淡化海水在石化行業(yè)的應(yīng)用

陳曉藝

(中國(guó)石化青島石油化工有限責(zé)任公司,山東 青島 266043)

我國(guó)的淡水總量約為2.8×1012m3,占全球淡水資源的6%,而我國(guó)人口總數(shù)約14億,占全球人口總數(shù)的20%左右,也就是說(shuō)中國(guó)以6%的淡水資源保障全球近20%人口的用水需求,因此中國(guó)的淡水資源非常稀缺,積極開(kāi)發(fā)和利用淡化海水資源成為解決這一問(wèn)題的重要措施。對(duì)于石化行業(yè)來(lái)說(shuō)水同樣非常重要,它是石化行業(yè)的重要能耗指標(biāo)之一,如何更好地利用淡化海水代替淡水成為新的課題。

1 除鹽水站進(jìn)水

1.1 除鹽水站基本情況

某煉廠除鹽水站建于1999年,采用反滲透+混床的水處理工藝,設(shè)計(jì)最大生產(chǎn)能力為200 t/h,工藝流程為:系統(tǒng)管網(wǎng)來(lái)的原水、排污水回收系統(tǒng)的回收水以及正洗水回收水,經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器過(guò)濾后,進(jìn)入反滲透裝置,通過(guò)反滲透膜的分離,其中濃水進(jìn)入濃水罐,部分作為多介質(zhì)過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器的反洗用水,其余作為廢水排放或回用至循環(huán)水系統(tǒng);剩余的水生成脫鹽率為98%左右的產(chǎn)品水,進(jìn)入中間水箱,然后經(jīng)過(guò)混床進(jìn)行精脫鹽,生成合格的除鹽水,進(jìn)入產(chǎn)品水箱,加氨后經(jīng)外送泵送至管網(wǎng),以滿足各裝置對(duì)除鹽水的需求。2016年9月,經(jīng)過(guò)施工改造,淡化海水自管網(wǎng)引入;2019年11月將淡化海水管線的材質(zhì)改造為丙烯酸共聚聚氯乙烯材料(AGR)。

淡化海水新線從淡化海水公司引出后,分成3路進(jìn)入廠流量表,在聯(lián)合泵房處與淡化海水舊線以及自來(lái)水線碰頭,在自來(lái)水或者淡化海水出現(xiàn)中斷的情況下,能夠緊急切換至另一路,確保除鹽水站進(jìn)水供給,穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行。

1.2 自來(lái)水、淡化海水水質(zhì)對(duì)比

自來(lái)水和淡化海水水質(zhì)對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 自來(lái)水和淡化海水水質(zhì)對(duì)比

從表1可以看出:淡化海水的電導(dǎo)率僅為自來(lái)水電導(dǎo)率的16.5%,硬度僅為3%,堿度僅為10%?？傮w而言,淡化海水的水質(zhì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于自來(lái)水水質(zhì)。

1.3 工藝調(diào)整

針對(duì)淡化海水水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于自來(lái)水水質(zhì)的情況,對(duì)除鹽水站工藝流程做了調(diào)整。

(1)除鹽水站裝置有兩部分預(yù)處理設(shè)施即多介質(zhì)過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器,多介質(zhì)過(guò)濾器主要去除水中的顆粒狀雜質(zhì)、膠體以及能夠形成沉淀的其他物質(zhì);活性炭過(guò)濾器則主要去除水中剩余的膠體、有機(jī)物、游離氯等。針對(duì)自來(lái)水和淡化海水的水質(zhì)情況,除鹽水站在運(yùn)行淡化海水時(shí),原水預(yù)處理只保留一套多介質(zhì)過(guò)濾器設(shè)施,停用活性炭過(guò)濾器,即進(jìn)水經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾后直接經(jīng)過(guò)保安過(guò)濾器進(jìn)入反滲透裝置。

(2)除鹽水站在運(yùn)行自來(lái)水時(shí),為了保證預(yù)處理系統(tǒng)的降濁過(guò)濾能力,需要在多介質(zhì)過(guò)濾器入口處加入聚合氧化鋁(PAC)絮凝劑,而除鹽水站在運(yùn)行淡化海水時(shí)則停止加注絮凝劑。

(3)除鹽水站運(yùn)行自來(lái)水時(shí),鑒于自來(lái)水的硬度與堿度都偏高,為了防止碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇等難溶性物質(zhì)在反滲透裝置濃水側(cè)產(chǎn)生沉淀,在過(guò)濾器入口前加注阻垢劑,提高難溶物質(zhì)的溶度積,防止膜表面結(jié)垢,加藥量為2～4 mg/kg?？紤]到淡化海水的硬度與堿度都偏低,在運(yùn)行淡化海水時(shí),停止加注阻垢劑。

(4)為了防止除鹽水送水管道的腐蝕,需要將外送除鹽水的酸堿度調(diào)整至堿性[1]。該煉廠燃?xì)忮仩t給水要求pH為8.8～9.3,除鹽水站混床出水工藝卡片控制指標(biāo)要求電導(dǎo)率不大于5 μS/cm?？紤]到除鹽水經(jīng)過(guò)注氨調(diào)節(jié)pH后電導(dǎo)率會(huì)有所上升,除鹽水站運(yùn)行自來(lái)水時(shí)混床出水電導(dǎo)率按照不大于1 μS/cm控制,而運(yùn)行淡化海水時(shí)混床出水電導(dǎo)率按照不大于0.35 μS/cm控制,可以保證鍋爐裝置水汽各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

1.4 除鹽水站運(yùn)行情況

除鹽水站進(jìn)水由自來(lái)水改為淡化海水,截止到2022年11月已累計(jì)運(yùn)行兩個(gè)周期,除鹽水站的進(jìn)水量為100～120 t/h(不考慮排污水、正洗水回收),裝置運(yùn)行平穩(wěn),水質(zhì)可控,降低了混床再生頻次,減少助劑的消耗,節(jié)省了大量的人力和物力。

(1)除鹽水站以淡化海水進(jìn)水量100 t/h、每年運(yùn)行300 d計(jì)算,除鹽水站裝置每年可節(jié)省淡水資源720 kt。

(2)停用活性炭過(guò)濾器,不計(jì)算反洗所消耗的濃水量,僅計(jì)算每次再生正洗所消耗的新鮮水量,以單個(gè)活性炭過(guò)濾器連續(xù)運(yùn)行200 h后再生,每次投運(yùn)3個(gè)活性炭過(guò)濾器,每次再生消耗新鮮水20 t計(jì)算,每年可以節(jié)省淡水資源2.16 kt。

(3)停用絮凝劑和阻垢劑加注,以運(yùn)行自來(lái)水時(shí)絮凝劑加注量為4 mg/kg、阻垢劑加注量為3 mg/kg計(jì)算,可以節(jié)約絮凝劑2.88 t/a,節(jié)約阻垢劑2.16 t/a。

(4)除鹽水站運(yùn)行自來(lái)水時(shí),以4#混床為例,在指標(biāo)可控的前提下,單次運(yùn)行處理量為3～5 kt,對(duì)于同一臺(tái)混床而言,運(yùn)行淡化海水時(shí),單次運(yùn)行處理量可達(dá)12～18 kt。運(yùn)行淡化海水時(shí)混床的處理量約為運(yùn)行自來(lái)水時(shí)的3倍,即運(yùn)行自來(lái)水時(shí)混床需要每30 h進(jìn)行一次再生操作,而運(yùn)行淡化海水時(shí)則120 h進(jìn)行一次再生。以每次混床再生需要消耗反滲透產(chǎn)水10 t、除鹽水30 t計(jì)算,可以節(jié)約新鮮水1.8 kt、除鹽水5.4 kt,以每次混床再生需要消耗酸、堿各0.3 m3計(jì)算,每年可以節(jié)約酸、堿各54 m3。

2 綜合塔補(bǔ)水

2.1 除塵脫硫單元基本情況

除塵脫硫單元主要采用新型湍沖文丘里除塵脫硫單元(雙循環(huán)),進(jìn)入除塵激冷塔的煙氣正常為2×105m3/h,溫度為170 ℃左右。除塵激冷塔分為高溫過(guò)渡段、逆噴段、彎頭連接段;綜合塔分為消泡器、除沫器、氣旋、靜電除塵及煙囪等部分。煙氣自上而下垂直進(jìn)入除塵激冷塔,與逆噴段的循環(huán)液逆向接觸,大大降低煙氣溫度并使之飽和,飽和煙氣進(jìn)入綜合塔進(jìn)行進(jìn)一步凈化,綜合塔的操作溫度為60 ℃,操作壓力為4 kPa。為了平衡吸收過(guò)程中蒸發(fā)和排液損失的液體,綜合塔需要補(bǔ)充新鮮水以滿足工藝要求,綜合塔補(bǔ)水量為21.5 m3/h,通過(guò)控制補(bǔ)水管道上的調(diào)節(jié)閥控制綜合塔液位。

2.2 淡化海水用作綜合塔補(bǔ)水

2016年脫硫脫硝裝置綜合塔引入淡化海水代替新鮮水作為工藝水,淡化海水線在雙脫裝置東側(cè)閥門井內(nèi)與新鮮水管線碰頭,可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急狀態(tài)下的緊急切換。工藝水主要用于綜合塔補(bǔ)水、沖洗靜電除塵和氣旋以及作為余熱鍋爐防爆水封上水。2020年,將除鹽水站反滲透濃水回收至雙脫作為工藝水補(bǔ)水,濃水回收流量約10 t/h,淡化海水進(jìn)工藝水泵流量約12 t/h,以每年運(yùn)行300 d計(jì)算,不計(jì)濃水消耗,每年可以節(jié)約淡水資源86.4 kt。

3 循環(huán)水場(chǎng)補(bǔ)水

3.1 循環(huán)水場(chǎng)基本情況

循環(huán)水裝置共有3座循環(huán)水場(chǎng),分別為1#、2#、3#循環(huán)水場(chǎng),設(shè)計(jì)規(guī)模分別為12 000 m3/h、8 000 m3/h、6 000 m3/h,均為機(jī)械抽風(fēng)逆流式混凝土結(jié)構(gòu)冷卻塔工藝。配套設(shè)施主要有:水泥骨架玻璃鋼結(jié)構(gòu)、帶有軸流風(fēng)機(jī)的逆流通風(fēng)冷卻塔、塔底集水池、泵吸水池、循環(huán)供水泵、無(wú)閥過(guò)濾器、監(jiān)測(cè)換熱設(shè)備、水穏劑加藥設(shè)施和殺菌劑加藥設(shè)施等[2]。為了平衡循環(huán)水場(chǎng)水分蒸發(fā)和排污等損失的液體,循環(huán)水場(chǎng)需要補(bǔ)充新鮮水來(lái)滿足工藝要求。1#、2#、3#循環(huán)水場(chǎng)設(shè)計(jì)最大補(bǔ)水量分別為300 m3/h、200 m3/h、250 m3/h,均設(shè)有補(bǔ)水流量表,采用手動(dòng)閥門補(bǔ)水的方式。

3.2 淡化海水用作循環(huán)水場(chǎng)補(bǔ)水

目前1#循環(huán)水場(chǎng)的補(bǔ)水水源主要有新鮮水、淡化海水、回用水3種?；赜盟措p膜產(chǎn)水,其水質(zhì)情況見(jiàn)表2。

表2 雙膜產(chǎn)水水質(zhì)

目前雙膜產(chǎn)水約1 400 t/d,其中1 000 t/d進(jìn)入1#循環(huán)水場(chǎng),其余進(jìn)入2#循環(huán)水場(chǎng)。循環(huán)水場(chǎng)鈣硬度和堿度優(yōu)化控制指標(biāo)為600～1 200 mg/L。由于淡化海水的鈣硬度與堿度都偏低,若只補(bǔ)淡化海水會(huì)導(dǎo)致循環(huán)水鈣硬度和堿度超標(biāo),因此需要將自來(lái)水和淡化海水調(diào)配使用?？紤]到目前全廠嚴(yán)峻的節(jié)水形勢(shì),在滿足工藝控制指標(biāo)的前提下,為減少新鮮水的使用,1#循環(huán)水場(chǎng)補(bǔ)水盡量多采用淡化海水進(jìn)行補(bǔ)水。在淡化海水引入前,循環(huán)水補(bǔ)水水源為新鮮水和雙膜產(chǎn)水兩種。以1#循環(huán)水場(chǎng)為例,目前每天補(bǔ)水1 400 t左右,其中雙膜產(chǎn)水、自來(lái)水、淡化海水的比例約為5∶1∶1,以每年運(yùn)行300 d淡化海水計(jì)算,僅1#循環(huán)水場(chǎng)每年即可以節(jié)約淡水資源約60 kt。

4 軟化水系統(tǒng)

4.1 裝置概況

軟化水站始建于1982年,原設(shè)計(jì)為向低壓鍋爐供應(yīng)鍋爐用水,現(xiàn)主要供催化、常壓、加氫、焦化等裝置作為冷卻水。自來(lái)水流經(jīng)鈉離子交換器,水中的鈣離子、鎂離子與鈉離子進(jìn)行交換,從而達(dá)到軟化自來(lái)水的目的。

4.2 軟化水運(yùn)行

軟化水站的原水改為淡化海水時(shí),由于淡化海水硬度較低,水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到軟化水的標(biāo)準(zhǔn),故將離子交換器切出,淡化海水直接進(jìn)入軟化水系統(tǒng)。以軟化水出水流量20 t/h、每年運(yùn)行300 d計(jì)算,可節(jié)約淡水資源144 kt/a,而每次混合離子交換器再生也消耗部分淡水,則軟化水站每年可節(jié)約淡水資源約148.5 kt。

5 存在問(wèn)題

5.1 腐蝕問(wèn)題

由于海水屬于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì),雖然淡化后的海水其腐蝕性、離子濃度明顯降低,但仍具有比淡水更強(qiáng)的腐蝕能力,容易導(dǎo)致設(shè)備腐蝕發(fā)生故障[3]。實(shí)際運(yùn)行中,除鹽水站及脫硫脫硝等使用淡化海水的裝置其管線出現(xiàn)漏點(diǎn)的頻次增加,同時(shí)面臨著嚴(yán)重的結(jié)垢問(wèn)題,尤其是脫硫脫硝廢水單元工藝水線和余熱鍋爐防爆水封上水線,由于流速慢、流量小,腐蝕尤為嚴(yán)重。

5.2 區(qū)域限制

淡化海水應(yīng)用存在區(qū)域限制,海水淡化需要充足的海水資源,因此淡化海水公司通常需要建設(shè)在海岸線附近。如內(nèi)陸地區(qū)離海岸線較遠(yuǎn),開(kāi)展淡化海水的利用也將受到限制;而某些地區(qū)沒(méi)有具體的政策支持淡化海水的推廣和利用,也會(huì)導(dǎo)致淡化海水的應(yīng)用受到限制。

5.3 成本與技術(shù)局限

海水淡化技術(shù)成本較高,設(shè)備和設(shè)施需要大量投資,同時(shí)還需要消耗大量的能源;海水中的鹽度、硬度、堿度都較高,需要采用超濾、反滲透等高水平的技術(shù)進(jìn)行處理,這些處理過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生較高的能耗;海水淡化過(guò)程中,為了保證水在長(zhǎng)距離的流動(dòng)過(guò)程中保持足夠的壓力和流速,需要高壓泵等提供動(dòng)力,造成電能的消耗。隨著技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)海水淡化成本為5～8元/m3,已接近世界平均成本,但與自來(lái)水的價(jià)格相比仍然偏高[4]。

5.4 對(duì)環(huán)境的影響

大規(guī)模的海水利用,將產(chǎn)生大量的濃鹽水,鹽度作為海洋重要的生態(tài)指標(biāo)之一,對(duì)海生生物的生長(zhǎng)繁殖均有重要的影響。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中,海洋生物對(duì)鹽度的變化較為敏感,而海水淡化的處理過(guò)程,可能改變?cè)咀匀坏暮Ｑ篼}度分布,從而影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡,甚至破壞特定海洋區(qū)域,因此,鹽水排放的問(wèn)題必須引起重視。在實(shí)踐中,已經(jīng)采用了多種鹽水排放的措施和方案,如將鹽水直接輸送到遠(yuǎn)離海洋生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域進(jìn)行地下注入,或通過(guò)蒸發(fā)、結(jié)鹽等方式對(duì)鹽水進(jìn)行處理。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)存在嚴(yán)重的人均淡水資源短缺問(wèn)題,開(kāi)發(fā)和利用淡化海水成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。某煉廠通過(guò)引進(jìn)淡化海水來(lái)代替淡水資源,減少了淡水的消耗,提高了混床的處理量,降低了混床的再生頻次,減少了助劑的消耗。但是同樣面臨著離子水耗升高、淡化海水腐蝕、區(qū)域性限制以及高成本等問(wèn)題。