SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：由于洛河层水源井含盐率较高，采用该水源作为换热器内循环水的补水水源时，冷却塔内结垢严重，2~3个月就需要进行一次清垢，导致换热器效率降低。为此研制了循环水水质电脱盐装置，此装置采用撬装式结构，包括脱盐、过滤和反洗3个主要功能模块，具有自动化高、工艺性强和流程简短等优点；通过PLC自动控制系统实现脱盐、过滤和反洗之间的自动切换，人工干预较少。在庄二联轻烃厂开展试运行，对比运行过程水质的变化，结果表明：此装置运行稳定，循环冷却水系统高效运行，结垢倾向明显减缓，有效降低了循环冷却水的硬度，满足工业循环水的要求，成功实现了冷却水的循环利用，效果明显，解决了庄二联轻烃回收装置循环水系统结垢的问题。
关键词：循环水；结垢；电脱盐
Development and Application of Electric Desalting Skid for Circulating Water Quality
Su Ming，Wang Liwei，Shi Wantao，Zhang Wenming，Cao Jiachen(School of Mechanical Engineering,Xi′an University of Petroleum,Xi′an 710000,China)
Abstract:Due to the high salt content of the water source well in the Luohe Formation,when the water source is used as the make-up water source of the circulating water in the heat exchanger,the scaling in the cooling tower is serious,and the scaling needs to be removed once every 2~3 months,resulting in the reduction of the efficiency of the heat exchanger.Therefore,an electric desalting device for circulating water quality was developed.The device was skid mounted and mainly included three main functional modules:desalting,filtering and backwashing.It had the advantages of high automation,strong processability and short process;the automatic switch between desalination,filtration and backwashing was realized through the PLC automatic control system,with less manual intervention.Pilot run was carried out in Zhuang Erlian Light Hydrocarbon factory,and the water quality changes were observed.Results show that the unit operates stably,the circulating cooling water system operates efficiently,the scaling tendency is significantly reduced,the hardness of the circulating cooling water is effectively reduced,the requirements for industrial circulating water are met,the recycling of chilled water is successfully realized,the overall effect is obvious,and the scaling problem of the circulating water system of the factory is solved.
Key words:circulating water;scaling;electric desalting
0引言
在石油、化工、冶金及工业生产中的各方面火电厂中汽轮机排气冷凝、石化厂、燃气管道降温等场所均会使用大量循环冷却水，冷却换热、产品的喷淋冷却以及除尘都会大量使用到循环冷却水所以循环冷却水用水量巨大[1-5]。造成循环冷却水系统无法正常运行的其中一个主要原因是系统换热时冷却水大量蒸发导致循环冷却水的硬度增高。随着冷却水的硬度增高，钙镁离子就会与氢氧根碳酸根结合形成不溶于水的盐，导致换热器表面结垢，从而造成换热效率降低、能耗增大、设备寿命缩短等问题[6-10]。
李鹰等[11]通过电脱盐水处理装置对循环冷却水进行处理的过程进行了深入研究，主要分析讨论了阻垢、防腐、溶垢和杀菌灭藻等方面的作用机理。全贞花等[12-13]分别对高压静电和低压静电两种方法在水处理中的应用情况进行了实验研究。徐浩等[14]对电化学除垢方法进行了长期的研究，取得了很好的研究成果。孙津鸿[15]针对工业循环冷却水进行了电化学除垢的实验研究，从沉积能力和剥离能力两个方面研究了不同阴极对碳酸钙结垢的影响，确定了最佳停留时间、最佳电压和最佳实施温度。胡承志等[16]总结并介绍了近年来电化学冷却水处理工艺开发的基本情况与技术发展趋势，并指出电化学传感器除垢工艺开发已获得了巨大的进展，正不断地向电极材料高效化、工艺耦合化、低碳环保过渡，未来还将更加关注多功能电极材料开发、高效反应器的复合技术研究、环境资源能量的定向转化和利用等关键方面。曲秀丽[17]研究了电子水处理技术的除垢阻垢机理，分析了影响处理效果的各种实验因素。杨迎菊等[18]研究了诱导结晶法控制电化学结垢强度的方法，他们利用实验方法研究了阴极结垢的晶体构成，以阴极和阳极的电场梯度为对比变量，进行了最优控制电压的分析。
长期以来，利用化学药剂法作为常规的工业生产循环冷却水系统水质安全控制手段得以广泛应用，但由于浓缩倍数仍不可无限提高、循环排污和放空水质问题尚需管理、化学制剂选型与应用仍受技术限制、操作维护管理要求高等困难，仍无法较好地满足资源节约型社会的发展需要。根据上述情况，研究开发出了循环水水质电脱盐系统，并进行了实际使用，达到了良好的使用效益，并产生了良好的经济效益和社会效益。
1技术分析
1.1设备组成
循环水脱盐水质稳定处理方案是根据循环水系统工艺要求、补水及循环水水质分析而量身定制的技术方案，不仅可以单套使用，也可采用串、并联方式以满足不同补水水质和不同循环水水质要求的需要。
研制的循环水水质电脱盐撬装置主要由脱盐器、浅层砂过滤器、离心泵、PLC控制柜、底座、电控管路等组成。具备就地手动、自动、远程3种控制方式。电脱盐撬装置如图1所示。
1.2工作原理
根据循环水结垢机理研究，降低循环水硬度及浊度是工艺流程设计的关键点，因此采用脱盐除垢技术去除水中成垢离子，降低循环水硬度；使用旁滤系统过滤掉循环水中的悬浮物、杂质等，降低循环水浊度。工艺流程设计将脱盐和旁滤串联，先采用脱盐装置去除水中生成的水垢沉淀物，然后再经过旁滤系统过滤残留的沉淀悬浮和杂质，使循环水达到阻垢和净化的目的，具体的工艺流程如图2所示。
设备正常运行流程：离心泵→电动阀门①→脱盐器→电动阀门②→浅层过滤器→电动阀门③→循环水池，其余阀门为关闭状态。
脱盐器清垢流程：电动阀门④→沉淀池，离心泵及其余阀门均为关闭状态。
浅层砂过滤器反洗流程：离心泵→电动阀门⑤→浅层过滤器→电动阀门⑥→沉淀池。
1.2.1脱盐流程
脱盐过程是采用电极物理除垢方式，去除循环水中大部分钙镁离子，平衡循环水碱度与硬度指标的变化，可有效缓解系统腐蚀和结垢风险，大幅降低排污水量，排污水不会对环境造成化学污染。循环水通过脱盐装置时，循环水中的碳酸氢根迁移到阴极表面与氢氧根转化为碳酸根，钙离子和镁离子在传质和电场的共同作用下迁移到阴极表面，在阴极区域生成碳酸钙或氢氧化镁沉淀，最终以水垢的形式沉积在阴极表面，阴极表面的水垢定期自动清除，使循环水的硬度保持在一定范围内。脱盐原理如图3所示。
1.2.2过滤流程
系统的过滤流程是未经过滤的水通过浅层砂过滤器里的布水器，配合特殊设计的外壳，以接近平流的状态到达浅层砂过滤器内的填料层。当水流过浅层砂过滤器的填料层时，杂质被截留在填料层内。过滤后的水经过过滤器底部蘑菇状的过滤集水器均匀地收集并流出。平流过滤，使得过滤器即使在高的流速下过滤，依然具有良好的过滤效果。
浅层砂过滤器是利用石英砂作为过滤介质，在一定的压力下，把悬浮物较高的水通过一定厚度的石英砂过滤，有效截留去除水中的细小颗粒、悬浮物、有机物、胶质颗粒、微生物等，更好地控制水体浊度，对电化学处理后的循环水起到良好的二次过滤作用，过滤原理如图4所示。
1.2.3反洗流程
反洗系统采用原水反洗，即装置不设空气辅助反洗，利用系统水压进行反洗。随着杂质在填料层中的不断聚积，水头损失将不断增大。经过一个预先设定好的时间段后，系统将自动转换至反洗状态，以清洗聚积起来的杂质。
就系统而言，经常性地反洗来去除堆积起来的沉淀物是必要的。当系统处在反洗阶段时，过滤器就会把清洁的、过滤过的水通过一个三通反洗阀的方式逆流进入整个浅层砂过滤器中。在这个逆流过程中，被反洗的浅层砂过滤器的填充物层在水流的冲洗下被冲起，而沉淀物则经过一个三通的反冲洗口后被去除。在过滤器体系中，经过特别设计的集水器使填充物层在反洗状态时产生内环流，填充物间可以相互搓洗，从而最大限度地增加反冲洗效果，并降低了所需要的反冲洗水量，同时反冲洗时也不会跑沙。在反冲洗完成时，阀门又恢复到正常过滤状态，整个反冲洗过程如图5所示。
1.3主要技术参数
最大处理量为30 m3/h；整体尺寸(长×宽×高)为3 000 mm×2 000 mm×2 100 mm；设备质量为8 t；运行压力小于或等于0.6 MPa；总功率为15 kW；运行最大功率为6 kW。
2主要部件设计
2.1脱盐器
脱盐器主要由筒体、刮刀和支腿组成，其结构如图6所示。经过电解工作，水中容易结垢的矿物质和钙镁离子预先结垢，形成的水垢吸附在脱盐器内壁表面上，起到了去除水中的钙镁离子的作用。电流将水中的部分氯离子转化成游离氯，同时产生臭氧、氧自由基、双氧水等强氧化剂，可以达到杀菌灭藻的效果。同时结合电流，阴极高PH和阳极低PH环境，进一步增强杀菌能力。刮刀不停地进行刮垢，去除脱盐器内壁上吸附的水垢。设备尺寸为Φ635×2 400 mm；处理水量为30m3h；运行压力小于或等于1.0 MPa。
2.2浅层砂过滤器
过滤器主要由筒体、布水器、集水器、检修孔和支腿组成。浅层砂过滤器是一种高效过滤设备，石英砂是浅层砂过滤器的主要过滤介质，在一定的压力下，含有大量悬浮物的水通过一定厚度的石英砂过滤，水中各种悬浮物、有机物、微生物、胶质颗粒等可以被有效截留，最终达到降低水中悬浮物、净化水质效果。浅层砂过滤器的特点如下：过滤系统采用模块化设计，根据流量的大小，选择多个过滤单元；可通过时间程序控制设备自动开始反洗，其他单位则一直进行过滤，出水不断流；设备反洗效率较高，持续时间较短，反洗节约了用水(反洗用水量小于过滤流量的1%)；可在室内或户外布置，设备安装简单，不需要大型的起重装置；设备占地面积较小，可按照厂区场地大小灵活设置过滤单元的分布；设备重量轻，不要求特殊的地基，普通混凝土地面也可以；过滤器支腿可以拆开，包装体积较小，搬运方便；过滤器为人体工学结构，运行操作简便。技术规格为Φ1 000×1 850 mm；设备运行自重为4 t；处理水量为30 m3/h；运行压力小于或等于0.6 MPa；进、出水口为80 DN；反洗进、出口为80 DN；排污口为65 DN；占地尺寸(长×宽×高)为1500 mm×1 500 mm×2 200 mm；石英砂滤料为0.8 t。
2.3电控系统
此装置的电动控制系统具有就地手动、就地自动和远程自动3种控制方式。选择就地自动控制模式或远程模式时，系统获得启动指令后，即按照PLC程序既定控制流程自动循环运行：系统启动后，脱盐器自动循环和浅层砂自动循环同时运行；当浅层砂过滤时长达到设定时间后，脱盐器自动循环停止，浅层砂自动反洗；浅层砂自动反洗到设定时间后，脱盐器再次自动循环，浅层砂过滤时长再次重新计时，自动循环。
3现场安装方案及现场应用
3.1现场安装
根据现场调研冷却塔循环、排污、补水等位置，确定如下安装方案流程：在不改变原系统正常运行的情况下，从循环水池排污口取水，经电脱盐设备处理后返回循环水池，电脱盐设备排出的污水经沉淀池沉淀后排至原冷却塔污水井中，如图7所示。
3.2现场应用
循环水水质电脱盐撬装置研制成功后，在庄二联轻烃厂进行试运行，现场应用如图8所示，循环水结垢倾向明显减缓，使用当地洛河层井水作为循环冷却水补水，可有效降低洛河层井水的硬度，满足工业循环水的要求。采用循环水脱盐水质稳定技术进行循环水的处理，没有了系统清垢的费用，由于水质稳定，消除了结垢导致系统温度不达标对产量的影响，提高了生产装置的生产效率和经济运行水平。
设备运行48 h后，水质对比如图9所示。投运前、后每月10日、20日、30日进行循环水定时、定点取样分析，每月分析3次，共检测9次，结果如图10所示。从图9、10可以看出，电脱盐设备投运后，循环水钙硬度上升速度明显减慢，钙离子浓度降低。总体来看，循环水电脱盐设备投运后，循环水钙硬度均有一定程度的降低，水体清澈透明，水质明显改善。运行3个月后，开式循环水冷却塔无明显结垢，换热效果良好。
4结束语
本文研制的循环水水质电脱盐撬装置运行稳定，处理后的水质达到要求，实现了庄二联伴生气处理站循环水水质要求，对于庄二联伴生气处理站延缓循环水结垢、提高冷却效率及推广前景，达到降本增效的目的具有重要的意义。此装置操作简单，工艺流程简短，人工投入少，通过PLC系统自动控制，成功进行脱盐、过滤和反洗之间的自动切换。装置通过在现场应用，循环水系统高效运行，效果明显，对增产增效产生了积极作用，对于洛河层水系覆盖的油区具有广阔的应用。
采用循环水脱盐水质稳定技术进行循环水的处理，没有了系统清垢的费用，由于水质的稳定，消除了结垢导致系统温度不达标对产量的影响，提高了生产装置的生产效率和经济运行水平。
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