理裝置，每套裝置配備一臺管道泵，從循環(huán)水池取水，人工清垢。 蒸發(fā)循環(huán)水采用3 套全自動化水處理成套設備， 液壓推動刮刀將反應室內的水垢和其他沉積物、污染物從反應室內壁上刮下并排掉，全自動控制，配備一臺取水泵，也可以采用循環(huán)水回水余壓進入電化學設備內，電子除垢設備采用PLC 控制智能化模塊，實現(xiàn)水質在線數(shù)據(jù)檢測，達到電壓、電流、頻率的動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控管理。

（2）電化學除垢裝置負荷按照循環(huán)水量5%～10%的循環(huán)水進行電解處理， 將系統(tǒng)內導致生垢（銹）的成分如鈣、鎂、鐵等離子吸附收集。

4 藥劑處理與電化學處理對比

2019 年12 月， 北元化工電化學裝置項目建設完成，投入試運行，投運后按照技術要求，停止化學藥劑的投加，定期投加濃硫酸調節(jié)pH 值，同時將智能檢測換熱器掛片重新更換，每天進行常規(guī)項目的檢測， 并做好數(shù)據(jù)的記錄進行對比分析數(shù)據(jù)對比圖見圖2-圖9。

4.1 電化學除垢效果圖

電化學除垢裝置投運14 天，乙炔二期循環(huán)水電化學設備箱體打開陰極板上析出大量的垢物， 呈白色固體物質，質地柔軟，偏堿性，容易剝離清洗。通過分析垢物其主要成分為碳酸鈣， 其他為磷酸鹽、硅酸鹽等雜質。 循環(huán)水經(jīng)過電化學裝置處理后水質明顯變清澈透明，濁度明顯降低，水質指標有所改善，這說明循環(huán)水內灰塵、砂子、黏土等物質也具有帶電離子的特性，在電解的作用下被電離析出，也說明了在環(huán)境比較差的地方， 應用電化學裝置處理循環(huán)水是很有必要的。蒸發(fā)循環(huán)水站因水質和刮垢的頻率，析出的垢物量比較少，刮出的垢物隨著刮垢、反沖洗及沉降少部分進入污水系統(tǒng)。運行8 個月后，大檢修期間將換熱設備及管道打開后， 觀察到管道表面形成分布不均勻、非致密黑色的保護膜。

圖2 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水濃縮倍數(shù)

圖3 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水鈣硬度

圖4 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水總堿度

圖5 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水氯離子含量

圖6 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水濁度

圖7 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水電導率

圖8 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水補水

圖9 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水排水

4.2 掛片腐蝕速率分析

腐蝕速率分析數(shù)據(jù)見表1。

從以上分析數(shù)據(jù)可以看出， 乙炔分廠二期循環(huán)水掛片（1453、1454、3203、3204）和蒸發(fā)循環(huán)水掛片（1415、1414、3229、3230） 均 超 出 國 家 標 準（GB50050-2017）要求。 電化學除垢設施運行期間，碳鋼掛片檢測均不合格，掛片很容易粘黏泥，造成垢下腐蝕，目前正在協(xié)調技術廠家進行解決處理，掛片腐蝕沒有得到有效解決。

表1 腐蝕速率分析數(shù)據(jù)表

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

5.1.1 電耗

電化學裝置共計兩套，乙炔分廠二期循環(huán)水為5 套半自動裝置，運行過程中，單臺設備直流電流在330～460 A，電壓為23.0～24.0 V，每小時消耗電大約80 kW·h。蒸發(fā)循環(huán)水為全自動控制，消耗電約（5+30） kW·h，動力電功率30 kW（夏季溫度高使用）。 每度電按照0.3 元計算，裝置年投運時間為8 000 h，每年增加電費為18 萬～20 萬元。

5.1.2 節(jié)水

根據(jù)廠家提供的技術要求， 電化學裝置投運后能夠在藥劑處理的基礎上節(jié)約用水30%，通過實際運行8 個月，每年減少排污水15%～20%。

5.1.3 節(jié)約藥劑和技術服務費用

蒸發(fā)循環(huán)水和乙炔循環(huán)水水質處理藥劑采用承包制，每年藥劑費用約40.8 萬元。 電化學裝置投運后阻垢緩蝕藥劑停止投加，因殺菌效果不明顯，保留氧化性殺菌劑的投加。

5.1.4 實施費用

實施費用約26 萬元，主要是土建基礎施工材料及人工費用。

5.2 社會效益

電化學裝置投運后取代傳統(tǒng)藥劑處理方法，達到節(jié)水、節(jié)藥，提高了水的利用率。

6 結論

（1）電化學除垢設施能有效降低循環(huán)水的鈣硬度和總堿度，具有較好的除垢功能。

（2）電化學除垢設施可以通過電化學反應產生臭氧和氯氣對循環(huán)水形成殺菌作用， 但不能完全代替殺菌劑。

（3）循環(huán)水通過電化學除垢設施能夠形成四氧化三鐵保護膜，但循環(huán)水管道和設備使用時間較長，使用電化學裝置后不能完全形成分布均勻、 致密的氧化膜，需結合藥劑進行處理。

（4）電化學除垢對于循環(huán)水的COD 和濁度的去除效果明顯，對于凈化循環(huán)水水質具有較好效果。

（5）電化學除垢設施通過提高濃縮倍數(shù)可以達到節(jié)水、減排的目的。

總體分析，效果不是很明顯，未達到預期，檢測掛片處于腐蝕狀態(tài)， 未得到有效解決。 作為生產企業(yè)，工藝的先進性、低能耗、技術的可靠性是首先考慮的問題，而作為電化學設計廠家，應該從設備設施穩(wěn)定性和低能耗方面深入研究， 使得電化學處理設施在化工企業(yè)得到推廣應用，更好地服務于生產。