循環(huán)水電脫鹽設(shè)備在輕烴回收裝置的應(yīng)用

歐陽詩昆 王 牧 胡 璐 王 雷 賈晉鋒 欒雪瑩

（長慶油田第十二采油廠）

莊二聯(lián)輕烴回收裝置配套有120 m3/h的開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用洛河層井水作為補水，運行過程涼水塔結(jié)垢嚴(yán)重，約2～3個月就需要清垢，嚴(yán)重影響輕烴回收裝置的平穩(wěn)運行。為此，莊二聯(lián)輕烴廠組織技術(shù)攻關(guān)小組，開展循環(huán)水電脫鹽技術(shù)應(yīng)用研究，開發(fā)了循環(huán)水電脫鹽設(shè)備。該設(shè)備能將成垢離子從循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中去除，實現(xiàn)除垢阻垢、凈化水質(zhì)的目的，從根本上解決循環(huán)冷卻水系統(tǒng)涼水塔結(jié)垢問題。

1 循環(huán)水電脫鹽設(shè)備

循環(huán)水電脫鹽設(shè)備（圖1）主要由脫鹽器、二次反應(yīng)凈化器、泵、控制器及管路等組成，其運行電源電壓380 V，裝機功率15 kW，運行功率8 kW，具備就地手動、自動、遠程控制方式。通常在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的回水管上開旁路安裝，或直接在涼水塔中取水，經(jīng)設(shè)備處理后再回到?jīng)鏊?/p>

2 電脫鹽除垢技術(shù)原理

循環(huán)水電脫鹽設(shè)備采用電物理化學(xué)除垢方式，在電場作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)去除循環(huán)水中大部分成垢離子，控制循環(huán)水總硬度、pH值與堿度，減緩循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，減少排污量。電脫鹽除垢效果與電流密度有密切關(guān)系，所以選擇合適的電流密度是保證除垢效果的關(guān)鍵。二次反應(yīng)凈化器的主要作用是讓在脫鹽器中未反應(yīng)的成垢離子充分接觸并發(fā)生成垢反應(yīng)，進而從循環(huán)水中去除，達到進一步降低水體硬度、濁度的目的。

電脫鹽除垢技術(shù)原理如圖2所示［1］。

圖2 電脫鹽除垢技術(shù)原理

在循環(huán)水電脫鹽設(shè)備中，陰極附近通過氧還原和析氫的方式來產(chǎn)生OH-從而營造堿性環(huán)境，反應(yīng)方程式如下［2～4］：

循環(huán)水中的成垢離子在傳質(zhì)和電場的共同作用下遷移到陰極表面，分別與陰極區(qū)域生成的和OH-反應(yīng)形成沉淀，并沉積在陰極表面，從而使循環(huán)水的硬度降低，反應(yīng)方程式如下：

在陽極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成H+和羥基自由基（—OH）來營造酸性環(huán)境，達到殺菌的目的，若形成的強氧化物質(zhì)—OH沒有被全部消耗，則會產(chǎn)生氧，反應(yīng)方程式如下［5，6］：

循環(huán)水中的Cl-形成強氧化性的ClO-，導(dǎo)致溶液pH值降低，反應(yīng)方程式為：

循環(huán)水中的細菌和藻類會與具有強氧化性的—OH和ClO-發(fā)生反應(yīng)，達到殺菌和滅藻的作用，反應(yīng)方程式為：

由于缺乏穩(wěn)定性，—OH只在陽極區(qū)域內(nèi)與細菌和藻類發(fā)生反應(yīng)［5～7］。由于穩(wěn)定性相對較強，ClO-可以離開陽極區(qū)域并擴散到溶液中。因此，處理過的循環(huán)水在離開電化學(xué)處理區(qū)域時仍然具有一定的抑制細菌和藻類的能力，Cl-離子濃度越高的循環(huán)水處理后的殺菌、滅藻效果越強。

3 循環(huán)水電脫鹽設(shè)備實施方案

3.1 工藝流程

設(shè)備工藝流程如圖3所示。從涼水塔出水口取水，經(jīng)加壓泵進脫鹽器脫除水中鈣、鎂等成垢離子，再進入二次反應(yīng)凈化器，進一步反應(yīng)并脫除機械雜質(zhì)后返回涼水塔。使用PLC控制器選擇就地手動單控、就地自動和遠程自動控制模式，設(shè)置處理量為30 m3/h。

圖3 設(shè)備工藝流程

設(shè)備正常運行流程為：加壓泵→控制閥①→脫鹽器→控制閥②→二次反應(yīng)凈化器→控制閥③→涼水塔，其余閥門為關(guān)閉狀態(tài)。

脫鹽器清垢流程：控制閥④→沉淀池，加壓泵及其余閥門均為關(guān)閉狀態(tài)。

二次反應(yīng)凈化器清洗流程：加壓泵→控制閥⑤→二次反應(yīng)凈化器→控制閥⑥→沉淀池。

3.2 現(xiàn)場安裝方案

維持循環(huán)水系統(tǒng)原有流程正常運行的情況下，從涼水塔下部取水，經(jīng)循環(huán)水電脫鹽設(shè)備處理后返回涼水塔，脫鹽污水經(jīng)沉淀池沉淀后外排至污水井，脫鹽凈化水返回涼水塔下部，如圖4所示。

圖4 設(shè)備安裝方案

4 運行效果

4.1 電脫鹽投運前后水質(zhì)變化

循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運前：2021-09-01～2021-11-30，每月10、20、30日各分析3次，共檢測9次。循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運后：2021-12-01～2022-02-28，每月5、15、25日各分析3次，共檢測9次。得到循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運前、后循環(huán)水定時、定點取樣分析結(jié)果如圖5～9所示。

圖5 濃縮倍數(shù)對比

從圖5可以看出，循環(huán)水電脫鹽設(shè)備運行后，循環(huán)水平均濃縮倍數(shù)從2.30提高到4.24，提高約1.80倍。

從圖6可以看出，循環(huán)水脫鹽設(shè)備投運后，循環(huán)水系統(tǒng)鈣離子濃度有了不同程度的降低。

圖6 鈣離子濃度對比

從圖7可以看出，循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運后，總堿度降低幅度較大，最高值從369 mg/L降低至100 mg/L，前10天循環(huán)水總堿度下降較快，10天后堿度僅小幅度降低。

圖7 總堿度對比

從圖8可以看出，循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運后，濁度變化趨勢從持續(xù)上升到趨于平穩(wěn)，最高值從1 250控制到10以下，效果顯著。

圖8 濁度對比

從圖9可以看出，循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運前后，循環(huán)水pH值變化趨勢基本一致，投運后pH值降低了2個單位。

圖9 pH值對比

綜上，循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運后，循環(huán)水鈣離子濃度、堿度、濁度、pH值均有一定程度的降低，水體清澈透明，水質(zhì)明顯改善。運行90天后，涼水塔無明顯結(jié)垢，循環(huán)水溫度符合工藝要求。

4.2 循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運前、后掛片腐蝕情況

采用掛片法對循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運前、后循環(huán)水腐蝕速率進行監(jiān)測，每月檢測一次，得到腐蝕速率數(shù)據(jù)見表1。其中，掛片型號Ⅰ型；掛片規(guī)格50 mm×25 mm×2.0 mm；掛片表面積28 cm2；掛片材質(zhì)碳鋼；掛片位置位于給水總管。

表1 腐蝕速率對比

由表1可知，循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運前，碳鋼掛片腐蝕速率均不滿足小于0.075 mm/a的要求；循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運后，腐蝕情況得到很好的改善，碳鋼掛片分析全部合格，說明循環(huán)水電脫鹽設(shè)備對循環(huán)水腐蝕有一定的減緩和抑制作用。

4.3 補水、排水情況

循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運前補水量為2.88 m3/h，排水量為1.25 m3/h；投運后，補水量為2.12 m3/h，排水量為0.50 m3/h。可以看出，循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運后，循環(huán)水系統(tǒng)補水量、排污量均有一定程度的下降。

5 運行費用及效益分析

循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運后，大幅減少了莊二聯(lián)輕烴裝置循環(huán)水系統(tǒng)的清垢費用，消除了循環(huán)水涼水塔結(jié)垢導(dǎo)致的循環(huán)水溫度超標(biāo)問題，提升了輕烴裝置的生產(chǎn)效率，取得了較好的經(jīng)濟效益：

a.電費。設(shè)備運行功率8 kW，每度電0.6元，年運行時間為8 000 h，計算得到每年電費約3.8萬元。

b.技術(shù)服務(wù)費。設(shè)備更換核心部件等材料費用及其他維護費用共計每年4.5萬元。

c.設(shè)備折舊費每年10萬元。

d.運行費用合計每年18.3萬元。

e.節(jié)約清垢費用每年40萬元，節(jié)約水費和污水處理費每年24.3萬元。

f.每年增產(chǎn)輕烴192 t，增加效益62萬元。

g.每年創(chuàng)造的總效益為62+40+24.3-18.3=108萬元。

6 結(jié)束語

循環(huán)水電脫鹽設(shè)備在輕烴回收裝置中的應(yīng)用結(jié)果表明，循環(huán)水電脫鹽設(shè)備投運后，能有效降低循環(huán)水的鈣離子濃度和堿度，具有較好的阻垢除垢功能。同時，循環(huán)水濁度改善效果明顯，能有效凈化循環(huán)水。自動除垢功能能使循環(huán)水處理效果長期穩(wěn)定，明顯減緩循環(huán)水的腐蝕速度，提高了設(shè)備的使用壽命，減少了涼水塔清洗頻率，提高了涼水塔的換熱效率，提升了輕烴裝置的運行水平。