循环水水质电脱盐撬装置的研制与应用_苏铭.pdf

收稿日期：20221105循环水水质电脱盐撬装置的研制与应用苏铭，王立伟，石万涛，张文敏，曹嘉晨（西安石油大学 机械工程学院，西安710000）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，23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；电脱盐中图分类号：TU991文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03015805Development and Application of Electric Desalting Skid for CirculatingWater QualitySu Ming，Wang Liwei，Shi Wantao，Zhang Wenming，Cao Jiachen（School of Mechanical Engineering,Xian University of Petroleum,Xian 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 watersource of the circulating water in the heat exchanger,the scaling in the cooling tower is serious,and the scaling needs to be removed once every23 months,resulting in the reduction of the efficiency of the heat exchanger.Therefore,an electric desalting device for circulating waterquality 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 andbackwashing was realized through the PLC automatic control system,with less manual intervention.Pilot run was carried out in Zhuang ErlianLight Hydrocarbon factory,and the water quality changes were observed.Results show that the unit operates stably,the circulating coolingwater system operates efficiently,the scaling tendency is significantly reduced,the hardness of the circulating cooling water is effectivelyreduced,the requirements for industrial circulating water are met,the recycling of chilled water is successfully realized,the overall effect isobvious,and the scaling problem of the circulating water system of the factory is solved.Key words:circulating water;scaling;electric desalting2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.032苏铭，王立伟，石万涛，等.循环水水质电脱盐撬装置的研制与应用 J.机电工程技术，2023，52（03）：158-162.0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158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：离心泵电动阀门脱盐器电动阀门浅层过滤器电动阀门循环水池，其余阀门为关闭状态。脱盐器清垢流程：电动阀门沉淀池，离心泵及其余阀门均为关闭状态。浅层砂过滤器反洗流程：离心泵电动阀门浅层过滤器电动阀门沉淀池。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。图1电脱盐撬装置1、2.加压泵3.脱盐4.浅砂层过滤器5、6.流量计7.循环水池图2设备工艺流程图3电脱盐原理苏铭，王立伟，石万涛，等：循环水水质电脱盐撬装置的研制与应用159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 mm2 000 mm2 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 6352 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