FEC電化學水處理技術在工業循環水處理中的應用

段汝元，宋子平，李寧輝

(山西省焦炭集團益達化工股份有限公司,山西 介休 032000)

山西省焦炭集團益達化工股份有限公司利用伴隨焦炭生產富裕出的焦爐氣為原料生產甲醇，設計能力20萬t/a。公司設有循環水系統，以水為冷卻介質為設備提供持續、穩定的降溫。現公司設有循環水系統集水池1600m3，開放式逆流冷卻塔2座，系統給水溫度32℃，回水溫度42℃，系統設置4臺循環水泵(3開1備)，旁濾設備3臺，單臺處理水量130m3/h，系統循環水量7700m3/h，保有水量3300m3。

為提高水處理系統循環率，采用人工投加化學藥劑來保持水質穩定。經過多年的運行實踐，發現采用人工加藥的方式，會對水質管理造成以下問題：

(1)藥劑的消耗量大，平均每年使用水處理藥劑費用100萬元。

(2)補充水量大，濃縮倍數偏低，浪費了大量的水資源。

(3)受工藝的要求及空氣中懸浮雜質的影響，循環水中產生的粘泥較多，嚴重影響各設備的換熱效率，需要投加大量的殺菌殺藻劑。

(4)循環水的排污量大，對環境造成一定的影響，采用人工加藥的方式，不僅勞動強度大，而且會對員工的健康造成不利的影響。

1 電化學水處理工藝的原理

電化學水處理技術應用起始于20世紀40年代，近年來，電化學方法被稱為“環境友好”工藝[1]。電化學設備的核心部件是電極，主要是通過電解反應，將水中的有機和無機污染物通過電化學氧化、電化學還原和陰極吸附等方法去除[1-2]。

1.1 陽極反應機理

在電解過程中陽極表面(附近)區域能產生一定量的氯氣(Cl2)、雙氧水(H2O2)、次氯酸(HClO3)、羥基自由基(OH·)、臭氧(O3)、余氯等強氧化劑。化學反應式如下[3-4]：

①2Cl-→Cl2+2e-

② OH--e-→OH·

③ 2H2O-2e-→H2O2+2H+

④ 4OH-→O2+2H2O+4e-

⑤ O2+2OH--2e-→O3+H2O

⑥Cl--e-→Cl·

⑦ H2O-2e-→·O+2H+

1.2 陰極反應機理

陰極與水界面發生如下電化學反應：

① 2H2O+2e-→2OH-+H2↑

④ Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓

1.3 電化學法除垢機理

在電解過程中，陰極區域會有大量的氫氧根離子和碳酸根離子富集，在電場作用下，鈣鎂離子會向陰極區富集。當鈣鎂離子經過該區域時會生成碳酸鈣和碳酸鎂等沉淀物并吸附在陰極板上，定期清理陰極板上的沉積物，可有效的將鈣鎂離子排除到循環水系統外，從而實現除垢、防垢。

1.4 電化學法殺菌除藻機理

陽極產生的強氧化性物質對水體中的微生物毒性較強，可以有效的殺滅水體中的細菌及藻類。同時，伴隨電解反應的發生，陽極區為強酸區域(pH值<4)，陰極區為強堿區域(pH值>10)，對微生物的生存和繁衍起到了有效的抑制作用。再次，電解產生的直流電(設備最大可提供600A)可直接殺滅水體中的微生物。

1.5 電化學法防腐機理[5]

循環水管線發生腐蝕原因較多，可分為細菌腐蝕、藥劑腐蝕、氯離子腐蝕等。由于電化學法避免了化學藥劑的添加，且經過電化學的除菌、除氯后，可以消除大部分循環水管線發生腐蝕的因素。在電解過程中產生的氫氧根離子和活性氧可促進循環水管道內壁和各種換熱器內壁的亞鐵離子和鐵離子最終生成產四氧化三鐵(Fe3O4)，形成致密磁鐵保護膜，將管壁和水隔開，進一步阻止管線及設備的腐蝕。反應過程如下[6]：

① Fe2++2OH-→Fe(OH)2

②2Fe(OH)2+H2O+1/2O2→2Fe(OH)3

③2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

④3Fe2O3·nH2O+2e-→2Fe3O4+1/2O2+3nH2O

2 設計改造內容及效果

2.1 改造方式

電化學處理循環水設備以旁流形式安裝到循環水系統中，無需改變原管路系統，如圖1所示。在循環水回水總管上接DN300管道至電化學水處理設備底部(共6套，型號：FEC-B204)，循環水經過水處理執行器箱體處理，然后從水處理設備頂部出來，通過轉子流量計至旁濾器出水總管，匯合后一起進入循環水池。

圖1 電化學處理循環水工藝流程圖

2.2 運行效果分析

采用電化學處理循環水前后循環水系統運行模式未變，最大循環水量為7703m3/h，同時停止添加所有藥劑。

2.2.1 電化學處理裝置運行前后，水質對比分析

通過水質指標對比可見，電化學處理裝置運行前，循環水各項指標均超出設計要求，總硬度和氯離子超標嚴重。電化學處理裝置在運行了三個月之后，總堿度、總硬度、氯離子、鈣離子、總磷等指標顯著下降，均能滿足設計要求，水質改善效果明顯。具體結果見表1。

表1 電化學處理裝置投入前后循環水水質指標比較結果

2.2.2 電化學處理裝置運行前后，換熱器的結垢、腐蝕情況對比分析

電化學處理裝置運行三個月后，分別對氧壓機、焦爐氣壓縮機的冷卻器拆開觀察腐蝕、結垢情況，從圖2可見，結垢主要集中在電化學處理裝置內，循環水管束中僅含有少量泥沙，雜質，結垢與腐蝕情況均不明顯。

(a)電化學設備內部結垢情況 (b) 改造前循環水管線結垢情況

(c) 改造后氧壓機冷卻器結垢情況 (d)改造后壓縮機冷卻器結垢情況圖2 循環水冷卻器結垢情況

2.2.3 經濟效益分析

對循環水系統進行技術改造后，系統運行的成本和效益見表2。采用電化學方式對循環水進行處理，每年可節約新鮮水3.6萬噸，節約各類成本費用合計110余萬元。

表2 改造前后費用對比情況

3 結論

(1)電化學方式代替化學處理循環水技術改造的成功投用，提高了循環水水質，降低了后續系統換熱設備的腐蝕與結垢，提高了換熱效果，保證設備能夠長期穩定的運行。

(2)由于循環水循環率提高，減少了循環水排污量，降低了循環水的補充水量，起到了節約用水的目的，并且減少了清洗廢液對環境的污染，在一定程度上降低了公司的環保壓力。

(3)電化學處理循環水設備的投用，每年可以為公司節約成本110余萬元，具有較好的經濟效益。