旁濾+電化學工藝在硫酸循環水系統中的應用實踐

呂錫佳，鄭江勇，周元紅

（銅陵市華興化工有限公司，安徽銅陵 244000）

銅陵市華興化工有限公司（以下簡稱華興化工）現有3套硫鐵礦制酸裝置，每套裝置生產能力200 kt/a。由于循環水系統未進行任何水處理措施，導致水質惡劣，惡化的水質長期在換熱管內流通，形成的水垢和黏泥等會堵塞、腐蝕換熱管束，致使換熱設備換熱效率低下和設備腐蝕，嚴重影響設備的穩定運行。

1 循環水系統存在問題

華興化工3套敞開式循環水系統循環水量分別為6 000，8 000，4 000 m3/h，使用工藝水為補充水。參照GB 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》要求，敞開式循環水系統的水質控制重點是電導率、總硬度、總堿度和濁度等指標。華興化工循環水水質存在電導率高、硬度高、堿度高和濁度高等問題，嚴重影響了換熱設備的使用效率和生產的穩定運行。循環水水質運行指標見表1。

表1 循環水水質運行指標

據不完全統計，2018—2019年華興化工硫酸裝置w(H2SO4)93%酸冷卻器和w(H2SO4)98%酸冷卻器檢修更換32臺次。從循環水系統運行結果來看，酸冷卻器換熱管結垢厚度大于1 mm，循環水集水池池底泥沙層厚度大于300 mm。

2 循環水系統影響因素

循環水系統在運行過程中，由于水分蒸發、風吹損失等情況使循環水不斷濃縮，其中所含的鹽類超標，電導率上升，而循環水的溫度、營養成分和冷卻塔上充足的日光照射更是藻類和微生物繁殖的理想環境。長期運行使水質惡化，從多方面對換熱設備造成影響。

1）水垢。因循環水在冷卻過程中不斷地蒸發，使水中碳酸鈣濃度不斷增高，易在傳熱面上形成碳酸鈣水垢，影響換熱效率。

2）污垢。循環水長期與空氣接觸，會吸收空氣中大量的灰塵、泥沙等形成污垢，污垢不僅降低傳熱效率而且還引起垢下腐蝕，縮短設備使用壽命。

3）腐蝕。循環水運行過程中，循環水在冷卻塔內與空氣充分接觸，使水中的溶解氧呈飽和狀態，而水中的溶解氧是造成金屬電化學腐蝕的主要原因，加上循環水不斷地蒸發，使鹽含量升高，也增加了腐蝕傾向。

4）微生物黏泥。冷卻塔內光照、適宜的溫度、充足的氧氣及養分，很適合微生物和藻類的生長繁殖，進而形成大量的微生物黏泥，堵塞換熱管束，冷卻散熱效果大幅下降。

因此，為保障換熱設備的穩定運行，必須對循環水系統進行水處理。

3 循環水系統處理方案

3.1 增設旁濾設備

增設旁濾設備，以控制循環水系統長時間運行下循環水的濁度和污垢。目前使用廣泛的旁濾設備有多介質過濾器、高效纖維過濾器和淺層砂過濾器等[1]。

多介質過濾器處理量受限，清洗耗水量大，每次清洗水量是裝置能力的300%。高效纖維過濾器清洗耗水量小，每次清洗水量是裝置能力的3%，但清洗需輔助機械攪拌或氣擦（增加能耗），且濾料更換頻繁、價格高。淺層砂過濾器清洗耗水量小，每次清洗水量是裝置能力的3%~5%，利用了砂濾截污力強和高效纖維過流量大的優勢。相比于多介質過濾器和高效纖維過濾器，其優勢在于濾料價格低且更換便利、清洗能耗低、排水量少[2]。綜上分析，優先考慮淺層砂過濾器。

淺層砂過濾器是利用石英砂作為過濾砂，在一定的壓力下，把濁度較高的水通過一定厚度的粒狀或非粒的石英砂過濾，有效地截留去除水中的懸浮物、有機物、膠質顆粒、微生物、氯、嗅味及部分重金屬離子等，最終達到降低水濁度、凈化水質效果的一種高效過濾設備[2]。

3.2 采用電化學處理設備

目前針對造成換熱設備結垢和腐蝕的循環水處理有2種工藝：藥劑法和電化學法[3]。

藥劑法是用成套加藥設備長期向循環水系統注入無磷阻垢劑、氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑、黏泥剝離劑等。加藥設備一次性投入約8萬元/套，以華興化工3套循環水系統為例，3套系統成套加藥設備投資約25萬元，藥劑消耗在40~50萬元/a。裝置投運后，不考慮水體置換，按正常排污比0.4%計，排放污水量約576 000 m3/a。這部分污水送入污水站后，污水處理量增加72 m3/h，不但多耗電、耗藥劑、費人力，還直接考驗裝置能力。

電化學法其主要工作原理是利用電化學的氧化還原反應，將水中Ca2+、Mg2+以固態形式排除，降低水體硬度，達到除垢和防腐蝕的目的。同時產生氧化性物質，抑制循環水系統中菌藻的滋生，起到殺菌滅藻功效[3]。目前電化學法技術成熟，因環保、節能、減排顯著，已有取代藥劑處理法之趨勢，在歐美及中東已廣泛應用，被認為是世界最優冷卻循環水處理技術。電化學法可有效降低循環冷卻水中濁度、硬度、電導率、氯離子等指標，運行半年以上可緩慢除去現有換熱設備已經生成的水垢，而且還可節約清洗換熱設備的費用。

與藥劑法相比，電化學法不僅可減少排污水量且不產生水化學污染，節水環保，一次性投資約為化學藥劑使用18個月左右的運行成本。電化學法運行成本極低，約為藥劑法的1/10。綜上分析，優先考慮電化學處理設備。

4 電化學處理設備

電化學處理設備利用水電解的基本原理為基礎，陽極和陰極附件分別制造出氧化反應環境和還原反應環境，從而實現水垢的去除和在線產生殺菌滅藻物質。電化學處理設備具有阻垢、除垢、殺菌滅藻、防腐四大功效[3]。

1）阻垢。在陰極附近水被電解產生OH-，使pH值升高到約14，在高堿性環境下水中Ga2+、Mg2+以CaCO3、MgCO3等水垢形式析出并附著在陰極板上。隨著陰極板上沉積水垢增多，通過人工定期清理或刮刀、“水刀”自動清理排出循環水系統，維持循環水中離子平衡，實現水質穩定。

2）除垢。在高壓靜電場的作用下，由于水分子的偶極矩增大，增加了水分子與CaCO3等正、負離子的水合能力，因而加快了對已形成水垢的溶解速度，從而使管道和設備壁上原有水垢逐漸松散、龜裂，以至脫落，達到了除垢的效果。

3）殺菌滅藻。在陽極附近水中的氯離子被氧化，產生游離氯（質量濃度大于或等于0.1 mg/L）及臭氧、雙氧水等強氧化性物質，可有效殺滅微生物，持續控制整個循環水系統中細菌和藻類的滋生。

4）防腐。經高壓靜電場處理的冷卻水中將在管路及設備的金屬表面產生一層微薄氧化膜，可以有效地隔絕水中的氧與金屬管壁接觸，防止腐蝕。

5 旁濾+電化學工藝的應用

旁濾設備和電化學處理設備分別安裝于循環水管線出水管和回水管，經過處理的水回流至循環水池，沖洗水進入收集池。經自然沉淀后，收集池上部清液回用至循環水池，底部沉淀物人工定期清理。旁濾量取循環水量3%~5%，3套系統旁濾和電化設備進水量分別為240，240，120 m3/h。安裝過程中需注意壓力條件，旁濾設備進水壓力不低于0.3 MPa，電化學處理設備進水壓力不低于0.1 MPa。

旁濾+電化學工藝流程見圖1。

圖1 旁濾+電化學工藝流程示意

6 運行效果

一、二、三系統循環水淺層砂過濾器分別于2021年4月3日、2020年12月26日和2021年4月15日投用，設備投用后，通過持續對循環水濁度跟蹤檢驗以驗證運行效果，現3套循環水系統濁度均從原來20~50 mg/L下降到目前的10 mg/L以下（有時不到5 mg/L），已達到相關水質國家標準，效果非常顯著。

硫酸一系統2臺120 m3/h電化學處理設備于2021年3月25日投用。為了對實際運行效果有更加直觀的體現，分別于5月26日和6月2日各打開1臺電化學處理設備箱體，觀察到陰極板附著大量自動清洗后殘留的碳酸鈣、碳酸鎂等成分結垢物（見圖2）。大部分（占90%）平均厚度0.2~0.5 cm，邊緣位置因“水刀”沖刷不到，厚度達到5~6 cm，兩次人工清理出殘留結垢物質量分別為60 kg和75 kg。通過推算，這2臺電化學處理設備運行2個月實際除垢量約為2.5 t。為了檢驗電化學處理設備的有效性，利用系統小修機會查看w(H2SO4)93%酸冷卻器內部結垢情況，內部管束內結垢現象明顯好轉，對比使用電化學處理設備前，酸冷卻器管束經常堵塞、結垢的現象有非常明顯的改善。從電化學處理設備投用后保持對硫酸一系統循環水水質相關指標的跟蹤和檢測，其中電導率從2 000 μS/cm下降至1 300 μS/cm，總硬度從900 mg/L下降至500 mg/L。再配合淺層砂過濾器降低濁度和減少污垢的作用，硫酸一系統循環水水質各項指標均有所下降，水質得到明顯提升。

圖2 電化學處理設備結垢物

硫酸一系統旁濾設備和電化學處理設備投入使用1個月后，循環水系統腐蝕率開始降低，換熱設備換熱能力開始改善。投入運行3~6個月后，軟垢基本清除，循環水系統不再生成新的垢層，換熱設備換熱能力提高，達到節能減耗的效果。投入運行6個月后，循環水系統內原有硬垢逐漸疏松、脫落。使用3個月后循環水系統內殺菌滅藻率達到99%以上，循環水系統不再有藻類生成，原有藻類逐漸死亡，水體無異味，水質清澈，無菌類生長。

硫酸一系統循環水水質檢測數據見表1。

表1 硫酸一系統循環水水質檢測數據

7 結語

華興化工采用旁濾+電化學工藝處理硫酸系統循環水，在除垢、防垢、殺菌滅藻方面達到預期效果。采用該技術可節省大量的費用，并可實現循環水的綠色環保排放，具有顯著的經濟效益和社會環境效益。