水質(zhì)控制與節(jié)水一體化裝置在大榭石化的應(yīng)用

＊陳華 陶蕾

（1.中海石油寧波大榭石化有限公司 浙江 315812 2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300131）

引言

中海石油寧波大榭石化有限公司（以下簡稱大榭石化）餾分油綜合利用項(xiàng)目（以下簡稱三期項(xiàng)目）于2013年開工建設(shè)，2016年6月各裝置進(jìn)入全面生產(chǎn)階段，該項(xiàng)目主要針對原油進(jìn)行深度加工，生產(chǎn)高質(zhì)量的國V柴油、航空煤油以及苯乙烯、丙烯、丙烷等高附加值化工產(chǎn)品，年產(chǎn)量達(dá)700萬噸。該項(xiàng)目循環(huán)水場自2016年2月開始投用，循環(huán)量為42000m3/h，為420余臺的換熱器及機(jī)泵冷卻器提供換熱。

為了實(shí)現(xiàn)石化企業(yè)節(jié)水減排的目標(biāo)，緩解企業(yè)用水壓力，循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水以大工業(yè)水（姚江水）、污水回用中水為主，并輔以季節(jié)性的雨水回用水作為補(bǔ)充，但該多元化的補(bǔ)水方式導(dǎo)致了水質(zhì)條件的復(fù)雜化，其水質(zhì)指標(biāo)如硬度由30mg/L至150mg/L波動，堿度由35mg/L至120mg/L波動，枯水期和豐水期的電導(dǎo)率則相差200～300μS/cm。補(bǔ)水水質(zhì)階段性波動直接造成循環(huán)水水質(zhì)波動較大，同時增加了循環(huán)水水質(zhì)控制難度，使得循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍率普遍降低至3倍左右，總補(bǔ)水率高達(dá)約1.2%，水處理藥劑消耗量大，循環(huán)水系統(tǒng)的細(xì)菌控制難度增大，影響循環(huán)水場長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

為了更大程度挖掘企業(yè)節(jié)水潛力，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水污水減排和處理藥劑減量化目標(biāo)，大榭石化與中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司（以下簡稱天化院）合作開發(fā)并建造了1套“電化學(xué)-電滲析”相結(jié)合的水質(zhì)控制與節(jié)水一體化裝置（以下簡稱一體化裝置），該裝置包括一套過濾系統(tǒng)（一臺多介質(zhì)過濾器、一臺活性炭過濾器和1臺布袋式保安過濾器）、6臺電滲析（EDR）裝置、6臺電化學(xué)（ECW）裝置、2臺儲水罐和4臺增壓水泵。一體化裝置投用后實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍率≥6倍運(yùn)行，與無項(xiàng)目比綜合節(jié)水≥50萬噸/年，藥劑量減少30%的研究目標(biāo)，同時循環(huán)水冷卻器維修數(shù)量大幅下降，對于企業(yè)實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能、節(jié)水減排、降低生產(chǎn)成本具有重要意義，同時也為石油煉化企業(yè)污水處理提標(biāo)與減排提供一種可靠的技術(shù)選擇。

1.三期循環(huán)水系統(tǒng)概況

大榭石化三期循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)置冷卻塔9座，設(shè)計(jì)總循環(huán)水量為45000m3/h，溫降10℃，出水壓力0.45MPa，出水溫度33℃，回水溫度43℃。設(shè)置循環(huán)水泵10臺，包括8臺大泵（單泵Q=6700m3/h，H=50m）和2臺小泵（單泵Q=3400m3/h，H=50m）。系統(tǒng)補(bǔ)水以大工業(yè)水（姚江水）、污水處理場含油回用水和超濾反滲透產(chǎn)水為主。2018年12月以前為冷卻塔8臺運(yùn)行，2019年1月首次大檢修后投用了1座備用冷卻塔改為9臺運(yùn)行，實(shí)際循環(huán)水量由38000m3/h提高至42000m3/h，系統(tǒng)補(bǔ)水中增加了約40萬噸/年的全廠回收雨水，該循環(huán)水系統(tǒng)存在補(bǔ)水水質(zhì)復(fù)雜，水質(zhì)波動大且用戶端冷卻器材質(zhì)各異、數(shù)量龐大、介質(zhì)側(cè)組分和使用情況復(fù)雜，易發(fā)生各類物料泄露的問題。

2.一體化裝置工藝及原理

(1)工藝方案

一體化裝置依托大榭石化三期42000m3/h的循環(huán)水系統(tǒng)開展工藝設(shè)計(jì)以及工程化建設(shè)，原設(shè)計(jì)進(jìn)水為循環(huán)回水的旁濾出水，但考慮發(fā)生物料泄漏情形沖擊，為保證一體化裝置穩(wěn)定運(yùn)行，將進(jìn)水改為循環(huán)水給水，設(shè)計(jì)處理能力為100t/h。為進(jìn)一步提高進(jìn)水穩(wěn)定性，進(jìn)電滲析裝置前設(shè)置一臺多介質(zhì)過濾器、一臺活性炭過濾器和1臺布袋式保安過濾器，以去除微生物黏泥、固體顆粒及余氯對電滲析膜的影響。進(jìn)水經(jīng)過電滲析膜，約一半的水經(jīng)過脫鹽后直接補(bǔ)充至循環(huán)水系統(tǒng)，另一半經(jīng)濃縮后的水則進(jìn)入電化學(xué)裝置。電化學(xué)裝置對濃水進(jìn)行高效的脫硬除鹽，形成鈣鎂鹽顆粒排出電化學(xué)裝置，脫硬后的水則繼續(xù)補(bǔ)充至循環(huán)水池。一體化裝置工藝方案流程示意圖見圖1。

圖1 一體化裝置流程示意

(2)電滲析技術(shù)原理

電滲析技術(shù)是一個基于選擇性膜的電化學(xué)分離過程。電滲析設(shè)備由陰陽電極板與交替放置的陽離子交換膜和陰離子交換膜組成，含鹽溶液在陰陽離子交換膜之間流過，由此形成了靠近電極板的兩個極室、多組淡水室和濃水室。含鹽溶液在外加直流電場作用下，以電位差為驅(qū)動力，利用離子交換膜對溶液中離子進(jìn)行選擇透過，使溶液中溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行了分離，從而達(dá)到淡化或濃縮的目的。

EDR在運(yùn)行過程中，它是靠電能來遷移水中己解離的離子，因此它耗用的電能是和水中含鹽量成正比的，去除效果與進(jìn)水水質(zhì)、進(jìn)水溫度、運(yùn)行電壓、電流、進(jìn)水流量、流速、倒換電極時間、膜面積等參數(shù)有關(guān)。優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，控制操作電流低于極限電流密度，盡可能提高膜面流速，可以減少膜污染、降低能耗、提高電流效率等。

(3)電化學(xué)水處理技術(shù)原理

電化學(xué)水處理技術(shù)是在外加電場作用下，利用電化學(xué)陰陽極的氧化還原反應(yīng)。在陰極區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)堿區(qū)，實(shí)現(xiàn)對鈣鎂等成垢離子的去除，在陽極區(qū)產(chǎn)生氯氣、次氯酸等氧化性物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)殺菌作用。經(jīng)過以析氯電位、析氧電位、電催化活性面積等評價參數(shù)作為電極性能的評價參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)研究表明，以稀有金屬制成的復(fù)合電極電催化活性表面積更大，電流效率更高，電能消耗更低。而增大停留時間和提高電流則能有效提高除硬效果和余氯產(chǎn)生量，但水體在設(shè)備內(nèi)停留時間的延長與設(shè)備固有體積以及流速有關(guān)，綜合處理成本以及處理效率考慮，氯離子濃度宜大于400mg/L，停留時間為10min。

(4)工藝節(jié)水原理

經(jīng)過濾預(yù)處理后的循環(huán)水給水進(jìn)入EDR裝置進(jìn)行分鹽處理，脫鹽產(chǎn)水回到循環(huán)水池，濃水進(jìn)入電化學(xué)裝置進(jìn)行除硬除堿，同時進(jìn)行殺菌，電化學(xué)產(chǎn)水全部回到循環(huán)水池，鈣鎂垢以固體形態(tài)從電化學(xué)裝置析出。整個系統(tǒng)水量回收率＞98%，僅有部分EDR反洗水和隨垢移走的水量損失。

本工藝將EDR濃水作為電化學(xué)進(jìn)水，可大幅提高電化學(xué)的處理效率，減少電化學(xué)裝置的規(guī)模和能耗。整體運(yùn)行后，可控制整個循環(huán)水系統(tǒng)的硬度堿度達(dá)到合理范圍，在專有配套無磷水處理劑的共同作用下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高濃縮倍率工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行；不僅可以大大減少排污量和補(bǔ)水量，可少減緩蝕阻垢劑用量和大量殺菌劑的需求，同時對系統(tǒng)的設(shè)備保護(hù)效果也大大提升。

3.一體化裝置運(yùn)行效果

(1)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水情況

一體化裝置從2019年3月開始試運(yùn)行，對比一體化裝置投用前后補(bǔ)水率可以看出，補(bǔ)水率由1.2%降至0.91%，降低了0.29%，循環(huán)水量由2018年的38000m3/h升至大修后42000m3/h計(jì)算，年運(yùn)行時間按8640小時計(jì)，每年節(jié)約補(bǔ)水量約105萬噸。圖2為循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水率的變化趨勢圖。

圖2 循環(huán)水補(bǔ)水率變化趨勢圖

(2)循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測狀況

經(jīng)過裝置的長周期運(yùn)行，循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高濃縮倍率（≥6.0）運(yùn)行，濃縮倍率由裝置運(yùn)行前的3.1倍提升至7.1倍，循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到Q/SH 0628.2—2014《水務(wù)管理技術(shù)要求-第二部分：循環(huán)水》要求。表2為一體化裝置投用前后循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表2 一體化裝置運(yùn)行前后循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

(3)水冷器檢維修情況

技術(shù)投用后有效的控制了循環(huán)水水質(zhì)，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備管路，降低腐蝕和結(jié)垢，水冷器檢維修頻次由2018年的年檢修31次，降為2019年的年檢修3次，檢修頻次大幅降低，從而延長各設(shè)備的使用壽命和換熱效率保障煉油裝置的長周期運(yùn)行，帶來可觀的間接經(jīng)濟(jì)效益。

(4)一體化裝置運(yùn)行效果及分析

實(shí)測運(yùn)行一年的進(jìn)出水質(zhì)，電滲析裝置平均進(jìn)水電導(dǎo)率為2225μS/cm，TDS為1234mg/L；出水電導(dǎo)率為1034μS/cm，TDS為519mg/L。電化學(xué)裝置進(jìn)水細(xì)菌總數(shù)為每毫升3.14×104個，余氯為0mg/L；產(chǎn)水細(xì)菌總數(shù)為0，產(chǎn)水余氯為1.05mg/L。從數(shù)據(jù)上驗(yàn)證了電滲析裝置能達(dá)到53%以上的除鹽率，電化學(xué)裝置則能有效地將水中氯離子轉(zhuǎn)化為余氯，并起到良好的殺菌效果，減少次氯酸鈉藥劑、非氧化殺菌的投入30%。

4.經(jīng)濟(jì)效益評價

經(jīng)核算，增設(shè)一體化裝置后大榭石化三期循環(huán)水系統(tǒng)每年節(jié)約工業(yè)用水成本379.33萬元，節(jié)約排污廢水處理費(fèi)用301.95萬元，單位處理水處理藥劑量降低了30%以上；更加有效的控制水質(zhì)，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備管路，降低腐蝕和結(jié)垢，從而延長各設(shè)備的使用壽命和換熱效率，水冷器檢維修頻次降低90%；一體化裝置的投用，每年可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約930.51萬元。

5.結(jié)論及建議

一體化裝置在大榭石化三期循環(huán)水系統(tǒng)的成功應(yīng)用，證明該技術(shù)應(yīng)用在大型循環(huán)水系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)可行的，同時具有良好的社會效益，對于企業(yè)實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能、節(jié)水減排、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，為提高企業(yè)的資源綜合利用水平發(fā)揮重要作用。但一體化裝置在制水率、電滲析化學(xué)清洗頻次和膜的壽命、過濾器的過濾精度和反洗頻次、裝置占地集成等方面尚有改進(jìn)空間，建議從模塊化、系統(tǒng)化、智能化角度考慮，實(shí)現(xiàn)迭代更新開發(fā)，并在新建項(xiàng)目和同類行業(yè)中推廣使用。