中水回用循環(huán)水工藝控制參數(shù)優(yōu)化研究

楊海燕 周文凡 江 臣 王 恒 薛紅艷

（1. 中油股份獨(dú)山子石化分公司研究院設(shè)備研究所，新疆 獨(dú)山子 833699；2. 中油股份獨(dú)山子石化分公司科技信息處，新疆 獨(dú)山子 833699）

0 引言

為了解決工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕，導(dǎo)致工業(yè)設(shè)備使用壽命縮短和換熱冷卻效率降低，影響產(chǎn)品質(zhì)量，能源消耗劇增等問(wèn)題，工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)必須加入一定量的緩蝕劑、阻垢劑、殺生劑等水處理藥劑。在保證循環(huán)水不發(fā)生結(jié)垢、腐蝕和生物粘泥生成的前提下，提高中水的加入比例?？紤]到循環(huán)水系統(tǒng)需要對(duì)鈣離子濃度的控制及天然緩蝕劑鈣離子的保護(hù)，濃縮倍數(shù)不斷提高會(huì)加劇水質(zhì)的腐蝕性，因此濃縮倍率并非越高越好。根據(jù)工業(yè)上實(shí)際情況，摸索找到最佳的中水加入比例和濃縮倍數(shù)。主要從中水摻比、濃縮倍數(shù)、運(yùn)行工藝參數(shù)、藥劑投加工藝、現(xiàn)場(chǎng)管理及可行性運(yùn)行方案等方面展開(kāi)研究。

1 深度凈化后中水的緩蝕性能實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 掛片的準(zhǔn)備

根據(jù)JB/T 7901-1999《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》處理相應(yīng)數(shù)量碳鋼掛片以符合試驗(yàn)需求。

1.1.2 水樣品的準(zhǔn)備

在乙烯廠凈化水聯(lián)合車(chē)間含油系列裝置取出處理合格的中水20L以及由電滲析脫鹽處理產(chǎn)水20L待用。

1.1.3 藥劑準(zhǔn)備

需評(píng)定藥劑為乙烯廠現(xiàn)用藥劑配方5#和前階段乙烯技術(shù)處委托送樣的7#藥劑待用。

具體評(píng)定藥劑的數(shù)量及濃度如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用中水水樣，及經(jīng)小型電滲析裝置處理后產(chǎn)水水質(zhì)結(jié)果，如表2所示。

由表2結(jié)果可以看出，中水經(jīng)小型電滲析裝置處理后，各項(xiàng)指標(biāo)均有所下降，水質(zhì)明顯得到提升。

表2 中水經(jīng)電滲析處理后的產(chǎn)水水質(zhì)

經(jīng)過(guò)兩輪旋轉(zhuǎn)掛片緩蝕實(shí)驗(yàn)，完成了如表1中兩種藥劑的緩蝕阻垢性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，試片表面積為20cm2，密度7.850g·cm3，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 緩蝕性能評(píng)定實(shí)驗(yàn)緩蝕阻垢劑投加濃度

考慮到現(xiàn)場(chǎng)使用5#的適用環(huán)境為pH7.7～8.0，實(shí)驗(yàn)中對(duì)于應(yīng)用5#藥劑的腐蝕液調(diào)節(jié)了pH以滿足適用要求。從表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，5#、7#這2種藥劑的緩蝕率能達(dá)到98%以上，具備較好的緩蝕性能。5#藥劑處理的腐蝕液中，同一季節(jié)產(chǎn)水配比的腐蝕液比中水配比的腐蝕液的平均腐蝕速率要低至少0.0070mm·a-1，說(shuō)明經(jīng)電滲析處理后，水質(zhì)得到一定改善。而7#藥劑處理的腐蝕液中，結(jié)果相反，但是差距在0.0023mm·a-1以內(nèi)，緩蝕率差距也在0.14%以內(nèi)，相對(duì)于7#藥劑較強(qiáng)的緩蝕性能，影響并不大。

表3 緩蝕性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到在調(diào)節(jié)水樣pH值時(shí)，添加酸或堿試劑可加強(qiáng)水樣中的離子強(qiáng)度，并且會(huì)加重腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，故做補(bǔ)充對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使用5#藥劑時(shí)不再調(diào)節(jié)水樣pH值，對(duì)此時(shí)掛片的腐蝕情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，結(jié)果如表4所示。

表4 腐蝕性能評(píng)價(jià)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，未調(diào)節(jié)水樣pH值條件下，掛片的平均腐蝕率同比調(diào)節(jié)水樣pH值條件下的平均腐蝕率有所下降，緩蝕率上升，幾乎全部達(dá)到99%以上。說(shuō)明5#藥劑具備極好的抗腐蝕性能，在不添加酸、堿試劑的條件下尤為顯著。

1.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

綜合上述旋轉(zhuǎn)掛片緩蝕實(shí)驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)，初步可確定5#、7#這2組藥劑均能夠滿足中水回用循環(huán)水系統(tǒng)的水處理藥劑緩蝕性能使用要求。5#藥劑在不添加酸、堿調(diào)節(jié)pH值時(shí)，抗腐蝕性能尤為顯著。

2 深度凈化后中水的阻垢性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

配制水：使用中水以及電滲析產(chǎn)水分別按照中水:RO水:新水=1:1:2（冬季），夏季1:1:5（夏季）的比例配制試驗(yàn)用水若干升，按Ca2+和HCO3-濃度均為250mg·L-1加入配制水中；蒸餾水若干升，按Ca2+和HCO3-濃度均為300 mg·L-1加入蒸餾水中。

配制水處理劑試樣溶液（母液）：1.00mL含有2mg水處理劑。

具體評(píng)定藥劑的數(shù)量及濃度如表5所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

經(jīng)過(guò)兩輪靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)，完成了表5中2種藥劑的阻垢性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 緩蝕性能評(píng)定實(shí)驗(yàn)緩蝕阻垢劑投加濃度

由表6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在不同配比水的實(shí)驗(yàn)條件下，現(xiàn)場(chǎng)使用的5#藥劑的阻垢率均在50%～60%之間，而7#藥劑的阻垢率全部超過(guò)了89%，具備較強(qiáng)的阻垢性能。因此，可明確得出結(jié)論，7#藥劑相比于5#藥劑更能有效防止結(jié)垢現(xiàn)象的產(chǎn)生；另一方面，在相同季節(jié)配比條件下，經(jīng)電滲析器處理后的產(chǎn)水條件下的阻垢率均高于中水條件下阻垢率。因此，中水經(jīng)電滲析處理后，水質(zhì)得到改善，可在相同實(shí)驗(yàn)條件下，減弱水的結(jié)垢現(xiàn)象。

表6 （續(xù)）

表6 阻垢性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

綜合上述阻垢實(shí)驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)，初步可確定7#藥劑更能夠滿足中水回用循環(huán)水系統(tǒng)的水處理藥劑阻垢性能使用要求。電滲析處理過(guò)程可有效提高水質(zhì)，降低Ca2+離子含量，減弱結(jié)垢現(xiàn)象的產(chǎn)生。

綜合分析兩種緩蝕、阻垢劑的緩蝕阻垢性能實(shí)驗(yàn)，確定7#藥劑具備較好的緩蝕、阻垢性能，建議代替現(xiàn)有的5#藥劑進(jìn)行使用；另一方面，電滲析處理過(guò)程提高了中水水質(zhì)，產(chǎn)水利于藥劑的阻垢、緩蝕性能的提升，建議生產(chǎn)推廣。

3 中水回用循環(huán)水濃縮倍數(shù)摸索實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

（1）準(zhǔn)備工作

①水樣品的準(zhǔn)備

在乙烯廠凈化水聯(lián)合車(chē)間含油系列裝置取處理合格的中水20L待用。

②藥劑準(zhǔn)備

總硬度、總堿度分析所需的滴定溶液各500mL。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

（1）實(shí)驗(yàn)方案

一般情況下，在中水回用之后，循環(huán)水的濃縮倍數(shù)定會(huì)下降1～2倍，這主要是濃縮倍數(shù)如果還控制在中水回用前的水平，其循環(huán)水中的總堿度和鈣硬度過(guò)高，將增強(qiáng)系統(tǒng)的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)系統(tǒng)中的可溶解鹽類增多，增加了系統(tǒng)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要重新針對(duì)中水水質(zhì)情況進(jìn)行濃縮倍數(shù)摸索實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)委托要求及石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)用水：中水，即凈化水聯(lián)合車(chē)間活性炭過(guò)濾罐出口水樣；

產(chǎn)水，即中水經(jīng)電滲析器處理后的產(chǎn)出水樣。

水浴溫度：80℃±1℃；

實(shí)驗(yàn)要求：考慮到實(shí)際生產(chǎn)中冬季配比水質(zhì)較夏季配比水質(zhì)更為惡劣，故采用冬季配比進(jìn)行濃縮倍數(shù)摸索。將水樣分別按照中水以及電滲析產(chǎn)水按中水:RO水:新水=1:1:2進(jìn)行配水，然后再放置到恒溫水浴鍋中進(jìn)行自然濃縮，濃縮至1、2、3……10倍，對(duì)各濃縮倍數(shù)下的水樣進(jìn)行pH、總?cè)芙夤腆wTDS、總硬度、總堿度、溫度等水質(zhì)分析，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)計(jì)算不同濃縮倍數(shù)下的水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)，即可判斷濃縮后的水質(zhì)類型。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

濃縮倍數(shù)摸索實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析數(shù)據(jù)看，同樣配比的水質(zhì)，隨著濃縮倍數(shù)的逐漸增大，TDS值不斷升高，飽和pH值減小，飽和指數(shù)逐漸上升，穩(wěn)定指數(shù)逐漸減小。水質(zhì)類型均表現(xiàn)為腐蝕型或偏腐蝕型。當(dāng)濃縮倍數(shù)為5～9時(shí)，穩(wěn)定指數(shù)下降明顯，因此在后期開(kāi)展工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)參考此濃縮倍數(shù)范圍。

表7 不同濃縮倍數(shù)水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，應(yīng)參考5～9的濃縮倍數(shù)范圍，開(kāi)展后續(xù)工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合中水摻比、濃縮倍數(shù)、藥劑投加濃度等條件，判定其結(jié)垢和腐蝕的影響。建議控制濃縮倍數(shù)分別為5，7，9倍，開(kāi)展進(jìn)一步摸索實(shí)驗(yàn)工作。

4 中水深度凈化后回用控制參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)材料

（1）配制水中水與電滲析產(chǎn)水分別按照中水:新水=1:1（體積比）配制試驗(yàn)用水若干升；

（2）配制藥劑現(xiàn)場(chǎng)5#藥劑（分散劑120、阻垢緩蝕129）、7#藥試樣溶液（母液）：1.00mL含有2 mg水處理劑。

具體評(píng)定藥劑的數(shù)量及濃度如表8所示。

表8 不同藥劑配方具體投加濃度

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

中水回用控制工藝優(yōu)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 中水回用控制工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表9實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，隨著濃縮倍數(shù)的增加，在5#、7#藥劑作用下的，相同配比的水阻垢率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在濃縮倍數(shù)、添加藥劑相同的條件下，使用電滲析產(chǎn)水配置的水樣，與使用中水配置的水樣相比，阻垢率得以提高。

4.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

綜合上述濃縮倍數(shù)摸索實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)濃縮倍率為5時(shí)，可得到80%以上的阻垢率，此時(shí)藥劑可發(fā)揮較好的阻垢性能。故推薦濃縮倍率為5，并推薦使用電滲析處理后的產(chǎn)水代替原有中水進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)腐蝕阻垢實(shí)驗(yàn)測(cè)試，初步可確定5#、7#這2組藥劑均能夠滿足中水回用循環(huán)水系統(tǒng)的水處理藥劑緩蝕性能使用要求。同比7#藥劑具備更好的緩蝕、阻垢性能，建議代替現(xiàn)有的5#藥劑進(jìn)行使用；另一方面，電滲析處理過(guò)程提高了中水水質(zhì)，產(chǎn)水利于藥劑的阻垢性能提升，建議生產(chǎn)推廣；

（2）當(dāng)濃縮倍率為5時(shí)，可得到80%以上的阻垢率，此時(shí)藥劑可發(fā)揮較好的阻垢性能。故推薦濃縮倍率為5，并推薦使用電滲析處理后的產(chǎn)水代替原有中水進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)；

（3）目前中水回用循環(huán)水的摻比控制在1:1的條件下，應(yīng)控制好濃縮倍數(shù)在5倍左右，若采用電滲析工藝凈化中水后再回用，可提高濃縮倍數(shù)至7倍。