循環(huán)水電化學(xué)除垢技術(shù)在化工企業(yè)的研究與應(yīng)用

劉延財(cái)，王奮中，曹國玉，高樹麗

（陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林719319）

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司（簡稱北元化工）100 萬t/a 聚氯乙烯綜合循環(huán)利用項(xiàng)目所有循環(huán)水系統(tǒng)均采用化學(xué)藥劑方法處理，在運(yùn)行過程中，隨著循環(huán)水蒸發(fā)濃縮，鹽類物質(zhì)不斷增加，水與空氣直接接觸把空氣中的大量灰塵洗滌到水中，濁度升高，化學(xué)藥劑的加入或者工藝介質(zhì)泄漏，水中污染物、雜質(zhì)不斷增加,影響水質(zhì)指標(biāo)，為了控制濃縮倍數(shù)和濁度，不得不補(bǔ)充新鮮水進(jìn)行置換。 一般情況下，循環(huán)水濃縮倍數(shù)控制較低，濁度通過旁流設(shè)施過濾后，效果也一般， 部分換熱設(shè)備因循環(huán)水流速等原因存在結(jié)垢和腐蝕問題，造成換熱效率低下，影響生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合以上情況，北元化工在乙炔二期循環(huán)水站和蒸發(fā)循環(huán)水站引進(jìn)電化學(xué)除垢技術(shù)替代藥劑處理。

1 電化學(xué)設(shè)備結(jié)構(gòu)附件

乙炔分廠循環(huán)水電化學(xué)除垢設(shè)備主要結(jié)構(gòu)附件包括水處理執(zhí)行器箱體（含陰極、陽極、密封系統(tǒng)）；電控柜（含直流電源、控制系統(tǒng)）；直流電源輸出380V，50 Hz；保護(hù)電流600 A，輸出電壓5～30 V，設(shè)備運(yùn)行電流范圍450～550 A。

圖1 蒸發(fā)循環(huán)水電化學(xué)除垢設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)控制電路提供一個(gè)恒定電流， 控制系統(tǒng)包括：電源為24 V、70 A 或者30 V、50 A 的直流電源；PLC 控制系統(tǒng)；交互顯示界面；pH、電導(dǎo)率測試儀；主電源連接：3 相，380 V。

2 電化學(xué)除垢原理

2.1 循環(huán)水溶液的電化學(xué)反應(yīng)

（1）氧化反應(yīng)。產(chǎn)生OH·、O3、H2O2、HClO 等強(qiáng)氧化物質(zhì)。 作用：除軟垢、殺菌滅藻、防腐蝕。

（2）還原反應(yīng)。將成垢離子從水中直接去除。 作用：除垢、除鹽、降低硬度、提高濃縮倍數(shù)。

2.2 相關(guān)化學(xué)方程式

（1）陽極反應(yīng)高級氧化作用及電解形成強(qiáng)酸環(huán)境殺菌滅藻。

（2）陰極反應(yīng)

電解形成強(qiáng)堿環(huán)境殺菌預(yù)成垢。

2.3 防腐蝕原理

設(shè)備腐蝕原因較多， 可分為細(xì)菌腐蝕、 藥劑腐蝕、氯離子腐蝕等，該設(shè)備具有殺菌效果，因此可以減少細(xì)菌對系統(tǒng)所帶來的腐蝕， 設(shè)備處理冷卻循環(huán)水時(shí)，不添加任何化學(xué)藥劑，因此可減少化學(xué)藥劑所產(chǎn)生的腐蝕， 設(shè)備在電解中能將部分氯離子電解成氯氣飄散掉，最終排出循環(huán)水系統(tǒng)，從而也能減少氯離子對管道、換熱器、凝汽器等設(shè)備的腐蝕，電解過程中產(chǎn)生的氫氧根離子和活性氧可促進(jìn)管道內(nèi)壁和各種換熱器內(nèi)壁的亞鐵離子和鐵離子最終生成四氧化三鐵（Fe3O4）致密磁鐵保護(hù)膜，隔開管壁和水，阻止進(jìn)一步腐蝕。

3 電化學(xué)處理實(shí)施方案

（1）乙炔二期循環(huán)水采用5 套半自動(dòng)化水處理裝置，每套裝置配備一臺(tái)管道泵，從循環(huán)水池取水，人工清垢。 蒸發(fā)循環(huán)水采用3 套全自動(dòng)化水處理成套設(shè)備， 液壓推動(dòng)刮刀將反應(yīng)室內(nèi)的水垢和其他沉積物、污染物從反應(yīng)室內(nèi)壁上刮下并排掉，全自動(dòng)控制，配備一臺(tái)取水泵，也可以采用循環(huán)水回水余壓進(jìn)入電化學(xué)設(shè)備內(nèi)，電子除垢設(shè)備采用PLC 控制智能化模塊，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線數(shù)據(jù)檢測，達(dá)到電壓、電流、頻率的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控管理。

（2）電化學(xué)除垢裝置負(fù)荷按照循環(huán)水量5%～10%的循環(huán)水進(jìn)行電解處理， 將系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)致生垢（銹）的成分如鈣、鎂、鐵等離子吸附收集。

4 藥劑處理與電化學(xué)處理對比

2019 年12 月， 北元化工電化學(xué)裝置項(xiàng)目建設(shè)完成，投入試運(yùn)行，投運(yùn)后按照技術(shù)要求，停止化學(xué)藥劑的投加，定期投加濃硫酸調(diào)節(jié)pH 值，同時(shí)將智能檢測換熱器掛片重新更換，每天進(jìn)行常規(guī)項(xiàng)目的檢測， 并做好數(shù)據(jù)的記錄進(jìn)行對比分析數(shù)據(jù)對比圖見圖2-圖9。

4.1 電化學(xué)除垢效果圖

電化學(xué)除垢裝置投運(yùn)14 天，乙炔二期循環(huán)水電化學(xué)設(shè)備箱體打開陰極板上析出大量的垢物， 呈白色固體物質(zhì)，質(zhì)地柔軟，偏堿性，容易剝離清洗。通過分析垢物其主要成分為碳酸鈣， 其他為磷酸鹽、硅酸鹽等雜質(zhì)。 循環(huán)水經(jīng)過電化學(xué)裝置處理后水質(zhì)明顯變清澈透明，濁度明顯降低，水質(zhì)指標(biāo)有所改善，這說明循環(huán)水內(nèi)灰塵、砂子、黏土等物質(zhì)也具有帶電離子的特性，在電解的作用下被電離析出，也說明了在環(huán)境比較差的地方， 應(yīng)用電化學(xué)裝置處理循環(huán)水是很有必要的。蒸發(fā)循環(huán)水站因水質(zhì)和刮垢的頻率，析出的垢物量比較少，刮出的垢物隨著刮垢、反沖洗及沉降少部分進(jìn)入污水系統(tǒng)。運(yùn)行8 個(gè)月后，大檢修期間將換熱設(shè)備及管道打開后， 觀察到管道表面形成分布不均勻、非致密黑色的保護(hù)膜。

圖2 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水濃縮倍數(shù)

圖3 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水鈣硬度

圖4 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水總堿度

圖5 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水氯離子含量

圖6 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水濁度

圖7 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水電導(dǎo)率

圖8 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水補(bǔ)水

圖9 乙炔二期循環(huán)水和蒸發(fā)循環(huán)水排水

4.2 掛片腐蝕速率分析

腐蝕速率分析數(shù)據(jù)見表1。

從以上分析數(shù)據(jù)可以看出， 乙炔分廠二期循環(huán)水掛片（1453、1454、3203、3204）和蒸發(fā)循環(huán)水掛片（1415、1414、3229、3230） 均 超 出 國 家 標(biāo) 準(zhǔn)（GB50050-2017）要求。 電化學(xué)除垢設(shè)施運(yùn)行期間，碳鋼掛片檢測均不合格，掛片很容易粘黏泥，造成垢下腐蝕，目前正在協(xié)調(diào)技術(shù)廠家進(jìn)行解決處理，掛片腐蝕沒有得到有效解決。

表1 腐蝕速率分析數(shù)據(jù)表

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

5.1.1 電耗

電化學(xué)裝置共計(jì)兩套，乙炔分廠二期循環(huán)水為5 套半自動(dòng)裝置，運(yùn)行過程中，單臺(tái)設(shè)備直流電流在330～460 A，電壓為23.0～24.0 V，每小時(shí)消耗電大約80 kW·h。蒸發(fā)循環(huán)水為全自動(dòng)控制，消耗電約（5+30） kW·h，動(dòng)力電功率30 kW（夏季溫度高使用）。 每度電按照0.3 元計(jì)算，裝置年投運(yùn)時(shí)間為8 000 h，每年增加電費(fèi)為18 萬～20 萬元。

5.1.2 節(jié)水

根據(jù)廠家提供的技術(shù)要求， 電化學(xué)裝置投運(yùn)后能夠在藥劑處理的基礎(chǔ)上節(jié)約用水30%，通過實(shí)際運(yùn)行8 個(gè)月，每年減少排污水15%～20%。

5.1.3 節(jié)約藥劑和技術(shù)服務(wù)費(fèi)用

蒸發(fā)循環(huán)水和乙炔循環(huán)水水質(zhì)處理藥劑采用承包制，每年藥劑費(fèi)用約40.8 萬元。 電化學(xué)裝置投運(yùn)后阻垢緩蝕藥劑停止投加，因殺菌效果不明顯，保留氧化性殺菌劑的投加。

5.1.4 實(shí)施費(fèi)用

實(shí)施費(fèi)用約26 萬元，主要是土建基礎(chǔ)施工材料及人工費(fèi)用。

5.2 社會(huì)效益

電化學(xué)裝置投運(yùn)后取代傳統(tǒng)藥劑處理方法，達(dá)到節(jié)水、節(jié)藥，提高了水的利用率。

6 結(jié)論

（1）電化學(xué)除垢設(shè)施能有效降低循環(huán)水的鈣硬度和總堿度，具有較好的除垢功能。

（2）電化學(xué)除垢設(shè)施可以通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生臭氧和氯氣對循環(huán)水形成殺菌作用， 但不能完全代替殺菌劑。

（3）循環(huán)水通過電化學(xué)除垢設(shè)施能夠形成四氧化三鐵保護(hù)膜，但循環(huán)水管道和設(shè)備使用時(shí)間較長，使用電化學(xué)裝置后不能完全形成分布均勻、 致密的氧化膜，需結(jié)合藥劑進(jìn)行處理。

（4）電化學(xué)除垢對于循環(huán)水的COD 和濁度的去除效果明顯，對于凈化循環(huán)水水質(zhì)具有較好效果。

（5）電化學(xué)除垢設(shè)施通過提高濃縮倍數(shù)可以達(dá)到節(jié)水、減排的目的。

總體分析，效果不是很明顯，未達(dá)到預(yù)期，檢測掛片處于腐蝕狀態(tài)， 未得到有效解決。 作為生產(chǎn)企業(yè)，工藝的先進(jìn)性、低能耗、技術(shù)的可靠性是首先考慮的問題，而作為電化學(xué)設(shè)計(jì)廠家，應(yīng)該從設(shè)備設(shè)施穩(wěn)定性和低能耗方面深入研究， 使得電化學(xué)處理設(shè)施在化工企業(yè)得到推廣應(yīng)用，更好地服務(wù)于生產(chǎn)。