水質(zhì)控制與節(jié)水一體化裝置在大榭石化的應用

＊陳華 陶蕾

（1.中海石油寧波大榭石化有限公司 浙江 315812 2.中海油天津化工研究設計院有限公司 天津 300131）

引言

中海石油寧波大榭石化有限公司（以下簡稱大榭石化）餾分油綜合利用項目（以下簡稱三期項目）于2013年開工建設，2016年6月各裝置進入全面生產(chǎn)階段，該項目主要針對原油進行深度加工，生產(chǎn)高質(zhì)量的國V柴油、航空煤油以及苯乙烯、丙烯、丙烷等高附加值化工產(chǎn)品，年產(chǎn)量達700萬噸。該項目循環(huán)水場自2016年2月開始投用，循環(huán)量為42000m3/h，為420余臺的換熱器及機泵冷卻器提供換熱。

為了實現(xiàn)石化企業(yè)節(jié)水減排的目標，緩解企業(yè)用水壓力，循環(huán)水系統(tǒng)補水以大工業(yè)水（姚江水）、污水回用中水為主，并輔以季節(jié)性的雨水回用水作為補充，但該多元化的補水方式導致了水質(zhì)條件的復雜化，其水質(zhì)指標如硬度由30mg/L至150mg/L波動，堿度由35mg/L至120mg/L波動，枯水期和豐水期的電導率則相差200～300μS/cm。補水水質(zhì)階段性波動直接造成循環(huán)水水質(zhì)波動較大，同時增加了循環(huán)水水質(zhì)控制難度，使得循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍率普遍降低至3倍左右，總補水率高達約1.2%，水處理藥劑消耗量大，循環(huán)水系統(tǒng)的細菌控制難度增大，影響循環(huán)水場長周期穩(wěn)定運行。

為了更大程度挖掘企業(yè)節(jié)水潛力，實現(xiàn)循環(huán)水污水減排和處理藥劑減量化目標，大榭石化與中海油天津化工研究設計院有限公司（以下簡稱天化院）合作開發(fā)并建造了1套“電化學-電滲析”相結(jié)合的水質(zhì)控制與節(jié)水一體化裝置（以下簡稱一體化裝置），該裝置包括一套過濾系統(tǒng)（一臺多介質(zhì)過濾器、一臺活性炭過濾器和1臺布袋式保安過濾器）、6臺電滲析（EDR）裝置、6臺電化學（ECW）裝置、2臺儲水罐和4臺增壓水泵。一體化裝置投用后實現(xiàn)了循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍率≥6倍運行，與無項目比綜合節(jié)水≥50萬噸/年，藥劑量減少30%的研究目標，同時循環(huán)水冷卻器維修數(shù)量大幅下降，對于企業(yè)實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能、節(jié)水減排、降低生產(chǎn)成本具有重要意義，同時也為石油煉化企業(yè)污水處理提標與減排提供一種可靠的技術(shù)選擇。

1.三期循環(huán)水系統(tǒng)概況

大榭石化三期循環(huán)水系統(tǒng)設置冷卻塔9座，設計總循環(huán)水量為45000m3/h，溫降10℃，出水壓力0.45MPa，出水溫度33℃，回水溫度43℃。設置循環(huán)水泵10臺，包括8臺大泵（單泵Q=6700m3/h，H=50m）和2臺小泵（單泵Q=3400m3/h，H=50m）。系統(tǒng)補水以大工業(yè)水（姚江水）、污水處理場含油回用水和超濾反滲透產(chǎn)水為主。2018年12月以前為冷卻塔8臺運行，2019年1月首次大檢修后投用了1座備用冷卻塔改為9臺運行，實際循環(huán)水量由38000m3/h提高至42000m3/h，系統(tǒng)補水中增加了約40萬噸/年的全廠回收雨水，該循環(huán)水系統(tǒng)存在補水水質(zhì)復雜，水質(zhì)波動大且用戶端冷卻器材質(zhì)各異、數(shù)量龐大、介質(zhì)側(cè)組分和使用情況復雜，易發(fā)生各類物料泄露的問題。

2.一體化裝置工藝及原理

(1)工藝方案

一體化裝置依托大榭石化三期42000m3/h的循環(huán)水系統(tǒng)開展工藝設計以及工程化建設，原設計進水為循環(huán)回水的旁濾出水，但考慮發(fā)生物料泄漏情形沖擊，為保證一體化裝置穩(wěn)定運行，將進水改為循環(huán)水給水，設計處理能力為100t/h。為進一步提高進水穩(wěn)定性，進電滲析裝置前設置一臺多介質(zhì)過濾器、一臺活性炭過濾器和1臺布袋式保安過濾器，以去除微生物黏泥、固體顆粒及余氯對電滲析膜的影響。進水經(jīng)過電滲析膜，約一半的水經(jīng)過脫鹽后直接補充至循環(huán)水系統(tǒng)，另一半經(jīng)濃縮后的水則進入電化學裝置。電化學裝置對濃水進行高效的脫硬除鹽，形成鈣鎂鹽顆粒排出電化學裝置，脫硬后的水則繼續(xù)補充至循環(huán)水池。一體化裝置工藝方案流程示意圖見圖1。

圖1 一體化裝置流程示意

(2)電滲析技術(shù)原理

電滲析技術(shù)是一個基于選擇性膜的電化學分離過程。電滲析設備由陰陽電極板與交替放置的陽離子交換膜和陰離子交換膜組成，含鹽溶液在陰陽離子交換膜之間流過，由此形成了靠近電極板的兩個極室、多組淡水室和濃水室。含鹽溶液在外加直流電場作用下，以電位差為驅(qū)動力，利用離子交換膜對溶液中離子進行選擇透過，使溶液中溶質(zhì)和溶劑進行了分離，從而達到淡化或濃縮的目的。

EDR在運行過程中，它是靠電能來遷移水中己解離的離子，因此它耗用的電能是和水中含鹽量成正比的，去除效果與進水水質(zhì)、進水溫度、運行電壓、電流、進水流量、流速、倒換電極時間、膜面積等參數(shù)有關。優(yōu)化運行參數(shù)，控制操作電流低于極限電流密度，盡可能提高膜面流速，可以減少膜污染、降低能耗、提高電流效率等。

(3)電化學水處理技術(shù)原理

電化學水處理技術(shù)是在外加電場作用下，利用電化學陰陽極的氧化還原反應。在陰極區(qū)產(chǎn)生強堿區(qū)，實現(xiàn)對鈣鎂等成垢離子的去除，在陽極區(qū)產(chǎn)生氯氣、次氯酸等氧化性物質(zhì)，實現(xiàn)殺菌作用。經(jīng)過以析氯電位、析氧電位、電催化活性面積等評價參數(shù)作為電極性能的評價參數(shù)的關鍵技術(shù)研究表明，以稀有金屬制成的復合電極電催化活性表面積更大，電流效率更高，電能消耗更低。而增大停留時間和提高電流則能有效提高除硬效果和余氯產(chǎn)生量，但水體在設備內(nèi)停留時間的延長與設備固有體積以及流速有關，綜合處理成本以及處理效率考慮，氯離子濃度宜大于400mg/L，停留時間為10min。

(4)工藝節(jié)水原理

經(jīng)過濾預處理后的循環(huán)水給水進入EDR裝置進行分鹽處理，脫鹽產(chǎn)水回到循環(huán)水池，濃水進入電化學裝置進行除硬除堿，同時進行殺菌，電化學產(chǎn)水全部回到循環(huán)水池，鈣鎂垢以固體形態(tài)從電化學裝置析出。整個系統(tǒng)水量回收率＞98%，僅有部分EDR反洗水和隨垢移走的水量損失。

本工藝將EDR濃水作為電化學進水，可大幅提高電化學的處理效率，減少電化學裝置的規(guī)模和能耗。整體運行后，可控制整個循環(huán)水系統(tǒng)的硬度堿度達到合理范圍，在專有配套無磷水處理劑的共同作用下，實現(xiàn)系統(tǒng)高濃縮倍率工況下的安全穩(wěn)定運行；不僅可以大大減少排污量和補水量，可少減緩蝕阻垢劑用量和大量殺菌劑的需求，同時對系統(tǒng)的設備保護效果也大大提升。

3.一體化裝置運行效果

(1)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水情況

一體化裝置從2019年3月開始試運行，對比一體化裝置投用前后補水率可以看出，補水率由1.2%降至0.91%，降低了0.29%，循環(huán)水量由2018年的38000m3/h升至大修后42000m3/h計算，年運行時間按8640小時計，每年節(jié)約補水量約105萬噸。圖2為循環(huán)水系統(tǒng)補水率的變化趨勢圖。

圖2 循環(huán)水補水率變化趨勢圖

(2)循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測狀況

經(jīng)過裝置的長周期運行，循環(huán)水系統(tǒng)實現(xiàn)了高濃縮倍率（≥6.0）運行，濃縮倍率由裝置運行前的3.1倍提升至7.1倍，循環(huán)水各項指標達到Q/SH 0628.2—2014《水務管理技術(shù)要求-第二部分：循環(huán)水》要求。表2為一體化裝置投用前后循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表2 一體化裝置運行前后循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

(3)水冷器檢維修情況

技術(shù)投用后有效的控制了循環(huán)水水質(zhì)，保護系統(tǒng)設備管路，降低腐蝕和結(jié)垢，水冷器檢維修頻次由2018年的年檢修31次，降為2019年的年檢修3次，檢修頻次大幅降低，從而延長各設備的使用壽命和換熱效率保障煉油裝置的長周期運行，帶來可觀的間接經(jīng)濟效益。

(4)一體化裝置運行效果及分析

實測運行一年的進出水質(zhì)，電滲析裝置平均進水電導率為2225μS/cm，TDS為1234mg/L；出水電導率為1034μS/cm，TDS為519mg/L。電化學裝置進水細菌總數(shù)為每毫升3.14×104個，余氯為0mg/L；產(chǎn)水細菌總數(shù)為0，產(chǎn)水余氯為1.05mg/L。從數(shù)據(jù)上驗證了電滲析裝置能達到53%以上的除鹽率，電化學裝置則能有效地將水中氯離子轉(zhuǎn)化為余氯，并起到良好的殺菌效果，減少次氯酸鈉藥劑、非氧化殺菌的投入30%。

4.經(jīng)濟效益評價

經(jīng)核算，增設一體化裝置后大榭石化三期循環(huán)水系統(tǒng)每年節(jié)約工業(yè)用水成本379.33萬元，節(jié)約排污廢水處理費用301.95萬元，單位處理水處理藥劑量降低了30%以上；更加有效的控制水質(zhì)，保護系統(tǒng)設備管路，降低腐蝕和結(jié)垢，從而延長各設備的使用壽命和換熱效率，水冷器檢維修頻次降低90%；一體化裝置的投用，每年可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約930.51萬元。

5.結(jié)論及建議

一體化裝置在大榭石化三期循環(huán)水系統(tǒng)的成功應用，證明該技術(shù)應用在大型循環(huán)水系統(tǒng)是經(jīng)濟可行的，同時具有良好的社會效益，對于企業(yè)實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能、節(jié)水減排、降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行具有重要意義，為提高企業(yè)的資源綜合利用水平發(fā)揮重要作用。但一體化裝置在制水率、電滲析化學清洗頻次和膜的壽命、過濾器的過濾精度和反洗頻次、裝置占地集成等方面尚有改進空間，建議從模塊化、系統(tǒng)化、智能化角度考慮，實現(xiàn)迭代更新開發(fā)，并在新建項目和同類行業(yè)中推廣使用。