化工凝結(jié)水回用工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

陶正興

（中電環(huán)保股份有限公司，江蘇南京 211102）

化工企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽凝結(jié)水，凝結(jié)水一般分為工藝凝結(jié)水和透平凝結(jié)水兩大類(lèi)。其中工藝凝結(jié)水是在工藝生產(chǎn)中產(chǎn)生的，一般經(jīng)過(guò)解析、水解得到的，水質(zhì)一般較差；透平凝結(jié)水是推動(dòng)汽輪機(jī)做功的蒸汽在釋放能量之后，由于溫度、壓力降低而凝結(jié)出來(lái)的一部分冷凝水，水質(zhì)相對(duì)較好。凝結(jié)水中，尤其是工藝凝結(jié)水中因反應(yīng)器、換熱器泄漏等因素導(dǎo)致水質(zhì)中含有油類(lèi)物質(zhì)、鐵離子和其他有機(jī)物等，而且部分凝結(jié)水電導(dǎo)率超標(biāo)，凝結(jié)水無(wú)法直接回用于鍋爐系統(tǒng)[1]。此外，凝結(jié)水水溫一般較高，若直接排放或者降級(jí)處理，會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。

凝結(jié)水回收利用不但能節(jié)約能源，還能節(jié)約水資源；此外，還能減少其余熱和水質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)降低企業(yè)用水成本。隨著水資源的緊缺，凝結(jié)水的回收和利用逐漸得到國(guó)家和企業(yè)的重視，很多企業(yè)在考慮如何回收利用凝結(jié)水資源，凝結(jié)水處理的工藝也在探索中逐漸成熟。

本文通過(guò)對(duì)某生產(chǎn)乙二醇的化工企業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的凝結(jié)水進(jìn)行處理的工程設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和分析，為凝結(jié)水處理的工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目進(jìn)水水源為乙二醇化工企業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的工藝凝液和透平凝液，具體水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

1.2 工藝流程

本項(xiàng)目凝液處理后要達(dá)到《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》DL/T 12145—2016補(bǔ)給水水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合進(jìn)出水水質(zhì)，采用以下工藝流程：

工藝凝液精制流程：工藝凝液→板式換熱器2→板式換熱器3（保安）→凝結(jié)水箱→凝結(jié)水泵→過(guò)濾器→前置陽(yáng)床→混床→脫鹽水箱；

透平凝液精制流程：透平凝液→板式換熱器1→板式換熱器4（保安）→過(guò)濾器→混床→脫鹽水箱。

對(duì)于工藝凝液，溫度較高，約140℃，綜合考慮后端處理設(shè)備的投資成本和運(yùn)行成本，采用兩級(jí)換熱的形式，將溫度降低至40℃以下。為保證混床的運(yùn)行周期，在進(jìn)入混床之前設(shè)置過(guò)濾器，降低回水中鐵含量、有機(jī)物等，過(guò)濾器出水進(jìn)入前置陽(yáng)床除鹽后再進(jìn)入混床中進(jìn)一步除鹽，最終出水滿(mǎn)足要求。

對(duì)于透平凝液，溫度約60℃，和工藝凝液處理系統(tǒng)一樣，采用兩級(jí)換熱后進(jìn)入后端處理工藝。透平凝液水質(zhì)較好，直接通過(guò)混床處理即可滿(mǎn)足最終出水水質(zhì)要求。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程凝液精制系統(tǒng)包括板式換熱器1、板式換熱器2、板式換熱器3、板式換熱器4、工藝凝液水箱、透平凝液水箱、凝結(jié)水泵、過(guò)濾器、前置陽(yáng)床、高速混床等。

1.3.1 換熱器

（1）板式換熱器1、板式換熱器2與脫鹽水制備裝置共用。

（2）設(shè)置2臺(tái)冷媒出力為 200m3/h的板式換熱器4作為板式換熱器1的串級(jí)換熱器，冷媒為循環(huán)水，進(jìn)水溫度32℃，出水溫度 42℃，用來(lái)冷卻通過(guò)板式換熱器1的透平凝液，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)水量使透平凝液的溫度滿(mǎn)足凝結(jié)水精制系統(tǒng)混床進(jìn)水溫度要求，系統(tǒng)各點(diǎn)溫度及流量由通過(guò)計(jì)算平衡后給出。換熱面材質(zhì)為SS316。

（3）設(shè)置 2 臺(tái)冷媒出力為 225m3/h的板式換熱器3作為板式換熱器2的串級(jí)換熱器，熱媒為通過(guò)板式換熱器2的工藝凝液，冷媒為循環(huán)水，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)水量使出水工藝凝液的溫度滿(mǎn)足凝結(jié)水精制系統(tǒng)混床進(jìn)水溫度要求，系統(tǒng)各點(diǎn)溫度及流量通過(guò)計(jì)算平衡后給出。換熱面材質(zhì)為 SS316。

1.3.2 過(guò)濾器

過(guò)濾器采用大通量濾芯，具有納污量大、壽命長(zhǎng)、易更換的特點(diǎn)。通過(guò)濾層的作用可以去除水質(zhì)中的鐵離子、有機(jī)物等污染物，保證后端離子交換器的進(jìn)水水質(zhì)。單支濾芯流量為20~40m3/h。分別設(shè)置3套（2用1備）工藝凝液和3套（2用1備）透平凝液過(guò)濾系統(tǒng)，系統(tǒng)配置以及各設(shè)備規(guī)格參數(shù)為Q=225m3/h（工藝凝液）/Q=200m3/h（透平凝液）。根據(jù)進(jìn)出水壓差或者產(chǎn)水水量來(lái)判斷濾芯是否污堵或者需要更換。正常濾芯壓差小于等于0.05MPa，最大運(yùn)行壓差控制在0.1MPa以下。

1.3.3 前置陽(yáng)床

設(shè)置 4 臺(tái)φ2 800mm的前置陽(yáng)床（3用1備），每臺(tái)正常出力為 150m3/h，運(yùn)行流速為 20~30m/h。采用體內(nèi)再生，樹(shù)脂高度為1 600mm。選用碳鋼襯膠材質(zhì)。進(jìn)水裝置為十字多孔管型式，堿液分配裝置為支母管式，中間排水裝置為梯形繞絲支母管式，材質(zhì)為SS316L。

1.3.4 混床

分別設(shè)置 3臺(tái)（2用1備）工藝凝液和3臺(tái)（2用1備）透平凝液混床，直徑均為φ2 500mm，每臺(tái)正常出力分別為225m3/h（工藝凝液）和200m3/h（透平凝液），運(yùn)行流速為45.9m/h（工藝凝液）和40.8m/h（透平凝液）。采用體內(nèi)再生，混床采用大孔樹(shù)脂，其中陽(yáng)離子交換樹(shù)脂填高為500mm，陰離子交換樹(shù)脂填高為1 000mm?；齑膊捎昧⑹綀A柱形、碳鋼制作，立式安裝。進(jìn)水裝置為十字多孔管型式，堿液分配裝置為支母管式，中間排水裝置為梯形繞絲支母管式，材質(zhì)為SS316L。

1.3.5 再生系統(tǒng)

前置陽(yáng)床和混床均采用鹽酸和氫氧化鈉再生。系統(tǒng)配套卸酸堿、酸堿貯存、計(jì)量系統(tǒng)以及酸霧吸收器、安全淋浴器等設(shè)備。再生用酸堿來(lái)自汽車(chē)運(yùn)輸酸、堿槽車(chē)，經(jīng)卸酸堿裝置輸送到酸、堿貯存罐。酸堿儲(chǔ)罐容積均為25m3。

酸、堿計(jì)量采用計(jì)量箱、酸堿噴射器計(jì)量。前置陽(yáng)床和混床設(shè)置酸、堿計(jì)量箱和酸、堿噴射器各一套。酸堿計(jì)量箱均為2m3，在噴射器出口設(shè)置酸堿濃度計(jì)對(duì)再生液濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保再生效果。酸堿計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)離子交換器的自動(dòng)再生。再生流速按照3~5m/h設(shè)計(jì)。

2 運(yùn)行結(jié)果

采用“換熱器+過(guò)濾器+離子交換器裝置（前置陽(yáng)床+混床/混床）”處理凝液后，系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)滿(mǎn)足鍋爐補(bǔ)給水進(jìn)水水質(zhì)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，離子交換器再生頻率低，再生酸堿用量節(jié)省。具體產(chǎn)水水質(zhì)如表2所示。

表2 產(chǎn)水水質(zhì)

說(shuō)明：離子交換器除鹽機(jī)理如下：

混床作為除鹽處理措施，它同時(shí)去除陽(yáng)離子和陰離子，混床內(nèi)會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

由于混床是將陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂均勻混合在一起，在一臺(tái)交換器內(nèi)同時(shí)完成陰、陽(yáng)離子交換過(guò)程，當(dāng)有水通過(guò)混床時(shí)，上述的三種反應(yīng)式同時(shí)瞬間、徹底地發(fā)生。通過(guò)這種方式，水中大量離子可以被迅速置換、去除?；齑部梢哉J(rèn)為是大量的強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換器+強(qiáng)堿陰離子交換器，所以出水水質(zhì)上乘即電導(dǎo)率≤0.2μS/cm，SiO2≤20μg/L，能滿(mǎn)足鍋爐補(bǔ)給水進(jìn)水水質(zhì)要求。

混床再生時(shí)，利用陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的比重差，反洗分層后分別再生。混床樹(shù)脂的再生水平直接影響產(chǎn)水的水質(zhì)?；齑苍偕鷷r(shí)，樹(shù)脂的反洗分層徹底，進(jìn)酸堿液的流量匹配，再生液清洗干凈，再生好的樹(shù)脂混合均勻等，這些均影響混床的出水水質(zhì)。因此，工藝設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行時(shí)候需要嚴(yán)格按照要求控制好再生這一重要步驟，避免因?yàn)樵偕粡氐子绊懴到y(tǒng)的正常運(yùn)行。

當(dāng)混床投入運(yùn)行前，先進(jìn)行正洗，正洗采用前級(jí)產(chǎn)水，正洗不但可以清洗掉再生產(chǎn)物，還可以將殘留的再生廢液沖洗干凈，從而避免污染物和再生廢液對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響。正洗出水電導(dǎo)率合格后系統(tǒng)方可投入運(yùn)行。正常情況下混床需要設(shè)置一臺(tái)備用。當(dāng)一臺(tái)混床失效時(shí)（混床出水硅或電導(dǎo)超標(biāo)），停運(yùn)該臺(tái)失效混床并手動(dòng)進(jìn)行再生，備用混床投入運(yùn)行。此時(shí)的系統(tǒng)出力不變。

考慮工藝凝液進(jìn)水水質(zhì)一般較差，在進(jìn)入混床處理前會(huì)先設(shè)置前置陽(yáng)床對(duì)進(jìn)水離子進(jìn)行去除。前置陽(yáng)床內(nèi)裝載有陽(yáng)樹(shù)脂，當(dāng)有水通過(guò)前置陽(yáng)床時(shí)，陽(yáng)離子會(huì)被H+離子置換，發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：nRH+ Mn+=RnM+nH+

經(jīng)過(guò)前置陽(yáng)床處理后的水質(zhì)中離子含量減少，可降低混床的再生周期。前置陽(yáng)床的出水經(jīng)過(guò)混床進(jìn)一步處理，可確保工藝凝液出水水質(zhì)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

3 結(jié)論

系統(tǒng)采用“換熱器+過(guò)濾器+離子交換器裝置（前置陽(yáng)床+混床/混床）”處理凝液，出水水質(zhì)穩(wěn)定，符合《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》DL/T 12145-2016補(bǔ)給水水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。冷凝液回收用作脫鹽水后，不僅具有顯著的節(jié)能降耗作用，還能節(jié)約資源，降低排污量，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染。

凝結(jié)水產(chǎn)生途徑不同，來(lái)液的品質(zhì)有好有壞，采用分質(zhì)處理方式。凝結(jié)水處理要根據(jù)水質(zhì)有針對(duì)性地設(shè)置工藝設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各種可能存在的污染物。對(duì)于透平凝結(jié)水，在進(jìn)水端設(shè)置監(jiān)測(cè)儀表，當(dāng)水質(zhì)較好時(shí)，可以設(shè)置超越管道直接進(jìn)入除氧器系統(tǒng)；當(dāng)進(jìn)水中含有一定污染物，水質(zhì)不太好時(shí)，要經(jīng)過(guò)過(guò)濾器處理后才能進(jìn)入混床裝置進(jìn)行處理，出水才可以滿(mǎn)足鍋爐補(bǔ)水要求。

對(duì)于工藝凝結(jié)水回收時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)：①要充分利用凝結(jié)水余熱。工藝凝液溫度一般較高，在100℃以上?；て髽I(yè)內(nèi)除凝結(jié)水回用外，大多有除鹽系統(tǒng)，用于鍋爐補(bǔ)給水用，可利用凝結(jié)水的水溫對(duì)原水進(jìn)行加熱。②考慮工藝凝結(jié)水水質(zhì)較差，前端除鐵、除有機(jī)物措施必不可少。目前處理措施較多，有類(lèi)萃取技術(shù)、復(fù)合雙層膜技術(shù)、膜技術(shù)、除油除鐵過(guò)濾器技術(shù)等，[2]需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、投資成本和運(yùn)行成本綜合選取一種或者多種技術(shù)進(jìn)行組合。③從成本節(jié)約角度考慮，一般后端處理設(shè)備如混床裝置內(nèi)部采用襯膠工藝，常規(guī)樹(shù)脂為非耐高溫樹(shù)脂，凝結(jié)水水溫需要降低至40℃以下，以免造成后端設(shè)備損壞。為保證降溫效果，采用兩級(jí)換熱器串聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)原水作為冷源不夠時(shí)，再采用循環(huán)水作為冷源進(jìn)行換熱。④低溫的凝結(jié)水在管網(wǎng)內(nèi)輸送，減少管網(wǎng)內(nèi)二次蒸汽的產(chǎn)生，既有利于凝結(jié)水的輸送，又可減少管線的投資。[3]⑤一般凝液來(lái)水溫度較高，管道和閥門(mén)材質(zhì)需要考慮耐高溫材質(zhì)，且需要采用保溫隔熱措施，防止對(duì)人員燙傷。在管道設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮保溫層厚度，考慮管道支架的安裝空間等。

通過(guò)本系統(tǒng)運(yùn)行情況可知，凝結(jié)水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)重點(diǎn)需要考慮以下因素。

1）確定凝結(jié)水進(jìn)水水量、水溫、水質(zhì)和壓力等參數(shù)尤為關(guān)鍵。目前很多化工企業(yè)在設(shè)計(jì)凝結(jié)水處理系統(tǒng)時(shí)，原化工生產(chǎn)線還未建設(shè)，對(duì)于凝結(jié)水水量、水溫、水質(zhì)和壓力估算存在不準(zhǔn)確現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要認(rèn)真復(fù)核，要考慮一定彈性空間，避免設(shè)備冗余過(guò)多或者設(shè)備出力不足，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，產(chǎn)水指標(biāo)無(wú)法滿(mǎn)足的現(xiàn)象。

2）進(jìn)水溫度控制。進(jìn)水水溫通過(guò)進(jìn)水換熱器進(jìn)行控制，換熱器的選取和程序控制尤為重要。一般工藝凝液進(jìn)水水溫較高，建議設(shè)置2臺(tái)換熱器串聯(lián)運(yùn)行。工藝凝液優(yōu)先采用除鹽水作為冷源，當(dāng)冷源不足時(shí)，采用循環(huán)水作為補(bǔ)充冷源，以確保凝液溫度能降低至40℃，可節(jié)約循環(huán)水水量。透平凝液水溫在60℃左右，一般采用原水作為冷源，對(duì)凝液進(jìn)行降溫，但是需要考慮夏季原水水溫高的情況。因此，透平凝液換熱器設(shè)計(jì)時(shí)將循環(huán)水作為補(bǔ)充水源，換熱器既要滿(mǎn)足夏季運(yùn)行工況，也要滿(mǎn)足冬季運(yùn)行工況。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)建議循環(huán)水來(lái)水側(cè)設(shè)置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)，和凝液出水溫度進(jìn)行聯(lián)鎖控制，以便有效控制凝液出水溫度。換熱器的設(shè)計(jì)要考慮一定的富余量，避免水質(zhì)水量波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊，滿(mǎn)足后端設(shè)備進(jìn)水水溫的要求。

3）進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)。凝結(jié)水中金屬污染物主要是由二價(jià)可溶性鐵和三價(jià)不溶性鐵組成。金屬污染物不但降低了鍋爐的熱效率，而且會(huì)導(dǎo)致鍋水品質(zhì)變差。凝結(jié)水中油類(lèi)，一般大都是烴類(lèi)，分子量在50~1 500，主要以少量的溶解油和乳化油形式存在[4]。凝結(jié)水處理系統(tǒng)中進(jìn)水金屬物質(zhì)、油類(lèi)物質(zhì)或其他有機(jī)物，會(huì)導(dǎo)致混床水質(zhì)受污染，降低樹(shù)脂的工作交換容量，縮短混床的工作周期，增加混床的再生頻率。因此，除有機(jī)物、除鐵是凝結(jié)處理的關(guān)鍵技術(shù)。[1]為確保工藝能正常運(yùn)行，需要增加監(jiān)測(cè)儀表，嚴(yán)格控制進(jìn)水水質(zhì)。建議設(shè)置事故排放池，若水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，將水質(zhì)直接排放，降低后端處理工藝的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)后端設(shè)備。