化工凝結水回用工藝技術研究與應用

陶正興

（中電環保股份有限公司，江蘇南京 211102）

化工企業在生產過程中會產生大量蒸汽凝結水，凝結水一般分為工藝凝結水和透平凝結水兩大類。其中工藝凝結水是在工藝生產中產生的，一般經過解析、水解得到的，水質一般較差；透平凝結水是推動汽輪機做功的蒸汽在釋放能量之后，由于溫度、壓力降低而凝結出來的一部分冷凝水，水質相對較好。凝結水中，尤其是工藝凝結水中因反應器、換熱器泄漏等因素導致水質中含有油類物質、鐵離子和其他有機物等，而且部分凝結水電導率超標，凝結水無法直接回用于鍋爐系統[1]。此外，凝結水水溫一般較高，若直接排放或者降級處理，會導致資源的浪費和環境的污染。

凝結水回收利用不但能節約能源，還能節約水資源；此外，還能減少其余熱和水質對環境的污染，同時降低企業用水成本。隨著水資源的緊缺，凝結水的回收和利用逐漸得到國家和企業的重視，很多企業在考慮如何回收利用凝結水資源，凝結水處理的工藝也在探索中逐漸成熟。

本文通過對某生產乙二醇的化工企業生產中產生的凝結水進行處理的工程設計進行研究和分析，為凝結水處理的工程設計提供設計參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目進水水源為乙二醇化工企業生產中產生的工藝凝液和透平凝液，具體水質見表1。

表1 設計進水水質

1.2 工藝流程

本項目凝液處理后要達到《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》DL/T 12145—2016補給水水質質量標準。結合進出水水質，采用以下工藝流程：

工藝凝液精制流程：工藝凝液→板式換熱器2→板式換熱器3（保安）→凝結水箱→凝結水泵→過濾器→前置陽床→混床→脫鹽水箱；

透平凝液精制流程：透平凝液→板式換熱器1→板式換熱器4（保安）→過濾器→混床→脫鹽水箱。

對于工藝凝液，溫度較高，約140℃，綜合考慮后端處理設備的投資成本和運行成本，采用兩級換熱的形式，將溫度降低至40℃以下。為保證混床的運行周期，在進入混床之前設置過濾器，降低回水中鐵含量、有機物等，過濾器出水進入前置陽床除鹽后再進入混床中進一步除鹽，最終出水滿足要求。

對于透平凝液，溫度約60℃，和工藝凝液處理系統一樣，采用兩級換熱后進入后端處理工藝。透平凝液水質較好，直接通過混床處理即可滿足最終出水水質要求。

1.3 系統設計

本工程凝液精制系統包括板式換熱器1、板式換熱器2、板式換熱器3、板式換熱器4、工藝凝液水箱、透平凝液水箱、凝結水泵、過濾器、前置陽床、高速混床等。

1.3.1 換熱器

（1）板式換熱器1、板式換熱器2與脫鹽水制備裝置共用。

（2）設置2臺冷媒出力為 200m3/h的板式換熱器4作為板式換熱器1的串級換熱器，冷媒為循環水，進水溫度32℃，出水溫度 42℃，用來冷卻通過板式換熱器1的透平凝液，通過調節循環水量使透平凝液的溫度滿足凝結水精制系統混床進水溫度要求，系統各點溫度及流量由通過計算平衡后給出。換熱面材質為SS316。

（3）設置 2 臺冷媒出力為 225m3/h的板式換熱器3作為板式換熱器2的串級換熱器，熱媒為通過板式換熱器2的工藝凝液，冷媒為循環水，通過調節循環水量使出水工藝凝液的溫度滿足凝結水精制系統混床進水溫度要求，系統各點溫度及流量通過計算平衡后給出。換熱面材質為 SS316。

1.3.2 過濾器

過濾器采用大通量濾芯，具有納污量大、壽命長、易更換的特點。通過濾層的作用可以去除水質中的鐵離子、有機物等污染物，保證后端離子交換器的進水水質。單支濾芯流量為20~40m3/h。分別設置3套（2用1備）工藝凝液和3套（2用1備）透平凝液過濾系統，系統配置以及各設備規格參數為Q=225m3/h（工藝凝液）/Q=200m3/h（透平凝液）。根據進出水壓差或者產水水量來判斷濾芯是否污堵或者需要更換。正常濾芯壓差小于等于0.05MPa，最大運行壓差控制在0.1MPa以下。

1.3.3 前置陽床

設置 4 臺φ2 800mm的前置陽床（3用1備），每臺正常出力為 150m3/h，運行流速為 20~30m/h。采用體內再生，樹脂高度為1 600mm。選用碳鋼襯膠材質。進水裝置為十字多孔管型式，堿液分配裝置為支母管式，中間排水裝置為梯形繞絲支母管式，材質為SS316L。

1.3.4 混床

分別設置 3臺（2用1備）工藝凝液和3臺（2用1備）透平凝液混床，直徑均為φ2 500mm，每臺正常出力分別為225m3/h（工藝凝液）和200m3/h（透平凝液），運行流速為45.9m/h（工藝凝液）和40.8m/h（透平凝液）。采用體內再生，混床采用大孔樹脂，其中陽離子交換樹脂填高為500mm，陰離子交換樹脂填高為1 000mm。混床采用立式圓柱形、碳鋼制作，立式安裝。進水裝置為十字多孔管型式，堿液分配裝置為支母管式，中間排水裝置為梯形繞絲支母管式，材質為SS316L。

1.3.5 再生系統

前置陽床和混床均采用鹽酸和氫氧化鈉再生。系統配套卸酸堿、酸堿貯存、計量系統以及酸霧吸收器、安全淋浴器等設備。再生用酸堿來自汽車運輸酸、堿槽車，經卸酸堿裝置輸送到酸、堿貯存罐。酸堿儲罐容積均為25m3。

酸、堿計量采用計量箱、酸堿噴射器計量。前置陽床和混床設置酸、堿計量箱和酸、堿噴射器各一套。酸堿計量箱均為2m3，在噴射器出口設置酸堿濃度計對再生液濃度進行監測，確保再生效果。酸堿計量系統的設計能實現離子交換器的自動再生。再生流速按照3~5m/h設計。

2 運行結果

采用“換熱器+過濾器+離子交換器裝置（前置陽床+混床/混床）”處理凝液后，系統產水水質滿足鍋爐補給水進水水質要求，系統運行穩定，離子交換器再生頻率低，再生酸堿用量節省。具體產水水質如表2所示。

表2 產水水質

說明：離子交換器除鹽機理如下：

混床作為除鹽處理措施，它同時去除陽離子和陰離子，混床內會發生以下反應：

由于混床是將陰、陽離子交換樹脂均勻混合在一起，在一臺交換器內同時完成陰、陽離子交換過程，當有水通過混床時，上述的三種反應式同時瞬間、徹底地發生。通過這種方式，水中大量離子可以被迅速置換、去除。混床可以認為是大量的強酸陽離子交換器+強堿陰離子交換器，所以出水水質上乘即電導率≤0.2μS/cm，SiO2≤20μg/L，能滿足鍋爐補給水進水水質要求。

混床再生時，利用陰、陽離子交換樹脂的比重差，反洗分層后分別再生。混床樹脂的再生水平直接影響產水的水質。混床再生時，樹脂的反洗分層徹底，進酸堿液的流量匹配，再生液清洗干凈，再生好的樹脂混合均勻等，這些均影響混床的出水水質。因此，工藝設計、調試和運行時候需要嚴格按照要求控制好再生這一重要步驟，避免因為再生不徹底影響系統的正常運行。

當混床投入運行前，先進行正洗，正洗采用前級產水，正洗不但可以清洗掉再生產物，還可以將殘留的再生廢液沖洗干凈，從而避免污染物和再生廢液對系統運行產生影響。正洗出水電導率合格后系統方可投入運行。正常情況下混床需要設置一臺備用。當一臺混床失效時（混床出水硅或電導超標），停運該臺失效混床并手動進行再生，備用混床投入運行。此時的系統出力不變。

考慮工藝凝液進水水質一般較差，在進入混床處理前會先設置前置陽床對進水離子進行去除。前置陽床內裝載有陽樹脂，當有水通過前置陽床時，陽離子會被H+離子置換，發生下列化學反應：nRH+ Mn+=RnM+nH+

經過前置陽床處理后的水質中離子含量減少，可降低混床的再生周期。前置陽床的出水經過混床進一步處理，可確保工藝凝液出水水質指標滿足要求。

3 結論

系統采用“換熱器+過濾器+離子交換器裝置（前置陽床+混床/混床）”處理凝液，出水水質穩定，符合《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》DL/T 12145-2016補給水水質質量標準。冷凝液回收用作脫鹽水后，不僅具有顯著的節能降耗作用，還能節約資源，降低排污量，減少對生態環境的污染。

凝結水產生途徑不同，來液的品質有好有壞，采用分質處理方式。凝結水處理要根據水質有針對性地設置工藝設備，設計時需要綜合考慮各種可能存在的污染物。對于透平凝結水，在進水端設置監測儀表，當水質較好時，可以設置超越管道直接進入除氧器系統；當進水中含有一定污染物，水質不太好時，要經過過濾器處理后才能進入混床裝置進行處理，出水才可以滿足鍋爐補水要求。

對于工藝凝結水回收時需要考慮以下幾點：①要充分利用凝結水余熱。工藝凝液溫度一般較高，在100℃以上。化工企業內除凝結水回用外，大多有除鹽系統，用于鍋爐補給水用，可利用凝結水的水溫對原水進行加熱。②考慮工藝凝結水水質較差，前端除鐵、除有機物措施必不可少。目前處理措施較多，有類萃取技術、復合雙層膜技術、膜技術、除油除鐵過濾器技術等，[2]需要根據進水水質、投資成本和運行成本綜合選取一種或者多種技術進行組合。③從成本節約角度考慮，一般后端處理設備如混床裝置內部采用襯膠工藝，常規樹脂為非耐高溫樹脂，凝結水水溫需要降低至40℃以下，以免造成后端設備損壞。為保證降溫效果，采用兩級換熱器串聯運行。當原水作為冷源不夠時，再采用循環水作為冷源進行換熱。④低溫的凝結水在管網內輸送，減少管網內二次蒸汽的產生，既有利于凝結水的輸送，又可減少管線的投資。[3]⑤一般凝液來水溫度較高，管道和閥門材質需要考慮耐高溫材質，且需要采用保溫隔熱措施，防止對人員燙傷。在管道設計時需要考慮保溫層厚度，考慮管道支架的安裝空間等。

通過本系統運行情況可知，凝結水處理系統設計和運行時重點需要考慮以下因素。

1）確定凝結水進水水量、水溫、水質和壓力等參數尤為關鍵。目前很多化工企業在設計凝結水處理系統時，原化工生產線還未建設，對于凝結水水量、水溫、水質和壓力估算存在不準確現象，因此設計時需要認真復核，要考慮一定彈性空間，避免設備冗余過多或者設備出力不足，導致設備無法正常運行，產水指標無法滿足的現象。

2）進水溫度控制。進水水溫通過進水換熱器進行控制，換熱器的選取和程序控制尤為重要。一般工藝凝液進水水溫較高，建議設置2臺換熱器串聯運行。工藝凝液優先采用除鹽水作為冷源，當冷源不足時，采用循環水作為補充冷源，以確保凝液溫度能降低至40℃，可節約循環水水量。透平凝液水溫在60℃左右，一般采用原水作為冷源，對凝液進行降溫，但是需要考慮夏季原水水溫高的情況。因此，透平凝液換熱器設計時將循環水作為補充水源，換熱器既要滿足夏季運行工況，也要滿足冬季運行工況。系統設計時建議循環水來水側設置氣動調節閥門，和凝液出水溫度進行聯鎖控制，以便有效控制凝液出水溫度。換熱器的設計要考慮一定的富余量，避免水質水量波動對系統的沖擊，滿足后端設備進水水溫的要求。

3）進水水質指標檢測。凝結水中金屬污染物主要是由二價可溶性鐵和三價不溶性鐵組成。金屬污染物不但降低了鍋爐的熱效率，而且會導致鍋水品質變差。凝結水中油類，一般大都是烴類，分子量在50~1 500，主要以少量的溶解油和乳化油形式存在[4]。凝結水處理系統中進水金屬物質、油類物質或其他有機物，會導致混床水質受污染，降低樹脂的工作交換容量，縮短混床的工作周期，增加混床的再生頻率。因此，除有機物、除鐵是凝結處理的關鍵技術。[1]為確保工藝能正常運行，需要增加監測儀表，嚴格控制進水水質。建議設置事故排放池，若水質嚴重超標，將水質直接排放，降低后端處理工藝的風險，保護后端設備。