大型敞開式循環冷卻水系統設計及運行研究

(河南能源集團龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

大型敞開式循環冷卻水系統設計及運行研究

趙小磊

(河南能源集團龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

主要對循環水系統中關鍵的過濾器設置及選擇，系統泄漏排查及處理，殺菌系統選擇等進行研究討論。

敞開式循環水系統；設計；運行；研究

大型敞開式循環水系統運行過程中，通常由于換熱器泄漏、過濾系統故障、藥劑投加管理不善等原因，導致循環水水質惡化，最終導致循環水系統管道及換熱器腐蝕，結垢加重，加重泄漏，甚至導致化工企業的安全事故。循環水系統是化工企業的血液，管理好循環水系統，是保證化工企業安全穩定運行的基礎。做好循環水系統的穩定運行工作，需要從設計到運行管理關注一些關鍵點，從硬件到軟件均做好工作才能從根本上解決循環水系統運行過程中出現的問題。本文著重從大型敞開式循環水系統設計時排污，補水口位置安裝，過濾器的選擇及換熱器設置，運行過程中系統殺菌管理等方面做進一步實際運行研究總結。

河南龍宇煤化工有限公司是一家年產50萬t甲醇、20萬t二甲醚項目的大型煤化工企業，與之相配套的循環冷卻水系統循環水量為47 500 m3/h，系統保有水量為17 000 m3，采用敞開式機械通風冷卻塔。循環水系統冷卻的工藝介質主要有：氨、甲醇、二甲醚、合成煤氣、各種潤滑油等。由于設計及運行管理等問題，在循環水系統運行的7年來，遇到各種困難和問題，其中有因為設計缺陷導致的運行問題，有由于換熱器泄漏導致的水質問題。在此，對循環水系統運行中的問題進行一一總結研究，為后續建設運行的循環水裝置提供參考。

1 大型循環水系統設計需考慮的幾點問題

1.1循環水旁濾的選擇

大型化工裝置配套敞開式循環冷卻水系統建議采用帶氣擦洗功能的砂濾過濾器，不宜采用纖維束濾元或不帶氣擦洗的過濾器。推薦使用多介質過濾器或V型濾池。

由于大型化工裝置換熱介質種類較多，成分復雜，一旦發生泄漏，往往會導致系統濁度升高，黏泥量增加，由于有機污染物往往有較強的黏性，附著性較強，纖維束濾料污染板結，導致反洗效果較差，纖維束過濾器過濾流量下降明顯。而不帶氣體擦洗的石英砂過濾器同樣會由于反洗不徹底，導致濾料污染逐步加深最終板結，隨后反洗時水帽正上方的濾料會由于局部流速高，濾料流失，形成短流區，導致完全失去過濾效果。

公司最初設計使用的過濾器為纖維束過濾器，過濾量200 m3/臺，設置10臺。 最初運行，由于換熱器均是新設備，不存在泄漏問題，運行狀態良好，循環水系統濁度維持在4 NTU左右，由于使用礦井涌水，濃縮倍數選擇2±0.1。在運行2年后，系統換熱器出現泄漏，系統濁度直線升高至40 NTU左右，纖維束濾料板結嚴重，10臺過濾器總處理量從2 000 m3/h降低至300 m3/h。經過個別更換濾料試驗發現，新更換的濾料，使用7天后，反洗就出現羅茨風機風壓升高，濾料再次板結的情況。

2011年7月，循環水系統增加24臺淺層砂過濾器，石英砂濾料填裝高度為40 cm，單臺過濾流量37.5 m3/h，填裝濾料為粒徑1～2 mm的石英砂濾料。反洗僅通過產水背壓水力反沖洗，反洗形式單一，反洗強度控制難度較大。但是冬季使用效果較好，夏季由于換熱器泄漏甲醇，生產白色絮狀，膠體類物質，導致砂濾反洗效果較差，需要不定期進行人工濾料疏松。最終經過試驗論證，絮狀物主要成分為甲醇和纖維素生成的甲基纖維素。淺層砂過濾器由于只進行水力反洗，未配備氣體擦洗裝置，導致在發生有機物污染時，濾料附著物較多，無法有效去除，最終導致濾料板結。并且由于過濾器反洗局部流速高，導致水帽上方位置濾料流失嚴重形成短流區，淺層砂失去過濾效果。

2013年6月，公司將一臺纖維束過濾器更改為多介質過濾器，使用原有羅茨風機為擦洗氣源。多介質過濾器主要由本體、濾帽、布水器、濾料、氣水反沖洗裝置等組成。多介質過濾器主要依靠濾料的機械過濾作用濾除水中的細小顆粒、懸浮物、膠體及少量有機物等雜質。多介質過濾器的運行狀態有過濾、水反洗、氣擦洗、氣水反沖洗4種，水反洗、氣擦洗、氣水反沖洗均為恢復濾料過濾作用的反洗手段，只是反洗強度有大有小。該廠所采用多介質過濾器的濾料種類和規格見表1。

陸地森林里死去或倒下的樹木通過風雨侵蝕或洪水進入暴漲的河流和溪流中，流向海洋，伐木業通過河流運輸的原木筏子中也會有一些木材脫離運輸隊伍最終進入茫茫大海。從溪流到河口，再到深海，這些被稱為漂流木或浮木的樹木殘骸，是海洋生物食物和棲息地的重要來源，對連接森林和海洋的食物網做出了巨大貢獻。

表1 多介質過濾器的濾料分布

7號旁濾改造為多介質過濾器后產水濁度數據如表2所示。經過試驗使用，可以看出多介質過濾器不僅過濾效果良好，應對各類污染物均有良好效果，只需適當調整氣體擦洗時長就能適應各類污染情況，并且產水量及水質在反洗后恢復良好。

表2 7號旁濾改造為多介質過濾器后產水濁度數據

根據實際使用效果觀察，由于循環水系統容易產生各類介質泄漏情況，水質復雜，對過濾系統的自清洗能力要求較高，所以帶氣擦洗功能的砂濾過濾器是最佳選擇。

1.2系統重要換熱器設置

系統重要換熱器宜采用雙聯可切換設置，并在進出水管路設置清洗對接閥和法蘭，便于在必要時對個別換熱器進行拆開檢查、檢修堵漏或離線獨立化學清洗。

1.3循環水池排污設置

循環水池排污設置很重要，在設計之初就需要考慮將排污口和補水管分開，避免位置過于接近導致補水利用率降低。另外排污口要設置在池底最低點位置，整個循環水池池底要保持一定的傾斜度，便于每次停車時快速方便地將池底及池壁積泥進行沖洗清理，排出池外。

循環水池設置溢流口時，考慮到系統會發生潤滑油泄漏或殺菌加藥劑產生較多泡沫時需要進行表面排污的情況，建議在設計溢流口時，將水平溢流堰板應用與循環水池，保證溢流堰板有足夠的長度，就可以在發生油泄漏、循環水池有大量泡沫和浮泥時，通過提高水池液位進行表面溢流的方式快速有效的將表面污染物排出池外，在完成水池溢流作用的同時擔負表面排污作用。

2 工藝運行研究

2.1殺菌劑的選擇及應用

循環水系統殺菌可配備成套的二氧化氯發生裝置和沖擊式藥劑投加系統，日常使用二氧化氯進行殺菌，可間隔一定的時間批量投加非氧化性殺菌劑(以異噻唑啉酮為主要成分)或鹵素類殺菌劑(DBNPN溴類殺菌劑)，提高殺菌效果并防止長期使用氧化性殺菌劑導致菌藻產生抗藥性。但是根據季節不同，可以調整投加頻次，通過多年運行摸索，以下投加周期完全可以實現在無泄漏或微量泄漏情況下控制循環水的菌藻生長情況。

冬春季節11月至次年4月，每周投加1次二氧化氯，每次開車實現余氯在0.5～1 mg/L并保持4 h。1個月沖擊投加1次其它類型殺菌劑，以非氧化殺菌劑為主，投加濃度提高到100×10-6～200×10-6，保證沖擊投加效果。

夏秋季節5月至10月，每間隔三天投加1次二氧化氯，每次開車實現余氯在0.5～1 mg/L并保持4 h。1個月沖擊投加2次其它類型殺菌劑，以非氧化殺菌劑和氧化性殺菌劑交替投加為宜，投加濃度建議提高到100×10-6～200×10-6，保證沖擊投加效果。

2.2低含量甲醇泄漏導致系統產生甲基纖維素的判斷和應對措施

情況判斷：由于系統換熱器出現甲醇泄漏情況時，甲醇會和菌藻分泌及死亡后細胞壁破損釋放的纖維素合成甲基纖維素，該物質在循環水中呈絮狀膠體形態，直接導致系統懸浮物升高，在嚴重時會附著在末端低流速管道、換熱器內部，循環水池壁之上，形成致密的彈性乳白色半透明薄膜，嚴重影響系統的安全穩定運行。

甲基纖維素污染出現判斷方法：①系統存在甲醇換熱器并檢測到泄漏情況；②循環水中懸浮物升高，明顯存在膠體狀物質，過濾系統反洗出水取樣明顯有較多的絮狀物，破碎的懸浮物很快會積聚沉淀；③循環水周期性的濁度波動，約5 d出現一次濁度突然升高，其它時間濁度較低，但是濁度低時，換熱器明顯出現換熱效果降低；④水池內壁出現明顯的黏附物；⑤通過對懸浮物取樣和甲基纖維素進行色譜分析，對比樣品曲線做定性分析。應對措施：①加強對過濾系統的反洗，保證系統過濾量穩定；②對泄漏換熱器進行隔離檢修，如果無法隔離，可以增加換熱器的排污，降低該換熱器的回水流量；③在換熱器溫度升高明顯時，使用氧化性殺菌劑，增加甲基纖維素的氧化速度，能夠有效剝離在換熱器管道中黏附的物質，在濁度升高時進行大量快速排污置換。防止其再次成膜；④對可切換換熱器可以停運后，拆開封頭，直接使用高壓水槍進行沖洗，效果最好；⑤對換熱器進行在線清洗，使用沖擊氣流對甲基纖維素成膜有良好的控制效果；⑥對設置有膠球清洗的換熱器可以進行膠球清洗，但是要注意控制好流速，防止污染物過多，導致膠球堵塞在換熱器管路系統，影響換熱效果。

2.3循環水補充水采用更好的水質有利于水的節約和腐蝕的控制

根據龍宇煤化工的實際運行使用，可以看見，通過提高循環水水質不僅能夠實現水的節約，而且還可以有效控制系統的腐蝕，降低由于換熱器泄漏導致的化工系統停車風險，從而大大降低的開停車期間的資源浪費。

2012年10月以前，煤化工使用的循環水補充水為僅僅經過單純的絮凝、沉淀和過濾以后的礦井涌水，水礦化度高，電導率高達4 340 μS/cm，Cl-濃度達到257.26 mg/L，濃縮倍數控制為2±0.1。

2012年10月后，煤化工變更循環水補充水水質，使用脫鹽水和石灰軟化處理后的原水按照1∶3比例進行補充，濃縮倍數控制在3～4倍。

選取氣溫最高的2012年7月份和2013年7月份數據進行比較消耗數據對比見表3。

根據表3可以直觀看出，調整水質后，不僅系統腐蝕率有所下降，而且綜合水耗降低明顯，各項輔材消耗均有明顯降低。循環水系統運行更加經濟，換熱器無泄漏運行周期更長，更安全。然而，也有數據表明，完全采用脫鹽水作為敞開式循環冷卻水，會導致腐蝕的增加，所以不建議完全使用除鹽水。

表3 不同水質情況下循環水資源消耗和腐蝕率對比

2.4循環水系統內換熱器需要定期進行流量調整

集中供應循環水很容易導致系統水量分配不均衡，導致循環水能量浪費，需要每月對各個循環水換熱器進行一次流量監測和調整，以達到換熱效果和需要為標準。

3 結論

大型化工裝置采用集中供應循環水時，由于換熱器數量大，材質各異，加大了循環水系統管理的難度。循環水系統的的建設及運行過程中應該考慮更多的因素，消除不良影響，增加循環水系統的穩定性和可控制性。

2013-10-15

趙小磊(1982-)，男，助理工程師，從事水處理管理工作，電話：15939097518。

TQ022.121

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