TOC分析儀在工業凝結水回收中的應用

TOC分析儀在工業凝結水回收中的應用

美國哈希公司北京代表處 程 立，楊家建，武云志

The Application of TOC Analyzer in Reclamation of Condensation Water

本文討論了目前國內外工業凝結水回收的現況，凝結水回收的重要性。分析了TOC檢測在凝結水回收中的重要性，以及TOC的監測方法。同時介紹了TOC分析儀的特點功能，以及在國外應用的有關信息。

凝結水；回收； TOC檢測

Abstract:This paper discusses the current status and the importance of the industrial condensate water reclamation. It analyzes the importance of TOC monitoring in reclamation and the measuring method of TOC. Besides, the features, functions and related application information are also involved in the paper.

Key words:Condensation Water; Reclamation; TOC Monitoring

1 前言

在工業生產中，蒸汽作為一種熱能載體被廣泛應用于發電、石油、化工、印染、造紙、輕紡、釀造、橡膠、陶瓷等工業領域中。尤其是化學工廠和石化工廠這些能耗很大的企業，在它們的生產過程中，需要大量的蒸汽傳輸能量。蒸汽被用來裂解、加熱和處理碳氫化合物以及為了進一步處理，制備成其它化合物。大量的工業用水和以煤炭為主的能源被使用來產生蒸汽，而蒸汽釋放出部分熱能后生成的凝結水往往因為受到不同程度的污染被直接排放，造成大量的熱能和水資源浪費。

源水通過凈化工藝、除鹽生產出蒸汽需要很多工序，耗費大量的人力和金錢。使用完的凝結水有的很干凈，還可以繼續使用；有的比較干凈，需要進一步純化；有的凝結水已經被污染，要排放到污水廠。

凈化使用過的回流凝結水要比從原水生產出純凈水經濟很多，特別是在我國華北、西北等水資源匱乏地區，盡可能提高凝結水的再循環使用，有非常重大而且現實的意義。

2 國內外凝結水回收系統的發展現狀

據不完全統計，全國的工業熱力蒸汽鍋爐有60余萬臺，蒸發量已超過200萬噸/小時。其耗煤量約占全國煤產量的三分之一以上，輔助設備的耗電力量約占全國電產量的十分之一。因此，節煤、節電及節水的潛力和前景極為巨大。目前我國絕大部分企業的凝結水和余熱沒有進行回收。僅僅是一次性使用，用完后直接排放到污水廠。實行凝結水回收的很多企業中，其回收系統也還沒有達到充分利用熱能、節水和環境保護的要求。

以石化行業為例，目前我國石化行業凝結水回收率的平均水平為40%左右，而國際平均水平為70%以上。另一方面，國內各石化企業的凝結水回收率相差較大：高的在70%以上，低的回收率極低。

而在國外，這種凝結水回收設施已經非常成熟。建造一個適用于化學工廠和石化工廠的鍋爐/蒸汽系統的成本與建造一個專門生成蒸汽供許多發電單位使用的工廠的成本相差不大。因此，世界上出現了許多蒸汽/發電，多種經營的工廠；蒸汽/電力公司與用戶單位聯合起來，把供氣—使用—回收—再利用做成相互服務和監督一條龍的優化體系，最好的滿足供應商和用戶之間的需求和最大利益。此外，多余的電可以賣給公共電網或其它的電力公司/用戶。

化學/石化工廠和電力/蒸汽公司都是要計算經濟效益的。他們的聯合系統是建立在獨立優化、監督和核算的基礎上。電力公司關注的是化學和石化工廠使用后回流蒸汽的純度，化學和石化工廠關注的是蒸汽供應的純度，以及自己生產工藝中，材料、潤滑油的泄露。

這種相互的質量檢查非常嚴格，不然就會影響化學和石化工廠的產品質量。蒸汽污染的程度要求有機污染物最低檢出限是10PPB。這些污染的來源主要是石油產品，蒸汽循環過程中機械泵的機械油滲漏，以及換熱器的泄露等。

3 凝結水回收系統的重要性

凝結水擁有大量的熱量，一般占蒸汽總熱量的20～30%左右，某些設備可高達40%。因此若能將高溫凝結水作為鍋爐補給水循環使用，不僅節約了工業用水，更可節約大量的燃料。這樣，鍋爐在生產同樣多的蒸汽時，就可節約30～40%的燃料、用水和水處理藥品，降低生產成本。燃料節約的同時導致鍋爐煙氣排放的減少，保護了環境，蒸汽的優化及回收凝結水將節約能源、解決蒸汽系統的跑冒直排，爭取實現閉式循環，最大限度地節水、節能、環保，具有可觀的經濟效益和社會效益。

以中國石化股份有限公司為例，通過調查發現，中石化煉油企業的凝結水回收潛力：如果每小時回收凝結水1720噸，除鹽水按15元/噸計算，年效益可達到2.1億元。同時，可將中國石化的凝結水回收率從目前的40%提高到70%以上，達到國際先進水平，同時減少污水排放量1500萬噸。

由此可見，有關蒸汽優化和凝結水回收的技術管理是企業節能、節水管理的一個組成重要部分，提高蒸汽利用效率及提高凝結水回收利用率是目前工業企業提高效益和競爭力的重要手段。

4 TOC檢測在凝結水回收中的重要性

在電廠、石化和化工等企業中，凝結水能否回收最關鍵的問題是回流蒸汽的純度，特別是對回流TOC的含量非常關注。TOC，即總有機碳，代表了水中所含有機物的總和，它反映了水中被有機物質污染的程度。生產過程中產生的凝結水，如果其TOC值比較低，便可以不需預處理再一次進入鍋爐循環系統中運行。如果超標，便只能被排放掉。一旦凝結水被排出，這就意味著生產企業必須向鍋爐中加入給水。給水未經處理是不能直接進入鍋爐中運行的，必須首先對給水進行一系列的凈化處理，達標過后才能進入鍋爐中運行。

蒸汽循環過程中的TOC來自于幾個方面：（1）換熱器有泄露，使蒸汽暴露在過程中，從而聚集一些有機物；（2）石化化工生產過程中，原料、中間產物和最終產品的泄露都可能會進入到蒸汽中，從而產生TOC；（3）蒸汽循環過程中機械泵、閥的機械油滲漏等。

在凝結水處理過程中，需要盡快了解到有機物的含量，以決定水是否可以進入回收水回路或直接排放。一方面，TOC的濃度增加，會降低離子交換樹脂的使用壽命，并會增加對系統的腐蝕。另一方面，有機物進入鍋爐的危害非常巨大：有機物在爐水蒸汽循環的高溫高壓作用下會發生熱水解，從而產生CO32等酸性物質，造成鍋爐腐蝕；有時，有的還會從爐水系統進入蒸汽中，引起蒸汽循環系統的腐蝕。TOC 監測不僅可以自動做出蒸汽凝結水的使用和再使用的決定，還可以計算出需要補充到蒸汽系統中的清潔給水水量。

5 TOC在線分析儀簡介

當前，用于TOC檢測的在線儀器很多。這些儀器的設計思路相同，那就是先將水中的有機物質氧化為二氧化碳，然后檢測二氧化碳的量來確定TOC濃度。這就涉及到氧化有機物質的氧化方法問題和檢測二氧化碳的檢測手段問題。對于氧化技術，主要有以下四種：即高溫氧化法、加熱的過硫酸氧化法、紫外線加過硫酸氧化法和紫外線氧化法。而通過美國材料與試驗協會(ASTM)認證的二氧化碳檢測方法只有兩種：非色散紅外檢測（NDIR）和薄膜電導率檢測。

圖1 HACH Astro 四個系列TOC在線分析儀

其中較為典型的有美國哈希（HACH）公司生產的Astro TOC在線分析儀。ASTRO TOC已經有40年的生產歷史，主要應用在工業生產，包括過程用水和污水排放檢測。Astro TOC有四大系列：1950 Plus、UV、UV Turbo、和HT TOC。它們分別適用在凈水、高鹽、快速響應、污水監測等多種工業檢測要求環境下；測量范圍從5PPb到20000mg C/L，多達20余個選配置方案。為了適應工業水中難消解樣品的條件，ASTRO TOC可以在試劑氧化的基礎上配置多達3個紫外燈，保證樣品的充分被氧化。

在以上四個系列中，ASTRO UV TURBO是專為化工、石化和電廠凝結水回用的TOC 分析而設計。采用經典的TOC檢測分析技術——過硫酸鈉紫外催化氧化法，整個分析過程分為5個步驟：

圖2 過硫酸鈉紫外催化氧化法分析過程圖

第一步：樣品通過多通道進樣閥進入分析儀，加入磷酸試劑，將水中的無機碳轉化成CO2；

第二步：利用氣液分離器分離出CO2，隨載氣排出，從而除去樣品中的TIC；

第三步：樣品與過硫酸鈉試劑混合，進入紫外光消解裝置進行氧化反應，將有機物氧化成CO2和水；

第四步：生成的CO2和水被氣液分離器分離，分離出的CO2氣體被送進非發散紅外檢測器；

第五步：紅外檢測器對CO2的檢測有良好的檢測靈敏度和線性度，分析得到CO2的濃度，并換算成TOC。

Astro UV TURBO TOC在線分析儀突出“連續在線”的特點：

樣品流連續流入消解池中，不會發生中斷，充分體現了“實時監測”。而批次TOC分析儀的分析過程就像對監測過程拍了一系列“快照”。定期拍“快照”，有可能錯過測量的“事故”現象，甚至多數TOC超標事件因為批次監測原因沒有被監測到。假設批次TOC分析儀的響應時間是5分鐘到30分鐘的話，整個事故超標現象可能完全錯過；如果分析時間比采樣時間長，那么重要的信息有可能永遠都檢測不到。連續式監測TOC就是對整個監測過程拍攝的連續錄像，Astro UV TURBO分析儀正是可以對凝結水回收系統進行連續錄像的有機物檢測系統。

由于在石化系統中安裝的過程儀表都有嚴格的防爆要求，ASTRO TOC還具有方便、配套的正壓防爆系統，可以應用在危險場所的1區和2區。

6 TOC在線分析儀在凝結水回收中的應用情況

ASTRO TOC在線分析儀在美國工業凝結水回收系統中得到廣泛的使用。它的快速測定，連續進樣方式和低檢出限的性能，與一般的批次式的傳統原理儀器相比優越很多；極大地滿足了用戶的生產和回收檢測的需要。在蒸汽/電力生產廠，根據TOC濃度的高低，甄別目前的蒸汽是回收、再生還是排放。如果生產用戶的工藝工況好，它使用完的蒸汽的TOC含量很低，這種蒸汽完全可以再一次回收，那么這個用戶在生產中僅需要付一點蒸汽“借用”的錢，因此它的生產工藝成本降低了很多，使用戶和供氣系統進入一個良性循環，最后整個行業得到進步。

凝結水回收中的一個焦點問題，就是要監測回收蒸汽的TOC含量。為了再利用，水質必須相對干凈；使用一臺在線的TOC分析儀非常重要，它能提供快速、準確、可靠的TOC測量。

通常，Astro UV TURBO TOC在線分析儀安裝在冷凝器或冷卻塔和回流管路之間（如圖3所示）。可以在5分鐘之內提供TOC的測量結果，準確度可達到測量值的±4%或±8μg/L。

圖3 Astro UV TURBO TOC在線分析儀安裝位置圖

7 結語

TOC在凝結水回收利用中是很關鍵的參數，利用TOC在線分析儀可以實時、準確地檢測凝結水水質，TOC監測不僅能判斷凝結水的回收與否，還可以計算鍋爐補給水量和污水排放量，對工業企業的凝結水回收系統、鍋爐補給水系統和污染處理系統都有著重大的影響。