扬子巴斯夫苯乙烯合资工厂的循环冷却水处理设计
扬子巴斯夫苯乙烯合资工厂是扬子石化公司和德国巴斯夫公司合资建设的工厂。其循环水站的设计规模为15000m3/h，循环冷却给水温度t2=33℃、回水温度t1=43℃，冷却温差Δt=10℃。循环冷却水系统为敞开式，设计选用仿玛利600型横流式机械通风冷却塔，共3组6格，其配套风机为L85A型轴流风机。
1 工程概况
扬子巴斯夫苯乙烯合资工厂是扬子石化公司和德国巴斯夫公司合资建设的工厂，由13万t/a乙苯(EB)、12万t/a苯乙烯(SM)和10.2万t/a聚苯乙烯(PS)装置及其相应的配套辅助生产设施和公用工程系统组成。工程总投资约18亿元人民币，于1997年10月正式投产运行。其循环水站的设计规模为15000m3/h，循环冷却给水温度t2=33℃、回水温度t1=43℃，冷却温差Δt=10℃。循环冷却水系统为敞开式，设计选用仿玛利600型横流式机械通风冷却塔，共3组6格，其配套风机为L85A型轴流风机。
2 循环冷却水处理的基本要素
循环冷却水处理工艺流程的设计是根据热交换设备对污垢热阻和腐蚀率的要求，补充水的水质指标、循环冷却水的水质标准，同时吸取了扬子石化公司现有循环水站成功的运行经验，通过技术经济比较后确定的。
2.1 热交换设备对污垢热阻和腐蚀率的要求
扬子巴斯夫苯乙烯合资工厂的热交换设备对污垢热阻和腐蚀率的要求如下：
污垢热阻：1.72×10-4～3.44×10-4m2.K/W；腐蚀率：0.125mm/a。
2.2 补充水的水质指标
扬子巴斯夫苯乙烯合资工厂循环冷却水系统的补充水为扬子石化公司的工业用水，其水质指标如下：
温度＜34℃；pH值8～8.2；浊度≤2mg/L；甲基橙碱度(以CaCO3计)：86mg/L；总固体：146mg/L；溶解固体：132mg/L；总硬度(以CaCO3计)：100mg/L；重碳酸盐硬度(以CaCO3计)：85.5mg/L；游离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：无；K+：1.6mg/L；Na+：8.2mg/L；NO-3：2.0mg/L；Ca2+：29.4mg/L；Mg2+：6.21mg/L；总Fe：0.077mg/L；Cu2+：0.012mg/L；溶解氧：9.52mg/L；CODMn：2.32mg/L；油：1.0mg/L。
2.3 循环冷却水的水质标准
扬子巴斯夫苯乙烯合资工厂循环冷却水的水质标准执行《工业循环冷却水处理设计规范》(GB50050-95)，具体如下：
悬浮物≤10mg/L；pH值：7.0～9.0；甲基橙碱度≤500mg/L；Ca2+：30～200mg/L；Fe2+<0.5mg/L；Cl-≤300mg/L；SO2-4与Cl-之和≤1500mg/L；硅酸(以Mg2+×SiO2计)＜15000mg/L；游离氯：0.5～1.0mg/L；石油类＜5mg/L。
2.4 循环冷却水处理的内容
循环冷却水系统由6个流程组成，除主流程外，其余的加药流程、加氯流程、加酸流程、监测换热流程、旁流流程均为循环冷却水处理的5个组成内容。现简述如下，同时参见图1。
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图1 循环冷却水系统
(1)主流程：循环冷却水系统的补充水为扬子石化公司的工业用水，5台循环水泵(3用2备)由冷却塔塔下水池吸水加压后进入循环冷却给水管，用于供应工艺装置的冷却用水。循环冷却回水则通过循环冷却回水管返回循环水站，经冷却塔的配水系统均匀分布后，在冷却塔内自上而下进行气水换热降温，冷却后进入塔下水池，再经循环水泵加压供出。如此循环往复。
(2)加药流程：为控制循环冷却水流经的管道和热交换设备的腐蚀、结垢，必须向循环冷却水投加缓蚀阻垢药剂。另外，在系统正常运行之前，必须先投加预膜剂，使金属表面形成一层完好的缓蚀的保护膜。本系统中，药剂原液通过自吸泵或人工搬运送入贮药罐，然后按一定比例加入稀释水(工业水或循环冷却水)，或者直接将原液搅拌后自流进入药剂溶液罐，再由2台计量泵(1用1备)将药液送入冷却塔塔下水池。
(3)加氯流程：为控制菌藻类等微生物的繁殖，必须向循环冷却水投加杀生剂。本系统中，设计选用的杀生剂为液氯。氯气从氯瓶中蒸发，依次经过氯气过滤器、真空调节器、加氯控制柜，最终通过水射器送入冷却塔塔下水池。本系统还包括一个在线余氯分析仪，控制余氯0.5～1.0mg/L，同时在线余氯分析仪与加氯机联锁，可实现连续自动加氯。设计2套加氯系统，1用1备，可自动或人工切换。
(4)加酸流程：循环冷却水系统在每次正常运行之前，应对系统进行酸洗；另外，在系统正常运行的过程中，为保证缓蚀阻垢剂处理效果而需降低系统pH值时，也进行加酸处理。本系统中，设计选用的浓硫酸通过硫酸泵进入硫酸贮罐中，然后通过水射器送入冷却塔塔下水池。
(5)监测换热流程：循环冷却水系统在正常运行的过程中，应采用必要的监测手段，以随时掌握循环冷却水处理的效果，并根据监测所得的数据及时采取相应的措施，以期达到良好的效果。本系统中，在循环冷却给水管的旁路上设置了一个模拟工艺装置热交换设备的小型热交换器(监测换热器)，其热源为低压饱和蒸气。在监测换热器的循环冷却回水管上安装挂片，通过对挂片的定期化验分析，可以推断循环冷却水流经的管道和热交换设备的腐蚀、结垢状况。
(6)旁流流程：旁流的目的是保持循环冷却水水质，使系统在满足浓缩倍数的条件下有效、经济地运行。在高浓缩倍数条件运行时，可减少补充水量和排污水量，减轻对环境的污染。本系统中，约2.5%的循环冷却回水流经2组全自动无阀过滤器，滤后水进入冷却塔塔下水池。2组全自动无阀过滤器利用虹吸原理可实现自动反冲洗。
3 循环冷却水处理设计简述
3.1 浓缩倍数的计算与取值
浓缩倍数即循环冷却水的含盐浓度与补充水含盐浓度的比值。循环冷却水在系统运行过程中有蒸发损失、风吹损失和排污损失(包括生产中渗漏损失)3种水量损失，这3种水量损失的总和由补充水补给。系统运行达到平衡时，从系统排出的盐量等于进入系统的盐量，即：
Cri.(Qb+Qw)=Cmi.Qm
=Cmi.(Qe+Qw+Qb)
式中N——浓缩倍数；
Cri——循环冷却水的含盐浓度，mg/L；
Cmi——补充水的含盐浓度，mg/L；
Qm——补充水量，m3/h；
Qb——排污水量，m3/h；
Qe——蒸发水量，m3/h；
Qw——风吹损失水量，m3/h。
为防止产生结垢，应使循环冷却水的碳酸盐硬度小于极限碳酸盐硬度。从上式可以看出，在补充水含盐浓度(Cmi)不变的情况下，如果降低循环冷却水的浓缩倍数(N)，即降低循环冷却水的含盐浓度(Cri)，就可以有效地控制系统结垢。但是，降低浓缩倍数，势必以增加排污量为代价，这样一方面影响环境保护；另一方面增加了补充水量，造成水资源的浪费。因此，不加限制地降低浓缩倍数是不经济且不合理的。
本系统中，根据补充水的水质指标、循环冷却水的水质标准，并吸取扬子石化公司现有循环水站成功的运行经验，同时也考虑到节约用水、保护环境因素，将浓缩倍数取为2.15。经过2年来的运行，浓缩倍数已达到3.0。
3.2 循环冷却水处理药剂的选择
3.2.1 药剂的选择
在循环冷却水处理中经常使用的药剂有缓蚀剂、阻垢剂和复合型药剂3种。
缓蚀剂的作用是能在金属表面形成一层致密而连续的金属氧化膜或其它类型的膜，将金属表面覆盖起来，从而与腐蚀介质隔绝，防止腐蚀。
阻垢剂的作用是利用其与水中的金属离子起络合反应而产生可溶性络合盐，使金属离子的结垢倾向受到抑制，不易结成坚硬的水垢；同时，阻垢剂的作用还在于其吸附作用与分散作用；通过提高结垢物质微粒表面的电荷密度，使微粒间排斥力增大，降低结晶速度，并使晶格结构发生畸变，从而防止结成硬实的水垢。
循环冷却水处理包括对结垢、污垢、腐蚀和微生物等几方面的控制，无论是缓蚀剂、阻垢剂或其它药剂都有其片面的作用范围，难以满足多方面的需要。因此，采用具有协同效应进而是互为增效的复合配方即复合型药剂，对保证循环冷却水的水质，使系统运行高效、可靠，均具有重要意义。
本系统中，设计选用的JC-463型缓蚀阻垢剂，是有机磷、共聚物和铜缓蚀剂的复合配方。该配方经长江南京段水质多年运行的结果表明，效果良好，具有缓蚀、阻垢、分散等多种作用。该配方的优异性能表现在其可在碱性条件下使用，不需调节循环冷却水的pH值，对环境的污染轻微，以及防止碳酸钙垢、磷酸钙垢效果好等方面。
3.2 菌藻处理方法的确定与计算
循环冷却水系统的水温和pH值均适宜微生物生长，冷却塔塔下水池又常年露置室外，阳光充足，这更给微生物的生长繁殖创造了条件。微生物主要是菌藻类，它们的存在不仅使水质恶化，还与其它有机或无机杂质构成粘垢附着、沉积在系统内，增加了水流阻力，并且严重地降低了热交换设备的传热效率，粘垢不仅妨碍缓蚀剂发挥其防腐蚀功能，甚至促进腐蚀过程。因此，必须采取适当措施控制菌藻类在循环冷却水中的生长繁殖。目前最常用的办法是投加杀生剂。
3.2.1 杀生剂类型的选定
杀生剂按机理分为氧化型杀生剂、非氧化型杀生剂和表面活性剂杀生剂3类。
氧化型杀生剂主要为液氯及氯酸盐，它们在水中发生如下水解反应：
Cl2+H2O→H++Cl-+HClO
HClO→H++ClO-
2ClO-+H2O→HClO+ClO-+OH-
起杀菌作用的主要是HClO，ClO-的杀菌能力只有HClO的1%～2%。用氯杀菌，能与较多缓蚀、阻垢剂配合使用，彼此干扰少，杀菌效果好，而且价廉、制取方便，在水处理领域中应用广泛。
非氧化型杀生剂主要有硫酸铜和氯酚类。通常硫酸铜不能单独使用，一方面是为了防止Cu2+沉淀出来，需同时投加铜的螯合剂；另一方面是为了使Cu2+能渗进菌藻内部，往往需同时投加表面活性剂。氯酚及其衍生物虽可杀灭多种菌藻，但对水生动物和哺乳动物有危害，不能被其它微生物迅速降解，易造成环境污染。
表面活性剂类杀生剂以季铵盐类化合物为代表。季铵盐具有杀生力强，毒性低，对污泥有剥离作用，化学稳定性好，使用方便等特点。但当水中有机物含量较多时，季铵盐易被吸附，从而降低药效，加大药耗；另外，水中金属离子的存在也会使药效受到影响，季铵盐类还易引起发泡现象，常需配合使用消泡剂。
综上所述，本系统设计选用液氯作为杀生剂。
3.2.2 液氯的投加方式
液氯的投加方式主要有连续投加与间歇投加2种，连续投加是按照使循环冷却水中余氯保持一定浓度的要求，连续投加药剂。连续投加可以得到很高的杀生效果，但运行费用高，操作的工作量大。间歇投加较为经济，一般每天投加1～3次，每次3～4h。考虑夏季高温季节时菌藻繁殖旺盛，危害明显，因此本系统设计采用夏季连续投加、其余季节间歇投加的方式。
3.2.3 加氯量的计算
根据国内调查的结果，循环冷却水的余氯量一般保持在0.5～1.0mg/L。余氯量小于0.5mg/L时，将增加投加次数，给操作、管理带来困难，而且降低了杀灭菌藻的效果。余氯量大于1.0mg/L时，并没有明显提高杀灭菌藻的效果，反而增大了耗氯量，并会加剧金属点腐蚀，造成钢材损坏。鉴于此，当采用间歇投加方式时，gc取值2～4mg/L；当采用连续投加方式时，gc取值0.5～0.8mg/L。
3.3旁流水处理的设计
3.3.1 旁流水处理的必要性
循环冷却水在循环过程中由于受到污染(包括由空气带入灰尘、粉尘等悬浮固体，以及由于热交换设备的物料渗漏而带入油及其它杂质等)，将会使水质不断恶化；另外，由于循环冷却水的浓缩作用也会引起水中某一项或几项成分超标。在此情况下，必须分流出部分循环冷却水进行处理，以控制循环冷却水水质指标在允许范围内。
旁流水处理还可以降低对补充水的水质要求，减少补水量和排污量，因而对节约水源，减少环境污染也具有重要意义。
3.3.2 旁流水的处理内容
旁流水的处理包括混凝、沉淀、过滤、除油、软化、除盐等内容。根据本系统循环冷却水的水质指标及通过对其在循环过程中的环境情况和其它污染因素的分析，本系统旁流水处理的主要目的是去除悬浮物。因此，过滤就成为本系统旁流水的处理内容。
3.3.3 旁流过滤水量的计算
吸取扬子石化公司现有循环水站成功的运行经验，并考虑经济合理的因素，在本系统设计中取2.5%的循环冷却水量作为旁流过滤水量。
4 主要工艺设备的选型
4.1 加药设备
加药设备包括贮药罐、药剂溶液罐和加药计量泵。
4.1.1 贮药罐
设计选用的JC-463型缓蚀阻垢剂，在常温(20℃)下，密度为1.15±0.05g/cm3，粘度小，可采用原液直接投加。系统正常运行时加药量为12.52kg/h。当气温较低时，药剂粘度增大，易造成管道、设备的堵塞，因此需加适量的水进行稀释后再投加。考虑以70%的水进行稀释时，经计算15天的加药量约为7.7m3。因此，设计贮药罐的容积为8m3，可贮存15～25天的加药量。贮药罐内设有1台功率0.75kW的搅拌机，在药液发生沉淀或需对原液进行稀释时使用。贮药罐和搅拌机的材质均为不锈钢，贮药罐内安装液位计，与控制进水(用作稀释)的电磁阀联锁，能够按照设置的稀释倍率自动完成稀释、搅拌的工作。
4.1.2 药剂溶液罐
药剂溶液罐容积1m3，即2～3天的投药量，材质为不锈钢。药剂溶液罐内安装液位计，与控制进液的电磁阀联锁，可自动从贮药罐内进液。
4.1.3 加药计量泵
加药计量泵设计选用2台美国W&T公司生产的P44-216型计量泵，1用1备。单台计量泵流量Q=0～45L/h，扬程H=1.0～0.6MPa，功率P=0.5kW。计量泵可根据操作情况采用手动或自动改变容量，重复精度高，并能输出粘度较大的液体。每台计量泵还配备了1台均流器，可以将计量泵的脉冲输出转变为平缓均匀的直线输出，以便于对流量进行记录和累计。计量泵与循环冷却水的补充水量联锁，在系统运行稳定的情况下，实现根据补充水量而自动控制加药量。
4.2 加氯设备
本系统设计2套加氯设备，1用1备，其核心部分为加氯机。加氯机设计选用美国W&T公司生产的V-2100型真空加氯机，其包括真空调节阀、加氯控制柜和水射器3个基本部件。真空调节阀安装在氯瓶间，控制柜安装在加氯间，水射器安装在冷却塔塔下水池附近。当水射器产生的真空通过加氯控制柜传到真空调节阀时，该阀自动打开，并将压力气体调节为真空气体。由于加氯系统为全真空运行，故有效地控制了氯气泄漏，有利于环境保护和操作人员的健康。
加氯控制柜内有一V型槽孔板，槽上有一滑塞可沿密封环滑动，其每滑动一个位置对应着一个孔径，即对应着一定的投加速率。因此，该加氯机可精确控制加氯量的大小。加氯机和在线余氯分析仪联锁，可根据余氯当前值随时调整V型槽孔径，从而实现了自动连续加氯。而且，也可手动调整旋钮，改变V型槽孔孔径，控制加氯量。
真空调节阀上设有压力止回调节阀和压力放泄阀，当真空调节阀失灵时，压力止回调节阀可起到二级保护作用；当前两者均关闭不严时，压力放泄阀将自动启动，将泄漏的氯气排至室外，确保加氯系统不出现正压。
水射器内部装有止回阀，可防止回水进入加氯系统。
4.3 监测换热设备
本系统的监测换热设备设计选用JNM101B型监测换热器。该设备是模拟工艺装置热交换设备的操作参数设计的，能准确地反映循环冷却水系统的结垢、腐蚀状况，同时该设备结构简单、体积较小，具有容易拆卸和操作简单的特点。
4.4 旁流过滤设备
本系统的旁流过滤设备设计选用2台XZGQ-200型全自动重力式无阀过滤器，单台处理能力为200m3/h。与传统的过滤器相比，它无需配套设置自控仪表和反冲洗水泵(或反冲洗水塔)，其滤前进水、滤后出水，反洗供水、反洗排水等均无需设置阀门和人工操作，完全靠水力自动运行，因而具有维护简单，操作、管理方便的特点。
5 监测
5.1 水质监测
为及时分析、了解循环冷却水处理的状况和效果，本系统设置了一些日常监测项目和非日常监测项目，详见表1。
表1 循环冷却水水质监测项目
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5.2 运行控制监测
本系统的运行控制监测，设计采用自动监测(如通过监测余氯值而控制加氯量)和人工化验监测相结合的原则，主要控制参数均在计算机屏幕上显示，以方便操作、管理。
6设计总结
本设计具有以下特点：
(1)技术先进、经济合理。
(2)运行安全可靠、管理方便。
(3)引进了自动化程序较高的自动加药计量泵和自动加氯机等先进设备，具有技术先进、安全可靠、管理方便的特色。
(4)占地面积小。
投用几年来的生产实践表明，本系统运行状况良好，达到了预期的设计目的和效果。
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