揚子巴斯夫苯乙烯合資工廠的循環冷卻水處理設計
揚子巴斯夫苯乙烯合資工廠是揚子石化公司和德國巴斯夫公司合資建設的工廠。其循環水站的設計規模為15000m3/h，循環冷卻給水溫度t2=33℃、回水溫度t1=43℃，冷卻溫差Δt=10℃。循環冷卻水系統為敞開式，設計選用仿瑪利600型橫流式機械通風冷卻塔，共3組6格，其配套風機為L85A型軸流風機。
1 工程概況
揚子巴斯夫苯乙烯合資工廠是揚子石化公司和德國巴斯夫公司合資建設的工廠，由13萬t/a乙苯(EB)、12萬t/a苯乙烯(SM)和10.2萬t/a聚苯乙烯(PS)裝置及其相應的配套輔助生產設施和公用工程系統組成。工程總投資約18億元人民幣，于1997年10月正式投產運行。其循環水站的設計規模為15000m3/h，循環冷卻給水溫度t2=33℃、回水溫度t1=43℃，冷卻溫差Δt=10℃。循環冷卻水系統為敞開式，設計選用仿瑪利600型橫流式機械通風冷卻塔，共3組6格，其配套風機為L85A型軸流風機。
2 循環冷卻水處理的基本要素
循環冷卻水處理工藝流程的設計是根據熱交換設備對污垢熱阻和腐蝕率的要求，補充水的水質指標、循環冷卻水的水質標準，同時吸取了揚子石化公司現有循環水站成功的運行經驗，通過技術經濟比較后確定的。
2.1 熱交換設備對污垢熱阻和腐蝕率的要求
揚子巴斯夫苯乙烯合資工廠的熱交換設備對污垢熱阻和腐蝕率的要求如下：
污垢熱阻：1.72×10-4～3.44×10-4m2.K/W；腐蝕率：0.125mm/a。
2.2 補充水的水質指標
揚子巴斯夫苯乙烯合資工廠循環冷卻水系統的補充水為揚子石化公司的工業用水，其水質指標如下：
溫度＜34℃；pH值8～8.2；濁度≤2mg/L；甲基橙堿度(以CaCO3計)：86mg/L；總固體：146mg/L；溶解固體：132mg/L；總硬度(以CaCO3計)：100mg/L；重碳酸鹽硬度(以CaCO3計)：85.5mg/L；游離CO2：2.2mg/L；HCO-3：104.9mg/L；Cl-：9.57mg/L；SO2-4：24.0mg/L；F-：0.08mg/L；SiO2：12.4mg/L；PO3-4：0.02mg/L；CO2-3：無；K+：1.6mg/L；Na+：8.2mg/L；NO-3：2.0mg/L；Ca2+：29.4mg/L；Mg2+：6.21mg/L；總Fe：0.077mg/L；Cu2+：0.012mg/L；溶解氧：9.52mg/L；CODMn：2.32mg/L；油：1.0mg/L。
2.3 循環冷卻水的水質標準
揚子巴斯夫苯乙烯合資工廠循環冷卻水的水質標準執行《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB50050-95)，具體如下：
懸浮物≤10mg/L；pH值：7.0～9.0；甲基橙堿度≤500mg/L；Ca2+：30～200mg/L；Fe2+<0.5mg/L；Cl-≤300mg/L；SO2-4與Cl-之和≤1500mg/L；硅酸(以Mg2+×SiO2計)＜15000mg/L；游離氯：0.5～1.0mg/L；石油類＜5mg/L。
2.4 循環冷卻水處理的內容
循環冷卻水系統由6個流程組成，除主流程外，其余的加藥流程、加氯流程、加酸流程、監測換熱流程、旁流流程均為循環冷卻水處理的5個組成內容。現簡述如下，同時參見圖1。
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圖1 循環冷卻水系統
(1)主流程：循環冷卻水系統的補充水為揚子石化公司的工業用水，5臺循環水泵(3用2備)由冷卻塔塔下水池吸水加壓后進入循環冷卻給水管，用于供應工藝裝置的冷卻用水。循環冷卻回水則通過循環冷卻回水管返回循環水站，經冷卻塔的配水系統均勻分布后，在冷卻塔內自上而下進行氣水換熱降溫，冷卻后進入塔下水池，再經循環水泵加壓供出。如此循環往復。
(2)加藥流程：為控制循環冷卻水流經的管道和熱交換設備的腐蝕、結垢，必須向循環冷卻水投加緩蝕阻垢藥劑。另外，在系統正常運行之前，必須先投加預膜劑，使金屬表面形成一層完好的緩蝕的保護膜。本系統中，藥劑原液通過自吸泵或人工搬運送入貯藥罐，然后按一定比例加入稀釋水(工業水或循環冷卻水)，或者直接將原液攪拌后自流進入藥劑溶液罐，再由2臺計量泵(1用1備)將藥液送入冷卻塔塔下水池。
(3)加氯流程：為控制菌藻類等微生物的繁殖，必須向循環冷卻水投加殺生劑。本系統中，設計選用的殺生劑為液氯。氯氣從氯瓶中蒸發，依次經過氯氣過濾器、真空調節器、加氯控制柜，最終通過水射器送入冷卻塔塔下水池。本系統還包括一個在線余氯分析儀，控制余氯0.5～1.0mg/L，同時在線余氯分析儀與加氯機聯鎖，可實現連續自動加氯。設計2套加氯系統，1用1備，可自動或人工切換。
(4)加酸流程：循環冷卻水系統在每次正常運行之前，應對系統進行酸洗；另外，在系統正常運行的過程中，為保證緩蝕阻垢劑處理效果而需降低系統pH值時，也進行加酸處理。本系統中，設計選用的濃硫酸通過硫酸泵進入硫酸貯罐中，然后通過水射器送入冷卻塔塔下水池。
(5)監測換熱流程：循環冷卻水系統在正常運行的過程中，應采用必要的監測手段，以隨時掌握循環冷卻水處理的效果，并根據監測所得的數據及時采取相應的措施，以期達到良好的效果。本系統中，在循環冷卻給水管的旁路上設置了一個模擬工藝裝置熱交換設備的小型熱交換器(監測換熱器)，其熱源為低壓飽和蒸氣。在監測換熱器的循環冷卻回水管上安裝掛片，通過對掛片的定期化驗分析，可以推斷循環冷卻水流經的管道和熱交換設備的腐蝕、結垢狀況。
(6)旁流流程：旁流的目的是保持循環冷卻水水質，使系統在滿足濃縮倍數的條件下有效、經濟地運行。在高濃縮倍數條件運行時，可減少補充水量和排污水量，減輕對環境的污染。本系統中，約2.5%的循環冷卻回水流經2組全自動無閥過濾器，濾后水進入冷卻塔塔下水池。2組全自動無閥過濾器利用虹吸原理可實現自動反沖洗。
3 循環冷卻水處理設計簡述
3.1 濃縮倍數的計算與取值
濃縮倍數即循環冷卻水的含鹽濃度與補充水含鹽濃度的比值。循環冷卻水在系統運行過程中有蒸發損失、風吹損失和排污損失(包括生產中滲漏損失)3種水量損失，這3種水量損失的總和由補充水補給。系統運行達到平衡時，從系統排出的鹽量等于進入系統的鹽量，即：
Cri.(Qb+Qw)=Cmi.Qm
=Cmi.(Qe+Qw+Qb)
式中N——濃縮倍數；
Cri——循環冷卻水的含鹽濃度，mg/L；
Cmi——補充水的含鹽濃度，mg/L；
Qm——補充水量，m3/h；
Qb——排污水量，m3/h；
Qe——蒸發水量，m3/h；
Qw——風吹損失水量，m3/h。
為防止產生結垢，應使循環冷卻水的碳酸鹽硬度小于極限碳酸鹽硬度。從上式可以看出，在補充水含鹽濃度(Cmi)不變的情況下，如果降低循環冷卻水的濃縮倍數(N)，即降低循環冷卻水的含鹽濃度(Cri)，就可以有效地控制系統結垢。但是，降低濃縮倍數，勢必以增加排污量為代價，這樣一方面影響環境保護；另一方面增加了補充水量，造成水資源的浪費。因此，不加限制地降低濃縮倍數是不經濟且不合理的。
本系統中，根據補充水的水質指標、循環冷卻水的水質標準，并吸取揚子石化公司現有循環水站成功的運行經驗，同時也考慮到節約用水、保護環境因素，將濃縮倍數取為2.15。經過2年來的運行，濃縮倍數已達到3.0。
3.2 循環冷卻水處理藥劑的選擇
3.2.1 藥劑的選擇
在循環冷卻水處理中經常使用的藥劑有緩蝕劑、阻垢劑和復合型藥劑3種。
緩蝕劑的作用是能在金屬表面形成一層致密而連續的金屬氧化膜或其它類型的膜，將金屬表面覆蓋起來，從而與腐蝕介質隔絕，防止腐蝕。
阻垢劑的作用是利用其與水中的金屬離子起絡合反應而產生可溶性絡合鹽，使金屬離子的結垢傾向受到抑制，不易結成堅硬的水垢；同時，阻垢劑的作用還在于其吸附作用與分散作用；通過提高結垢物質微粒表面的電荷密度，使微粒間排斥力增大，降低結晶速度，并使晶格結構發生畸變，從而防止結成硬實的水垢。
循環冷卻水處理包括對結垢、污垢、腐蝕和微生物等幾方面的控制，無論是緩蝕劑、阻垢劑或其它藥劑都有其片面的作用范圍，難以滿足多方面的需要。因此，采用具有協同效應進而是互為增效的復合配方即復合型藥劑，對保證循環冷卻水的水質，使系統運行高效、可靠，均具有重要意義。
本系統中，設計選用的JC-463型緩蝕阻垢劑，是有機磷、共聚物和銅緩蝕劑的復合配方。該配方經長江南京段水質多年運行的結果表明，效果良好，具有緩蝕、阻垢、分散等多種作用。該配方的優異性能表現在其可在堿性條件下使用，不需調節循環冷卻水的pH值，對環境的污染輕微，以及防止碳酸鈣垢、磷酸鈣垢效果好等方面。
3.2 菌藻處理方法的確定與計算
循環冷卻水系統的水溫和pH值均適宜微生物生長，冷卻塔塔下水池又常年露置室外，陽光充足，這更給微生物的生長繁殖創造了條件。微生物主要是菌藻類，它們的存在不僅使水質惡化，還與其它有機或無機雜質構成粘垢附著、沉積在系統內，增加了水流阻力，并且嚴重地降低了熱交換設備的傳熱效率，粘垢不僅妨礙緩蝕劑發揮其防腐蝕功能，甚至促進腐蝕過程。因此，必須采取適當措施控制菌藻類在循環冷卻水中的生長繁殖。目前最常用的辦法是投加殺生劑。
3.2.1 殺生劑類型的選定
殺生劑按機理分為氧化型殺生劑、非氧化型殺生劑和表面活性劑殺生劑3類。
氧化型殺生劑主要為液氯及氯酸鹽，它們在水中發生如下水解反應：
Cl2+H2O→H++Cl-+HClO
HClO→H++ClO-
2ClO-+H2O→HClO+ClO-+OH-
起殺菌作用的主要是HClO，ClO-的殺菌能力只有HClO的1%～2%。用氯殺菌，能與較多緩蝕、阻垢劑配合使用，彼此干擾少，殺菌效果好，而且價廉、制取方便，在水處理領域中應用廣泛。
非氧化型殺生劑主要有硫酸銅和氯酚類。通常硫酸銅不能單獨使用，一方面是為了防止Cu2+沉淀出來，需同時投加銅的螯合劑；另一方面是為了使Cu2+能滲進菌藻內部，往往需同時投加表面活性劑。氯酚及其衍生物雖可殺滅多種菌藻，但對水生動物和哺乳動物有危害，不能被其它微生物迅速降解，易造成環境污染。
表面活性劑類殺生劑以季銨鹽類化合物為代表。季銨鹽具有殺生力強，毒性低，對污泥有剝離作用，化學穩定性好，使用方便等特點。但當水中有機物含量較多時，季銨鹽易被吸附，從而降低藥效，加大藥耗；另外，水中金屬離子的存在也會使藥效受到影響，季銨鹽類還易引起發泡現象，常需配合使用消泡劑。
綜上所述，本系統設計選用液氯作為殺生劑。
3.2.2 液氯的投加方式
液氯的投加方式主要有連續投加與間歇投加2種，連續投加是按照使循環冷卻水中余氯保持一定濃度的要求，連續投加藥劑。連續投加可以得到很高的殺生效果，但運行費用高，操作的工作量大。間歇投加較為經濟，一般每天投加1～3次，每次3～4h。考慮夏季高溫季節時菌藻繁殖旺盛，危害明顯，因此本系統設計采用夏季連續投加、其余季節間歇投加的方式。
3.2.3 加氯量的計算
根據國內調查的結果，循環冷卻水的余氯量一般保持在0.5～1.0mg/L。余氯量小于0.5mg/L時，將增加投加次數，給操作、管理帶來困難，而且降低了殺滅菌藻的效果。余氯量大于1.0mg/L時，并沒有明顯提高殺滅菌藻的效果，反而增大了耗氯量，并會加劇金屬點腐蝕，造成鋼材損壞。鑒于此，當采用間歇投加方式時，gc取值2～4mg/L；當采用連續投加方式時，gc取值0.5～0.8mg/L。
3.3旁流水處理的設計
3.3.1 旁流水處理的必要性
循環冷卻水在循環過程中由于受到污染(包括由空氣帶入灰塵、粉塵等懸浮固體，以及由于熱交換設備的物料滲漏而帶入油及其它雜質等)，將會使水質不斷惡化；另外，由于循環冷卻水的濃縮作用也會引起水中某一項或幾項成分超標。在此情況下，必須分流出部分循環冷卻水進行處理，以控制循環冷卻水水質指標在允許范圍內。
旁流水處理還可以降低對補充水的水質要求，減少補水量和排污量，因而對節約水源，減少環境污染也具有重要意義。
3.3.2 旁流水的處理內容
旁流水的處理包括混凝、沉淀、過濾、除油、軟化、除鹽等內容。根據本系統循環冷卻水的水質指標及通過對其在循環過程中的環境情況和其它污染因素的分析，本系統旁流水處理的主要目的是去除懸浮物。因此，過濾就成為本系統旁流水的處理內容。
3.3.3 旁流過濾水量的計算
吸取揚子石化公司現有循環水站成功的運行經驗，并考慮經濟合理的因素，在本系統設計中取2.5%的循環冷卻水量作為旁流過濾水量。
4 主要工藝設備的選型
4.1 加藥設備
加藥設備包括貯藥罐、藥劑溶液罐和加藥計量泵。
4.1.1 貯藥罐
設計選用的JC-463型緩蝕阻垢劑，在常溫(20℃)下，密度為1.15±0.05g/cm3，粘度小，可采用原液直接投加。系統正常運行時加藥量為12.52kg/h。當氣溫較低時，藥劑粘度增大，易造成管道、設備的堵塞，因此需加適量的水進行稀釋后再投加。考慮以70%的水進行稀釋時，經計算15天的加藥量約為7.7m3。因此，設計貯藥罐的容積為8m3，可貯存15～25天的加藥量。貯藥罐內設有1臺功率0.75kW的攪拌機，在藥液發生沉淀或需對原液進行稀釋時使用。貯藥罐和攪拌機的材質均為不銹鋼，貯藥罐內安裝液位計，與控制進水(用作稀釋)的電磁閥聯鎖，能夠按照設置的稀釋倍率自動完成稀釋、攪拌的工作。
4.1.2 藥劑溶液罐
藥劑溶液罐容積1m3，即2～3天的投藥量，材質為不銹鋼。藥劑溶液罐內安裝液位計，與控制進液的電磁閥聯鎖，可自動從貯藥罐內進液。
4.1.3 加藥計量泵
加藥計量泵設計選用2臺美國W&T公司生產的P44-216型計量泵，1用1備。單臺計量泵流量Q=0～45L/h，揚程H=1.0～0.6MPa，功率P=0.5kW。計量泵可根據操作情況采用手動或自動改變容量，重復精度高，并能輸出粘度較大的液體。每臺計量泵還配備了1臺均流器，可以將計量泵的脈沖輸出轉變為平緩均勻的直線輸出，以便于對流量進行記錄和累計。計量泵與循環冷卻水的補充水量聯鎖，在系統運行穩定的情況下，實現根據補充水量而自動控制加藥量。
4.2 加氯設備
本系統設計2套加氯設備，1用1備，其核心部分為加氯機。加氯機設計選用美國W&T公司生產的V-2100型真空加氯機，其包括真空調節閥、加氯控制柜和水射器3個基本部件。真空調節閥安裝在氯瓶間，控制柜安裝在加氯間，水射器安裝在冷卻塔塔下水池附近。當水射器產生的真空通過加氯控制柜傳到真空調節閥時，該閥自動打開，并將壓力氣體調節為真空氣體。由于加氯系統為全真空運行，故有效地控制了氯氣泄漏，有利于環境保護和操作人員的健康。
加氯控制柜內有一V型槽孔板，槽上有一滑塞可沿密封環滑動，其每滑動一個位置對應著一個孔徑，即對應著一定的投加速率。因此，該加氯機可精確控制加氯量的大小。加氯機和在線余氯分析儀聯鎖，可根據余氯當前值隨時調整V型槽孔徑，從而實現了自動連續加氯。而且，也可手動調整旋鈕，改變V型槽孔孔徑，控制加氯量。
真空調節閥上設有壓力止回調節閥和壓力放泄閥，當真空調節閥失靈時，壓力止回調節閥可起到二級保護作用；當前兩者均關閉不嚴時，壓力放泄閥將自動啟動，將泄漏的氯氣排至室外，確保加氯系統不出現正壓。
水射器內部裝有止回閥，可防止回水進入加氯系統。
4.3 監測換熱設備
本系統的監測換熱設備設計選用JNM101B型監測換熱器。該設備是模擬工藝裝置熱交換設備的操作參數設計的，能準確地反映循環冷卻水系統的結垢、腐蝕狀況，同時該設備結構簡單、體積較小，具有容易拆卸和操作簡單的特點。
4.4 旁流過濾設備
本系統的旁流過濾設備設計選用2臺XZGQ-200型全自動重力式無閥過濾器，單臺處理能力為200m3/h。與傳統的過濾器相比，它無需配套設置自控儀表和反沖洗水泵(或反沖洗水塔)，其濾前進水、濾后出水，反洗供水、反洗排水等均無需設置閥門和人工操作，完全靠水力自動運行，因而具有維護簡單，操作、管理方便的特點。
5 監測
5.1 水質監測
為及時分析、了解循環冷卻水處理的狀況和效果，本系統設置了一些日常監測項目和非日常監測項目，詳見表1。
表1 循環冷卻水水質監測項目
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5.2 運行控制監測
本系統的運行控制監測，設計采用自動監測(如通過監測余氯值而控制加氯量)和人工化驗監測相結合的原則，主要控制參數均在計算機屏幕上顯示，以方便操作、管理。
6設計總結
本設計具有以下特點：
(1)技術先進、經濟合理。
(2)運行安全可靠、管理方便。
(3)引進了自動化程序較高的自動加藥計量泵和自動加氯機等先進設備，具有技術先進、安全可靠、管理方便的特色。
(4)占地面積小。
投用幾年來的生產實踐表明，本系統運行狀況良好，達到了預期的設計目的和效果。
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