(河南能源集團(tuán)龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

大型敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行研究

趙小磊

(河南能源集團(tuán)龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

主要對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)中關(guān)鍵的過(guò)濾器設(shè)置及選擇，系統(tǒng)泄漏排查及處理，殺菌系統(tǒng)選擇等進(jìn)行研究討論。

敞開式循環(huán)水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；運(yùn)行；研究

大型敞開式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通常由于換熱器泄漏、過(guò)濾系統(tǒng)故障、藥劑投加管理不善等原因，導(dǎo)致循環(huán)水水質(zhì)惡化，最終導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)管道及換熱器腐蝕，結(jié)垢加重，加重泄漏，甚至導(dǎo)致化工企業(yè)的安全事故。循環(huán)水系統(tǒng)是化工企業(yè)的血液，管理好循環(huán)水系統(tǒng)，是保證化工企業(yè)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。做好循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行工作，需要從設(shè)計(jì)到運(yùn)行管理關(guān)注一些關(guān)鍵點(diǎn)，從硬件到軟件均做好工作才能從根本上解決循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。本文著重從大型敞開式循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)排污，補(bǔ)水口位置安裝，過(guò)濾器的選擇及換熱器設(shè)置，運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)殺菌管理等方面做進(jìn)一步實(shí)際運(yùn)行研究總結(jié)。

河南龍宇煤化工有限公司是一家年產(chǎn)50萬(wàn)t甲醇、20萬(wàn)t二甲醚項(xiàng)目的大型煤化工企業(yè)，與之相配套的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水量為47 500 m3/h，系統(tǒng)保有水量為17 000 m3，采用敞開式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。循環(huán)水系統(tǒng)冷卻的工藝介質(zhì)主要有：氨、甲醇、二甲醚、合成煤氣、各種潤(rùn)滑油等。由于設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理等問(wèn)題，在循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行的7年來(lái)，遇到各種困難和問(wèn)題，其中有因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的運(yùn)行問(wèn)題，有由于換熱器泄漏導(dǎo)致的水質(zhì)問(wèn)題。在此，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行中的問(wèn)題進(jìn)行一一總結(jié)研究，為后續(xù)建設(shè)運(yùn)行的循環(huán)水裝置提供參考。

1 大型循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮的幾點(diǎn)問(wèn)題

1.1循環(huán)水旁濾的選擇

大型化工裝置配套敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)建議采用帶氣擦洗功能的砂濾過(guò)濾器，不宜采用纖維束濾元或不帶氣擦洗的過(guò)濾器。推薦使用多介質(zhì)過(guò)濾器或V型濾池。

由于大型化工裝置換熱介質(zhì)種類較多，成分復(fù)雜，一旦發(fā)生泄漏，往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)濁度升高，黏泥量增加，由于有機(jī)污染物往往有較強(qiáng)的黏性，附著性較強(qiáng)，纖維束濾料污染板結(jié)，導(dǎo)致反洗效果較差，纖維束過(guò)濾器過(guò)濾流量下降明顯。而不帶氣體擦洗的石英砂過(guò)濾器同樣會(huì)由于反洗不徹底，導(dǎo)致濾料污染逐步加深最終板結(jié)，隨后反洗時(shí)水帽正上方的濾料會(huì)由于局部流速高，濾料流失，形成短流區(qū)，導(dǎo)致完全失去過(guò)濾效果。

公司最初設(shè)計(jì)使用的過(guò)濾器為纖維束過(guò)濾器，過(guò)濾量200 m3/臺(tái)，設(shè)置10臺(tái)。 最初運(yùn)行，由于換熱器均是新設(shè)備，不存在泄漏問(wèn)題，運(yùn)行狀態(tài)良好，循環(huán)水系統(tǒng)濁度維持在4 NTU左右，由于使用礦井涌水，濃縮倍數(shù)選擇2±0.1。在運(yùn)行2年后，系統(tǒng)換熱器出現(xiàn)泄漏，系統(tǒng)濁度直線升高至40 NTU左右，纖維束濾料板結(jié)嚴(yán)重，10臺(tái)過(guò)濾器總處理量從2 000 m3/h降低至300 m3/h。經(jīng)過(guò)個(gè)別更換濾料試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新更換的濾料，使用7天后，反洗就出現(xiàn)羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)壓升高，濾料再次板結(jié)的情況。

2011年7月，循環(huán)水系統(tǒng)增加24臺(tái)淺層砂過(guò)濾器，石英砂濾料填裝高度為40 cm，單臺(tái)過(guò)濾流量37.5 m3/h，填裝濾料為粒徑1～2 mm的石英砂濾料。反洗僅通過(guò)產(chǎn)水背壓水力反沖洗，反洗形式單一，反洗強(qiáng)度控制難度較大。但是冬季使用效果較好，夏季由于換熱器泄漏甲醇，生產(chǎn)白色絮狀，膠體類物質(zhì)，導(dǎo)致砂濾反洗效果較差，需要不定期進(jìn)行人工濾料疏松。最終經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證，絮狀物主要成分為甲醇和纖維素生成的甲基纖維素。淺層砂過(guò)濾器由于只進(jìn)行水力反洗，未配備氣體擦洗裝置，導(dǎo)致在發(fā)生有機(jī)物污染時(shí)，濾料附著物較多，無(wú)法有效去除，最終導(dǎo)致濾料板結(jié)。并且由于過(guò)濾器反洗局部流速高，導(dǎo)致水帽上方位置濾料流失嚴(yán)重形成短流區(qū)，淺層砂失去過(guò)濾效果。

2013年6月，公司將一臺(tái)纖維束過(guò)濾器更改為多介質(zhì)過(guò)濾器，使用原有羅茨風(fēng)機(jī)為擦洗氣源。多介質(zhì)過(guò)濾器主要由本體、濾帽、布水器、濾料、氣水反沖洗裝置等組成。多介質(zhì)過(guò)濾器主要依靠濾料的機(jī)械過(guò)濾作用濾除水中的細(xì)小顆粒、懸浮物、膠體及少量有機(jī)物等雜質(zhì)。多介質(zhì)過(guò)濾器的運(yùn)行狀態(tài)有過(guò)濾、水反洗、氣擦洗、氣水反沖洗4種，水反洗、氣擦洗、氣水反沖洗均為恢復(fù)濾料過(guò)濾作用的反洗手段，只是反洗強(qiáng)度有大有小。該廠所采用多介質(zhì)過(guò)濾器的濾料種類和規(guī)格見表1。

陸地森林里死去或倒下的樹木通過(guò)風(fēng)雨侵蝕或洪水進(jìn)入暴漲的河流和溪流中，流向海洋，伐木業(yè)通過(guò)河流運(yùn)輸?shù)脑痉ぷ又幸矔?huì)有一些木材脫離運(yùn)輸隊(duì)伍最終進(jìn)入茫茫大海。從溪流到河口，再到深海，這些被稱為漂流木或浮木的樹木殘骸，是海洋生物食物和棲息地的重要來(lái)源，對(duì)連接森林和海洋的食物網(wǎng)做出了巨大貢獻(xiàn)。

表1 多介質(zhì)過(guò)濾器的濾料分布

7號(hào)旁濾改造為多介質(zhì)過(guò)濾器后產(chǎn)水濁度數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)使用，可以看出多介質(zhì)過(guò)濾器不僅過(guò)濾效果良好，應(yīng)對(duì)各類污染物均有良好效果，只需適當(dāng)調(diào)整氣體擦洗時(shí)長(zhǎng)就能適應(yīng)各類污染情況，并且產(chǎn)水量及水質(zhì)在反洗后恢復(fù)良好。

表2 7號(hào)旁濾改造為多介質(zhì)過(guò)濾器后產(chǎn)水濁度數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)際使用效果觀察，由于循環(huán)水系統(tǒng)容易產(chǎn)生各類介質(zhì)泄漏情況，水質(zhì)復(fù)雜，對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)的自清洗能力要求較高，所以帶氣擦洗功能的砂濾過(guò)濾器是最佳選擇。

1.2系統(tǒng)重要換熱器設(shè)置

系統(tǒng)重要換熱器宜采用雙聯(lián)可切換設(shè)置，并在進(jìn)出水管路設(shè)置清洗對(duì)接閥和法蘭，便于在必要時(shí)對(duì)個(gè)別換熱器進(jìn)行拆開檢查、檢修堵漏或離線獨(dú)立化學(xué)清洗。

1.3循環(huán)水池排污設(shè)置

循環(huán)水池排污設(shè)置很重要，在設(shè)計(jì)之初就需要考慮將排污口和補(bǔ)水管分開，避免位置過(guò)于接近導(dǎo)致補(bǔ)水利用率降低。另外排污口要設(shè)置在池底最低點(diǎn)位置，整個(gè)循環(huán)水池池底要保持一定的傾斜度，便于每次停車時(shí)快速方便地將池底及池壁積泥進(jìn)行沖洗清理，排出池外。

循環(huán)水池設(shè)置溢流口時(shí)，考慮到系統(tǒng)會(huì)發(fā)生潤(rùn)滑油泄漏或殺菌加藥劑產(chǎn)生較多泡沫時(shí)需要進(jìn)行表面排污的情況，建議在設(shè)計(jì)溢流口時(shí)，將水平溢流堰板應(yīng)用與循環(huán)水池，保證溢流堰板有足夠的長(zhǎng)度，就可以在發(fā)生油泄漏、循環(huán)水池有大量泡沫和浮泥時(shí)，通過(guò)提高水池液位進(jìn)行表面溢流的方式快速有效的將表面污染物排出池外，在完成水池溢流作用的同時(shí)擔(dān)負(fù)表面排污作用。

2 工藝運(yùn)行研究

2.1殺菌劑的選擇及應(yīng)用

循環(huán)水系統(tǒng)殺菌可配備成套的二氧化氯發(fā)生裝置和沖擊式藥劑投加系統(tǒng)，日常使用二氧化氯進(jìn)行殺菌，可間隔一定的時(shí)間批量投加非氧化性殺菌劑(以異噻唑啉酮為主要成分)或鹵素類殺菌劑(DBNPN溴類殺菌劑)，提高殺菌效果并防止長(zhǎng)期使用氧化性殺菌劑導(dǎo)致菌藻產(chǎn)生抗藥性。但是根據(jù)季節(jié)不同，可以調(diào)整投加頻次，通過(guò)多年運(yùn)行摸索，以下投加周期完全可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)泄漏或微量泄漏情況下控制循環(huán)水的菌藻生長(zhǎng)情況。

冬春季節(jié)11月至次年4月，每周投加1次二氧化氯，每次開車實(shí)現(xiàn)余氯在0.5～1 mg/L并保持4 h。1個(gè)月沖擊投加1次其它類型殺菌劑，以非氧化殺菌劑為主，投加濃度提高到100×10-6～200×10-6，保證沖擊投加效果。

夏秋季節(jié)5月至10月，每間隔三天投加1次二氧化氯，每次開車實(shí)現(xiàn)余氯在0.5～1 mg/L并保持4 h。1個(gè)月沖擊投加2次其它類型殺菌劑，以非氧化殺菌劑和氧化性殺菌劑交替投加為宜，投加濃度建議提高到100×10-6～200×10-6，保證沖擊投加效果。

2.2低含量甲醇泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生甲基纖維素的判斷和應(yīng)對(duì)措施

情況判斷：由于系統(tǒng)換熱器出現(xiàn)甲醇泄漏情況時(shí)，甲醇會(huì)和菌藻分泌及死亡后細(xì)胞壁破損釋放的纖維素合成甲基纖維素，該物質(zhì)在循環(huán)水中呈絮狀膠體形態(tài)，直接導(dǎo)致系統(tǒng)懸浮物升高，在嚴(yán)重時(shí)會(huì)附著在末端低流速管道、換熱器內(nèi)部，循環(huán)水池壁之上，形成致密的彈性乳白色半透明薄膜，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

甲基纖維素污染出現(xiàn)判斷方法：①系統(tǒng)存在甲醇換熱器并檢測(cè)到泄漏情況；②循環(huán)水中懸浮物升高，明顯存在膠體狀物質(zhì)，過(guò)濾系統(tǒng)反洗出水取樣明顯有較多的絮狀物，破碎的懸浮物很快會(huì)積聚沉淀；③循環(huán)水周期性的濁度波動(dòng)，約5 d出現(xiàn)一次濁度突然升高，其它時(shí)間濁度較低，但是濁度低時(shí)，換熱器明顯出現(xiàn)換熱效果降低；④水池內(nèi)壁出現(xiàn)明顯的黏附物；⑤通過(guò)對(duì)懸浮物取樣和甲基纖維素進(jìn)行色譜分析，對(duì)比樣品曲線做定性分析。應(yīng)對(duì)措施：①加強(qiáng)對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)的反洗，保證系統(tǒng)過(guò)濾量穩(wěn)定；②對(duì)泄漏換熱器進(jìn)行隔離檢修，如果無(wú)法隔離，可以增加換熱器的排污，降低該換熱器的回水流量；③在換熱器溫度升高明顯時(shí)，使用氧化性殺菌劑，增加甲基纖維素的氧化速度，能夠有效剝離在換熱器管道中黏附的物質(zhì)，在濁度升高時(shí)進(jìn)行大量快速排污置換。防止其再次成膜；④對(duì)可切換換熱器可以停運(yùn)后，拆開封頭，直接使用高壓水槍進(jìn)行沖洗，效果最好；⑤對(duì)換熱器進(jìn)行在線清洗，使用沖擊氣流對(duì)甲基纖維素成膜有良好的控制效果；⑥對(duì)設(shè)置有膠球清洗的換熱器可以進(jìn)行膠球清洗，但是要注意控制好流速，防止污染物過(guò)多，導(dǎo)致膠球堵塞在換熱器管路系統(tǒng)，影響換熱效果。

2.3循環(huán)水補(bǔ)充水采用更好的水質(zhì)有利于水的節(jié)約和腐蝕的控制

根據(jù)龍宇煤化工的實(shí)際運(yùn)行使用，可以看見，通過(guò)提高循環(huán)水水質(zhì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水的節(jié)約，而且還可以有效控制系統(tǒng)的腐蝕，降低由于換熱器泄漏導(dǎo)致的化工系統(tǒng)停車風(fēng)險(xiǎn)，從而大大降低的開停車期間的資源浪費(fèi)。

2012年10月以前，煤化工使用的循環(huán)水補(bǔ)充水為僅僅經(jīng)過(guò)單純的絮凝、沉淀和過(guò)濾以后的礦井涌水，水礦化度高，電導(dǎo)率高達(dá)4 340 μS/cm，Cl-濃度達(dá)到257.26 mg/L，濃縮倍數(shù)控制為2±0.1。

2012年10月后，煤化工變更循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)，使用脫鹽水和石灰軟化處理后的原水按照1∶3比例進(jìn)行補(bǔ)充，濃縮倍數(shù)控制在3～4倍。

選取氣溫最高的2012年7月份和2013年7月份數(shù)據(jù)進(jìn)行比較消耗數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

根據(jù)表3可以直觀看出，調(diào)整水質(zhì)后，不僅系統(tǒng)腐蝕率有所下降，而且綜合水耗降低明顯，各項(xiàng)輔材消耗均有明顯降低。循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)，換熱器無(wú)泄漏運(yùn)行周期更長(zhǎng)，更安全。然而，也有數(shù)據(jù)表明，完全采用脫鹽水作為敞開式循環(huán)冷卻水，會(huì)導(dǎo)致腐蝕的增加，所以不建議完全使用除鹽水。

表3 不同水質(zhì)情況下循環(huán)水資源消耗和腐蝕率對(duì)比

2.4循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)換熱器需要定期進(jìn)行流量調(diào)整

集中供應(yīng)循環(huán)水很容易導(dǎo)致系統(tǒng)水量分配不均衡，導(dǎo)致循環(huán)水能量浪費(fèi)，需要每月對(duì)各個(gè)循環(huán)水換熱器進(jìn)行一次流量監(jiān)測(cè)和調(diào)整，以達(dá)到換熱效果和需要為標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

大型化工裝置采用集中供應(yīng)循環(huán)水時(shí)，由于換熱器數(shù)量大，材質(zhì)各異，加大了循環(huán)水系統(tǒng)管理的難度。循環(huán)水系統(tǒng)的的建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)該考慮更多的因素，消除不良影響，增加循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控制性。

2013-10-15

趙小磊(1982-)，男，助理工程師，從事水處理管理工作，電話：15939097518。

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