電解水處理技術在循環水系統中的應用

張衛東

（中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300000）

0 背景

循環冷卻水用量約占工業用水總量的80%～90%，可直接提高水院利用效率，達到節省水資源的目的。 但是工業循環冷卻水隨著重復使用次數的增加，水中鹽類被濃縮。循環冷卻水的濃縮倍數越高，水中所含的金屬離子濃度也越高。再加上冷卻水與大氣充分接觸，溶解氧、灰塵和細菌含量大大增加，導致循環冷卻水系統容易出現三大弊病：結垢、腐蝕和菌藻滋生[1]。

冷卻水中金屬離子的鹽類（主要是鈣、鎂離子的碳酸鹽類）在熱交換器被冷卻表面沉積結垢，堵塞管道，并形成腐蝕。菌藻滋生并伴隨塵土會產生粘泥，在堵塞設備的同時加重腐蝕。這些情況嚴重時會造成重大事故，使生產不能正常運行，直接經濟損失巨大。

天津石化公司聚醚部循環冷卻水系統換熱器HE-1555兩側管箱內結垢嚴重、6根換熱管已經阻塞，3根發生內部穿孔泄漏。拆開換熱器發現：在冷卻器的管板上存在大量黃褐色或者磚紅色鼓包，鼓包下面是黑色粉末狀物質的腐蝕產物。換熱器拆開后如圖1所示。

圖1 換熱器管板腐蝕穿孔

此次換熱器腐蝕穿孔不僅影響了循環水質，也造成了嚴重的安全隱患，制定有針對性控制措施勢在必行。

HE-1555換熱器管板上的結垢物結晶主體存在Fe3O4（卡片號為19-0629）、FeOOH（卡片號為16-0713）和SiO2（卡片號為46-1045）和微量硫元素。分析結果如圖2所示。

1 聚醚部循環水系統介紹

1.1 系統基本情況

循環冷卻水系統主要為聚醚產品進行冷卻，系統由18臺換熱器、循環水泵、循環水池和冷卻塔構成。設備材質均為碳鋼。水質分析結果顯示：濃縮倍數約為6。循環冷卻補充水由給水提升系統供給。工藝流程圖如圖3所示。

圖3 循環水系統流程簡圖

1.2 工藝參數

表1 循環水系統的主要參數

1.3 補加水、循環水水質分析

對循環水系統補加水、循環水進行現場取樣，并進行實驗室分析，分析結果如下：

現場循環冷卻水的水型均為氯化鈣型，工業循環冷卻水隨著重復使用次數的增加，水中鹽類被濃縮。循環冷卻水的濃縮倍數越高，水中所含的金屬離子濃度也越高。并且循環水系統內的流速也較慢，很容易形成腐蝕和結垢環境。

表2 補加水水樣分析結果

2 電解水技術

為了解決換熱器堵塞、結垢和腐蝕穿孔問題，聚醚部引進了電解水處理技術。現場應用的技術為電解水原理，其主要原理如下。

電解處理循環水技術通過旁通處理的方式，取一定比例的冷卻循環水首先經過過濾器，而后流過電解水反應室，以便除掉適當的機械雜質，緊接著在反應室內除掉適當的礦物質和殺死細菌，然后流回循環水冷卻塔中。該技術發生的化學反應區別于任何一種其他的機械方法和電磁處理方法。通過電解，水中的礦物質在電解反應室內壁上沉淀出來并通過機械裝置去除。反應室內維持一定的工作電流，結果是：在陰極（反應室內壁）附近形成高濃度的氫氧根，這種升高的pH（pH值大約為13），讓容易結垢的礦物質預先結垢，并從水中析出。實際上，該處理過程與石灰處理形成冷石灰軟化環境 類似。

表3 循環水水樣分析結果

同時，電流也將一小部分的氯離子轉化為游離氯，部分氫氧根氧化成微量臭氧。這兩個產物提供了殺菌效應，結合安培電流及局部高的和低的（陽極）pH值區域，維持了電解反應室后面一個事實上的消毒環境。根據水蒸發濃縮過程中帶來的水中碳酸鈣飽和指數（LSI）的變化，將碳酸鈣控制在過飽和狀態，在管道和設備內壁形成很薄的保護層，從而保護管道和設備不和冷卻水中的溶解氧接觸，防止腐蝕現象的發生。同時，電解反應室內部可以除掉冷卻水中鐵、銅離子以及其他重金屬離子，水結垢物一起排到循環水系統之外，而這些離子是加速腐蝕的罪魁禍首。

在反應室內壁（陰極）附近發生的主要化學反應是[2]：

在堿性溶液中發生的反應（陰極附近）：

Ca2+（aq）可能形成氫氧化鈣Ca（OH）2垢，CaCO3垢。

陽極附近發生的化學反應有：

現場安裝照片如圖4所示。

圖4 電解循環水處理現場安裝設備圖

在電解反應室內把部分水垢以固體形式在電解水反應室內預先析出排出冷卻系統之外，冷卻水的濃縮倍率可以做得更高，從而節約大量新鮮補充水。而且在整個電解水處理過程中，無需添加任何化學藥劑，電解水反應室內刮垢和清洗排放水除了水垢和固體雜質外，沒有任何危害成分，因此簡單沉淀后可以用于景觀綠化或者清洗用水，同時也就不會向水體排放任何污染物，節省了大量的化學 藥劑。

該系統對補充水的依賴程度主要體現在：

（1）[F-]對系統的影響，可能影響到電極 壽命；

（2）水中COD對系統的影響，可能影響電解 效率。

因此，在應用該系統前，一定要對補充水進行全面的水質分析，確定其含有較低的[F-]和COD。

電解室是電解循環水裝置的核心部件，其中主要發生電解反應的部件是電極，目前其設計壽命大于3年。

3 應用效果

2014年09月安裝運行電解水處理系統，目前循環水量70m3/h，進入電解系統的水量為總水量的5%～10%。在未使用該套設備前，換熱器內粘泥附著嚴重，如圖5所示。

圖5 換熱器污泥結垢圖

目前循環水系統運行良好，水質較清澈，據現場人員反饋：停產拆開換熱器后內部結垢/污泥非常少，只需輕輕用清水一沖即可，而以前是需要用高壓水槍進行強力清洗的，電解循環水設備應用后，大大降低了勞動強度。拆開后換熱器照片如圖6所示。

圖6 應用電解裝置后換熱器拆開狀態

為了確保電解系統穩定安全地運行，維修工人需定期采用電極刷將電極表面的污垢刷掉，同時配合表面氣泡的攪動以及液量的高流速，確保了污垢都沉積與反應室底部，而不會附著于電極表面。

4 結論與建議

4.1 結論

電解循環水處理裝置原理可行，實際運行情況良好，可以有效控制循環水系統結垢，腐蝕，菌藻滋生，水質惡化，濃縮倍數超標等問題，使循環水系統始終處于優良穩定狀態。

4.2 建議

（1）電解循環水設備是依靠垢吸附于金屬表面起到部分防腐效果，因此建議在循環水系統啟動前，為了確保化學藥劑和薄垢附著于潔凈金屬表面，建議對循環水系統進行清洗和預膜；

（2）電解循環水設備由電解水質有某些特殊要求，建議對循環水補水水質進行全面分析，重點檢測[ F-]和COD；

（3）電解循環水系統穩定后，建議嘗試采用生產污水作為循環冷卻水補充水源，為國家節能減排做出貢獻。