循環水的濃縮倍數與節水

內容提要：循環水的濃縮倍數越高，所需的補充水量就越少，因而節水率就越高。然而，濃縮倍數與節約水量之間并非是線性關系。提高循環水濃縮倍數是一個系統工程，它既是技術水平又是管理水平的集中體現。循環水的濃縮倍數也并非是越高越好，要在節約用水、處理效果和處理成本之間尋找**佳結合點。
關鍵詞：循環水    濃縮倍數    節水
在石油化工生產中工業用水量很大，其中70%以上的水是用于冷卻各類工藝介質。冷卻水系統既是石油化工裝置不可缺少的組成部分,又是節約用水的關鍵部位。
冷卻水循環使用，日常只需補充因蒸發、排污及漏失的水量就能夠維持正常運行。因此，采用循環冷卻水系統可以大大地減少水資源的消耗。另一方面，循環水系統還便于進行水質控制和處理，從而能夠延長換熱設備的使用周期，使裝置更加安全穩定、經濟合理地運行。
然而，冷卻水的循環使用也帶來了許多復雜的技術和管理問題，濃縮倍數的控制就是其主要內容之一。循環水的濃縮倍數是關系到節約用水和處理效果的核心指標，它與水處理技術的發展水平、系統狀態和現場管理等因素密切相關。循環水的節水問題根本上就是濃縮倍數的管理問題。
一．循環冷卻水的水質
敞開式循環冷卻水主要是靠蒸發來散熱的，也就是利用系統中一部分水的汽化潛熱來使系統水體溫度降低。循環水在運行過程中，一邊在換熱器內升溫，一邊又在冷卻塔內降溫；一部分水被蒸發掉，又有一部分水補充進來；大量的空氣與水在冷卻塔內充分接觸，發生脫氣、曝氣、洗滌等多重作用；工藝物料的泄漏造成水質污染。這樣的工藝過程必然引起水質的巨大變化。循環冷卻水水質的變化及其產生的危害情況如表一所示。
  表一               循環冷卻水的水質變化及其危害

水質成分	來源	變化	原因	危害
含鹽量	補充水	增加	蒸發濃縮	氯根等陰離子和水的導電性增加，使腐蝕性增強；硬度和堿度提高使結垢性增強
懸浮物	補充水和空氣	增加	補充水被濃縮；空氣中的塵埃在冷卻塔中被洗滌下來；微生物的繁殖	在管道和設備內沉積，形成污垢、粘泥等
二氧化碳	重碳酸鹽分解	減少	冷卻塔的脫氣作用	產生碳酸鹽水垢
PH值		升高	二氧化碳的散失	結垢趨勢增強
溶解氧	空氣	增加	冷卻塔的曝氣作用	提高了腐蝕速度
微生物	補充水和空氣	增加	生存條件適宜，微生物繁殖快	形成生物粘泥，促進設備腐蝕
工藝物料（如油、氨等）	生產工藝系統	增加	換熱器泄漏；設計缺陷	增加水的結垢性和腐蝕性；為微生物提供營養；促進污垢形成
磷酸根	水處理藥劑	增加	聚磷酸鹽的水解或有機膦酸鹽的分解	產生磷酸鈣水垢；促進微生物生長

二．濃縮倍數與水質處理
由表一可知，循環水的工藝過程決定了其水質存在著顯著的劣化趨勢，這種趨勢會隨著濃縮倍數的提高而增強。在一定的技術水平上把因水質劣化而產生的危害降到**低程度，這就是循環水水質處理技術的任務。從節約用水的角度看，循環水的濃縮倍數自然是越高越好。但從水質處理的角度看，濃縮倍數越高，處理難度也就越大，處理效果也受影響。因此，在循環水的運行管理中，濃縮倍數是一項重要的控制指標，要努力尋求節約用水與處理效果兩者之間的**佳切合點。
循環水水質處理的目的是減少因水質劣化而引起的對設備腐蝕、結垢等危害。水質的腐蝕性與結垢性是一對矛盾，一種傾向呈強勢時另一種傾向則呈相對弱勢。通常的自然水體都含有一定的碳酸鹽硬度，這種水質在濃縮倍數較低時以腐蝕傾向為主，而在濃縮倍數較高時則以結垢傾向為主。因此，對于不同的濃縮倍數，處理的技術方案也應有所不同。#p#分頁標題#e#
早期的循環水處理由于沒有性能優良的阻垢劑，主要使用高濃度的緩蝕劑（如鉻酸鹽、聚磷酸鹽等）來防止腐蝕，用加酸調節PH值來防止結垢，濃縮倍數控制較低。隨著環境保護的要求不斷提高，水資源缺乏的矛盾日益加劇，必然要求提高循環水的濃縮倍數。這也就推動了循環水處理技術的發展，相繼出現了一批性能優良的阻垢劑，使得循環水在較高濃縮倍數下運行成為可能。
循環水濃縮倍數的提高固然是以水處理技術為基礎的，但它畢竟是一個相對的數值，并不能直接作為衡量水處理技術水平的指標。在水處理技術中通常以含鹽量（主要是總硬度和總堿度）作為評價處理技術能力的指標。處理能力越強，可以接受的條件就越苛刻，也就是能夠處理的總硬度和總堿度就越高。這就是所謂邊界條件。一般認為，在當前的技術水平上總硬度加總堿度在1000mg/L（以CaCO₃計，下同）以下的水質能夠達到較滿意的處理效果，總硬度加總堿度更高的水質處理效果還不理想，處理成本也較高。
長江中下游的水質含鹽量屬中等范圍，總硬度加總堿度在200mg/L左右。這種水質在目前的條件下，理論上循環水的濃縮倍數可達5.0。實際上循環水的含鹽量由于諸多因素的影響要比補充水直接濃縮的值更高一些。因此，從處理技術角度看筆者認為我廠循環水濃縮倍數控制在4.0~5.0左右是**適宜的。
三．濃縮倍數與節約用水
循環水的濃縮倍數越高，所需的補充水量就越少，因而節水率就越高。然而，濃縮倍數與節約水量之間并非是線性關系，隨著濃縮倍數的提高，補充水量的減少值（即節約水量的增加值）會越來越小。這是因為在一定的工藝條件下，蒸發水量是個定值，補充水量的變化只受排污量的影響。
根據水量平衡的關系對我廠循環水系統各項水量與濃縮倍數之間的關系進行了計算。計算結果如表二所示。計算設定的條件為：循環水量26000m³/h，冷卻溫差10℃，氣溫為30℃，蒸發損失系數0.15%。
 表二             濃縮倍數與節約水量的關系（ m³/h）

濃縮倍數	蒸發水量	排污水量※	補充水量	節約水量☆	節水率%△
1◇	0	26000	26000	0	0
1.1	390◎	3900	4290	21710	83.50
1.2	390	1950	2340	1950	91.0
1.4	390	975	1365	975	94.75
1.5	390	780	1170	195	95.50
2	390	390	780	390	97.00
3	390	195	585	195	97.75
4	390	130	520	65	98.00
5	390	97.5	487.5	32.5	98.12
6	390	78	468	19.5	98.20
7	390	65	455	13	98.25
8	390	55.7	445.7	9.3	98.29
∞	390	0	390		98.50

 ※ 這里的排污水量包括風吹和滲漏損失#p#分頁標題#e#
◇ 濃縮倍數等于1即為直流水
    ☆ 濃縮倍數每提高一步時節約水量的增加值
△ 與直流水相比節約補充水量的百分數
◎ 當循環水量一定、冷卻溫差一定時，蒸發水量隨氣溫不同而稍有變化，這里只是氣溫為30℃時的計算結果
通過以上的計算，很明顯地看出濃縮倍數與節水的關系：
  （1）循環水與直流水相比可以大大地節約用水量，即使濃縮倍數只有1.1時，節水率也在80%以上；隨著濃縮倍數的提高，補充水量不斷減少，節水率也相應提高 。
（2）當濃縮倍數小于2時，排污水量大于蒸發水量，即補充水主要是補充排污損失；當濃縮倍數等于2時，蒸發水量與排污水量相等，即二者各占補充水量的50%；濃縮倍數大于2以后，排污水量就小于蒸發水量，即補充水量的主要部分是補充蒸發損失。
（3）濃縮倍數等于4時，節水率為98%；此后再進一步提高濃縮倍數則節水率的增加幅度很小；當濃縮倍數為無窮大時即在零排污的情況下，補充水量等于蒸發水量，節水率的極限值為98.5%。
  由此可見，從節約用水的角度看，我廠循環水的濃縮倍數控制指標定在4.0~5.0也是合理的。
四．提高濃縮倍數的途徑
提高循環水濃縮倍數是一個系統工程，它既是技術水平又是管理水平的集中體現。一般情況下，循環水的濃縮倍數達到2.0左右是比較容易做到的，要想再進一步提高就需要做很多工作。我廠從20世紀80年代初開始就非常重視濃縮倍數問題，先后做了大量工作，取得了明顯的成效。
1.克服先天不足
所謂先天不足是指設計上的缺陷。由于歷史的原因，過去在設計中對濃縮倍數的要求不是很高，因而造成運行時濃縮倍數上不去。常見的問題如：水處理配方不合適、少數換熱器直排水、將循環水作它用、將某些裝置的排水引入循環水、預處理不健全、旁濾設施缺乏或能力不足、冷卻溫差小、系統容積大等等。這些問題不解決濃縮倍數就上不去。我廠雖為G外引進裝置，循環水系統也同樣存在許多先天不足，在原始開車后不久，就暴露出不少的矛盾。針對這些矛盾和問題，我們先后采取了相應的措施進行解決，比較突出的有以下幾點：
① 研制了“安化二號”冷卻水處理配方，解決了嚴重的腐蝕、結垢問題；
② 預處理濾池的反洗用水由循環水改為澄清水；
③ 鍋爐排污擴容器的排放冷卻水由循環水改用排放廢水；
④ 9300工號的循環水直排改為回收進冷卻塔；
⑤ 增加循環水旁濾器，提高旁路過濾水量；
⑥ 填充冷卻塔集水池，減少系統容積；
⑦ 改造冷卻塔，提高冷卻能力。
正是因為解決了這些問題，為循環水濃縮倍數的提高創造了良好的硬件環境。
2.加強現場管理
循環水管網遍布全廠，排放導淋隨處可見，用起來十分方便。因此循環水濫用的情況普遍存在。要提高濃縮倍數就必須制止這些現象。經過反復宣傳和加強考核力度，我們已杜jue循環水的亂排濫用現象.
3.加強水質管理
循環水的水質管理是提高濃縮倍數的根本保證,也是滿足水處理效果的前提條件.日常的水質管理主要是加藥管理和水質監測兩個方面.
    (1)加藥管理
循環水的加藥應保持均勻性和連續性，加藥指標合格率應達到90%以上。我廠的“安化二號”配方所用藥劑類型較多，操作難度較大，這就更需要加強管理。實踐證明，只要管理工作到位，嚴格進行考核，加藥指標合格率達標是完全能夠做到的。
    由于循環水在線分析儀器發展的滯后，目前主要靠人工分析。因此分析的準確性和分析頻率的高低對加藥指標合格率影響很大。我們規定了每四小時一次的分析頻率,并經常組織分析化驗人員練兵比武,提高他們的技術水平。多年來，我廠循環水的加藥指標合格率一直保持在95%左右。
(2)水質監測
    濃縮倍數無疑是**重要的水質監測指標，其他還有PH值、濁度、總硬度、總堿度、鈣離子、氯根、磷酸根、微生物、粘泥量、COD、工藝泄漏物料等。嚴格控制好這些指標就是水質管理的任務。
這里要特別提出的是微生物的監測，由于細菌檢測時間長，難以及時反映水質狀況，**好以某種分析方便的相關性離子作為指示，間接反映微生物的狀況。我廠根據多年的經驗，總結出亞硝酸根離子與微生物的繁殖有密切的關系，因此把亞硝酸根離子作為指示性指標。只要亞硝酸根離子達到0.5mg/L,就要引起重視；當亞硝酸根離子達到1.0mg/L以上時，水質必然有異常，細菌繁殖加快，就需要采取必要的措施如投加非氧化性殺菌劑等進行處理。這是一個既快捷又有實效的方法。
4．處理設備泄漏
工藝物料的泄漏是水質處理的大敵。凡是有物料泄漏的循環水系統，不僅濃縮倍數上不去，水耗增加，而且處理效果也很差。然而大型循環水系統都有上百臺以上的換熱器，我廠各類換熱器就有120余臺，要使這么多換熱器都永遠**不泄漏是辦不到的。問題是要能及時發現和處理設備的泄漏。
①及時發現
設備的泄漏主要靠水質監測來發現，監測包括觀察和分析。有些泄漏物對水體的污染比較直觀，很容易通過觀察來發現，如油品、有色物質等；而有些泄漏物則對水體的外觀不產生影響，這就要通過掌握水質的變化和化學分析去判斷。例如。我廠循環水系統曾經漏油，就是觀察到集水池表面的油花發現的；而漏氨則是通過PH值、加氯量、NO#p#分頁標題#e#₂^-等的異常波動，再結合氨含量的分析來確定的。無論通過什么手段，只要有設備泄漏就要能及時發現，這是很重要的水質管理內容。
②查找源頭
一旦發現循環水有異常物質進入就要立即查找泄漏源。shou先根據泄漏的物質種類確定可能發生泄漏的設備范圍，接著在已知范圍內逐臺排查。查找的方法主要是兩點，一是工藝情況有無變化，二是分析進、出口水質。
某些情況下，相同或相似工藝介質的換熱器面廣量大（如煉油廠的油換熱器），查找工作費時費力，這就需要全廠的通力協作，單靠水質管理人員和水處理車間是難以完成的。
通過運行經驗的積累，可以掌握一些比較容易發生泄漏的設備和部位，使查找工作范圍縮小，提高查找效率。例如，我廠循環水發現有氨，通常shou先檢查E1507、E1519、E1503等，因為這些設備泄漏的幾率較高，若無問題再查其它。
③妥善處理
從水質管理的角度來說，凡是有泄漏都應立即停運，交付檢修，消除泄漏源。然而，涉及到裝置停車往往決心難下，帶病運行的結果使得水質日趨惡化，造成嚴重后果。
在暫時不能停運檢修的情況下**少也應該采取降壓或減負荷運行等措施，盡量延緩泄漏的發展。若泄漏換熱器的水量不很大，可將其循環水改直排，使被污染的水不要再回到循環水系統里來。這樣做會降低濃縮倍數，但比整個系統的嚴重污染要好的多。重要的還是要及早檢修。
在發生了設備泄漏以后，即使泄漏解決了，對水質的影響也不會立即消除，因此還有一個水質處理的問題。要根據泄漏物質的類型、影響時間的長短不同而采取相應的措施。常用的措施有加大排污量，短期內降低濃縮倍數；進行系統化學清洗；投加殺菌劑、剝離劑、清洗劑等。其目的就是使得系統水質盡快恢復正常。
對一些設計有缺陷或工況條件惡劣的設備進行改造也是避免泄漏的有效措施。我廠循環水系統在20世紀80年代前期發生過多次漏油的情況，究其原因主要是蒸氣透平油冷卻器的泄漏。當時的油冷卻器為碳鋼材質，因其熱負荷不高，流速又較低，易于受到腐蝕。分析了情況后，將透平油冷卻器先后都更換為不銹鋼材質，十多年來沒有發生過漏油問題。
5.提高水處理技術水平
二十世紀九十年代以前，循環水的處理以傳統磷系配方為主，即所謂低PH高磷運行。這類配方的優點是緩蝕、阻垢性能較好，菌藻易于控制，能適應一定的水質波動，處理成本較低。其缺點是加酸有一定風險，PH值易波動，在濃縮倍數較高時有產生磷酸鈣垢的可能，現場操作較復雜，排污水中磷含量較高。
二十世紀九十年代以后，全有機堿性配方成為循環冷卻水處理技術的主流，也稱高PH低磷運行。這類配方不加酸調節PH值，用性能優異的阻垢劑來防垢，并以高PH值來降低腐蝕。采用這類配方阻垢、緩蝕性能好，現場操作簡單，可實現自動加藥，指標易于控制，不易產生磷酸鈣垢，排污水含磷量低。但也有菌藻控制難度較大，對水質要求較嚴、處理成本相對較高等問題。
隨著水資源管理和環境保護要求的日益嚴格，研究性能優異、既能適應高濃縮倍數又能滿足環保要求的低磷或無磷配方是必然趨勢。冷卻水處理技術的不斷進步一定會為濃縮倍數的提高提供技術支持。
四．結束語
工業冷卻水系統由直流式到循環式是水處理技術的一大進步，循環冷卻水由低濃縮倍數到高濃縮倍數是又一大進步。這是節約水資源的需要，是保護環境的需要，也是企業降本增效的需要。
要提高循環水的濃縮倍數既需要技術進步的支持，更需要管理的深化。要真正管好循環水必須有*導的重視，各職能部門的支持和各生產車間的配合。
循環水的濃縮倍數也并非是越高越好，要在節約用水、處理效果和處理成本之間尋找**佳結合點。在目前條件下，努力把我廠循環水的濃縮倍數控制在4.0~5.0是較理想的結果。