循环水的浓缩倍数与节水

内容提要：循环水的浓缩倍数越高，所需的补充水量就越少，因而节水率就越高。然而，浓缩倍数与节约水量之间并非是线性关系。提高循环水浓缩倍数是一个系统工程，它既是技术水平又是管理水平的集中体现。循环水的浓缩倍数也并非是越高越好，要在节约用水、处理效果和处理成本之间寻找**佳结合点。
关键词：循环水    浓缩倍数    节水
在石油化工生产中工业用水量很大，其中70%以上的水是用于冷却各类工艺介质。冷却水系统既是石油化工装置不可缺少的组成部分,又是节约用水的关键部位。
冷却水循环使用，日常只需补充因蒸发、排污及漏失的水量就能够维持正常运行。因此，采用循环冷却水系统可以大大地减少水资源的消耗。另一方面，循环水系统还便于进行水质控制和处理，从而能够延长换热设备的使用周期，使装置更加安全稳定、经济合理地运行。
然而，冷却水的循环使用也带来了许多复杂的技术和管理问题，浓缩倍数的控制就是其主要内容之一。循环水的浓缩倍数是关系到节约用水和处理效果的核心指标，它与水处理技术的发展水平、系统状态和现场管理等因素密切相关。循环水的节水问题根本上就是浓缩倍数的管理问题。
一．循环冷却水的水质
敞开式循环冷却水主要是靠蒸发来散热的，也就是利用系统中一部分水的汽化潜热来使系统水体温度降低。循环水在运行过程中，一边在换热器内升温，一边又在冷却塔内降温；一部分水被蒸发掉，又有一部分水补充进来；大量的空气与水在冷却塔内充分接触，发生脱气、曝气、洗涤等多重作用；工艺物料的泄漏造成水质污染。这样的工艺过程必然引起水质的巨大变化。循环冷却水水质的变化及其产生的危害情况如表一所示。
  表一               循环冷却水的水质变化及其危害

水质成分	来源	变化	原因	危害
含盐量	补充水	增加	蒸发浓缩	氯根等阴离子和水的导电性增加，使腐蚀性增强；硬度和碱度提高使结垢性增强
悬浮物	补充水和空气	增加	补充水被浓缩；空气中的尘埃在冷却塔中被洗涤下来；微生物的繁殖	在管道和设备内沉积，形成污垢、粘泥等
二氧化碳	重碳酸盐分解	减少	冷却塔的脱气作用	产生碳酸盐水垢
PH值		升高	二氧化碳的散失	结垢趋势增强
溶解氧	空气	增加	冷却塔的曝气作用	提高了腐蚀速度
微生物	补充水和空气	增加	生存条件适宜，微生物繁殖快	形成生物粘泥，促进设备腐蚀
工艺物料（如油、氨等）	生产工艺系统	增加	换热器泄漏；设计缺陷	增加水的结垢性和腐蚀性；为微生物提供营养；促进污垢形成
磷酸根	水处理药剂	增加	聚磷酸盐的水解或有机膦酸盐的分解	产生磷酸钙水垢；促进微生物生长

二．浓缩倍数与水质处理
由表一可知，循环水的工艺过程决定了其水质存在着显著的劣化趋势，这种趋势会随着浓缩倍数的提高而增强。在一定的技术水平上把因水质劣化而产生的危害降到**低程度，这就是循环水水质处理技术的任务。从节约用水的角度看，循环水的浓缩倍数自然是越高越好。但从水质处理的角度看，浓缩倍数越高，处理难度也就越大，处理效果也受影响。因此，在循环水的运行管理中，浓缩倍数是一项重要的控制指标，要努力寻求节约用水与处理效果两者之间的**佳切合点。
循环水水质处理的目的是减少因水质劣化而引起的对设备腐蚀、结垢等危害。水质的腐蚀性与结垢性是一对矛盾，一种倾向呈强势时另一种倾向则呈相对弱势。通常的自然水体都含有一定的碳酸盐硬度，这种水质在浓缩倍数较低时以腐蚀倾向为主，而在浓缩倍数较高时则以结垢倾向为主。因此，对于不同的浓缩倍数，处理的技术方案也应有所不同。#p#分页标题#e#
早期的循环水处理由于没有性能优良的阻垢剂，主要使用高浓度的缓蚀剂（如铬酸盐、聚磷酸盐等）来防止腐蚀，用加酸调节PH值来防止结垢，浓缩倍数控制较低。随着环境保护的要求不断提高，水资源缺乏的矛盾日益加剧，必然要求提高循环水的浓缩倍数。这也就推动了循环水处理技术的发展，相继出现了一批性能优良的阻垢剂，使得循环水在较高浓缩倍数下运行成为可能。
循环水浓缩倍数的提高固然是以水处理技术为基础的，但它毕竟是一个相对的数值，并不能直接作为衡量水处理技术水平的指标。在水处理技术中通常以含盐量（主要是总硬度和总碱度）作为评价处理技术能力的指标。处理能力越强，可以接受的条件就越苛刻，也就是能够处理的总硬度和总碱度就越高。这就是所谓边界条件。一般认为，在当前的技术水平上总硬度加总碱度在1000mg/L（以CaCO₃计，下同）以下的水质能够达到较满意的处理效果，总硬度加总碱度更高的水质处理效果还不理想，处理成本也较高。
长江中下游的水质含盐量属中等范围，总硬度加总碱度在200mg/L左右。这种水质在目前的条件下，理论上循环水的浓缩倍数可达5.0。实际上循环水的含盐量由于诸多因素的影响要比补充水直接浓缩的值更高一些。因此，从处理技术角度看笔者认为我厂循环水浓缩倍数控制在4.0~5.0左右是**适宜的。
三．浓缩倍数与节约用水
循环水的浓缩倍数越高，所需的补充水量就越少，因而节水率就越高。然而，浓缩倍数与节约水量之间并非是线性关系，随着浓缩倍数的提高，补充水量的减少值（即节约水量的增加值）会越来越小。这是因为在一定的工艺条件下，蒸发水量是个定值，补充水量的变化只受排污量的影响。
根据水量平衡的关系对我厂循环水系统各项水量与浓缩倍数之间的关系进行了计算。计算结果如表二所示。计算设定的条件为：循环水量26000m³/h，冷却温差10℃，气温为30℃，蒸发损失系数0.15%。
 表二             浓缩倍数与节约水量的关系（ m³/h）

浓缩倍数	蒸发水量	排污水量※	补充水量	节约水量☆	节水率%△
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

 ※ 这里的排污水量包括风吹和渗漏损失#p#分页标题#e#
◇ 浓缩倍数等于1即为直流水
    ☆ 浓缩倍数每提高一步时节约水量的增加值
△ 与直流水相比节约补充水量的百分数
◎ 当循环水量一定、冷却温差一定时，蒸发水量随气温不同而稍有变化，这里只是气温为30℃时的计算结果
通过以上的计算，很明显地看出浓缩倍数与节水的关系：
  （1）循环水与直流水相比可以大大地节约用水量，即使浓缩倍数只有1.1时，节水率也在80%以上；随着浓缩倍数的提高，补充水量不断减少，节水率也相应提高 。
（2）当浓缩倍数小于2时，排污水量大于蒸发水量，即补充水主要是补充排污损失；当浓缩倍数等于2时，蒸发水量与排污水量相等，即二者各占补充水量的50%；浓缩倍数大于2以后，排污水量就小于蒸发水量，即补充水量的主要部分是补充蒸发损失。
（3）浓缩倍数等于4时，节水率为98%；此后再进一步提高浓缩倍数则节水率的增加幅度很小；当浓缩倍数为无穷大时即在零排污的情况下，补充水量等于蒸发水量，节水率的极限值为98.5%。
  由此可见，从节约用水的角度看，我厂循环水的浓缩倍数控制指标定在4.0~5.0也是合理的。
四．提高浓缩倍数的途径
提高循环水浓缩倍数是一个系统工程，它既是技术水平又是管理水平的集中体现。一般情况下，循环水的浓缩倍数达到2.0左右是比较容易做到的，要想再进一步提高就需要做很多工作。我厂从20世纪80年代初开始就非常重视浓缩倍数问题，先后做了大量工作，取得了明显的成效。
1.克服先天不足
所谓先天不足是指设计上的缺陷。由于历史的原因，过去在设计中对浓缩倍数的要求不是很高，因而造成运行时浓缩倍数上不去。常见的问题如：水处理配方不合适、少数换热器直排水、将循环水作它用、将某些装置的排水引入循环水、预处理不健全、旁滤设施缺乏或能力不足、冷却温差小、系统容积大等等。这些问题不解决浓缩倍数就上不去。我厂虽为G外引进装置，循环水系统也同样存在许多先天不足，在原始开车后不久，就暴露出不少的矛盾。针对这些矛盾和问题，我们先后采取了相应的措施进行解决，比较突出的有以下几点：
① 研制了“安化二号”冷却水处理配方，解决了严重的腐蚀、结垢问题；
② 预处理滤池的反洗用水由循环水改为澄清水；
③ 锅炉排污扩容器的排放冷却水由循环水改用排放废水；
④ 9300工号的循环水直排改为回收进冷却塔；
⑤ 增加循环水旁滤器，提高旁路过滤水量；
⑥ 填充冷却塔集水池，减少系统容积；
⑦ 改造冷却塔，提高冷却能力。
正是因为解决了这些问题，为循环水浓缩倍数的提高创造了良好的硬件环境。
2.加强现场管理
循环水管网遍布全厂，排放导淋随处可见，用起来十分方便。因此循环水滥用的情况普遍存在。要提高浓缩倍数就必须制止这些现象。经过反复宣传和加强考核力度，我们已杜jue循环水的乱排滥用现象.
3.加强水质管理
循环水的水质管理是提高浓缩倍数的根本保证,也是满足水处理效果的前提条件.日常的水质管理主要是加药管理和水质监测两个方面.
    (1)加药管理
循环水的加药应保持均匀性和连续性，加药指标合格率应达到90%以上。我厂的“安化二号”配方所用药剂类型较多，操作难度较大，这就更需要加强管理。实践证明，只要管理工作到位，严格进行考核，加药指标合格率达标是完全能够做到的。
    由于循环水在线分析仪器发展的滞后，目前主要靠人工分析。因此分析的准确性和分析频率的高低对加药指标合格率影响很大。我们规定了每四小时一次的分析频率,并经常组织分析化验人员练兵比武,提高他们的技术水平。多年来，我厂循环水的加药指标合格率一直保持在95%左右。
(2)水质监测
    浓缩倍数无疑是**重要的水质监测指标，其他还有PH值、浊度、总硬度、总碱度、钙离子、氯根、磷酸根、微生物、粘泥量、COD、工艺泄漏物料等。严格控制好这些指标就是水质管理的任务。
这里要特别提出的是微生物的监测，由于细菌检测时间长，难以及时反映水质状况，**好以某种分析方便的相关性离子作为指示，间接反映微生物的状况。我厂根据多年的经验，总结出亚硝酸根离子与微生物的繁殖有密切的关系，因此把亚硝酸根离子作为指示性指标。只要亚硝酸根离子达到0.5mg/L,就要引起重视；当亚硝酸根离子达到1.0mg/L以上时，水质必然有异常，细菌繁殖加快，就需要采取必要的措施如投加非氧化性杀菌剂等进行处理。这是一个既快捷又有实效的方法。
4．处理设备泄漏
工艺物料的泄漏是水质处理的大敌。凡是有物料泄漏的循环水系统，不仅浓缩倍数上不去，水耗增加，而且处理效果也很差。然而大型循环水系统都有上百台以上的换热器，我厂各类换热器就有120余台，要使这么多换热器都永远**不泄漏是办不到的。问题是要能及时发现和处理设备的泄漏。
①及时发现
设备的泄漏主要靠水质监测来发现，监测包括观察和分析。有些泄漏物对水体的污染比较直观，很容易通过观察来发现，如油品、有色物质等；而有些泄漏物则对水体的外观不产生影响，这就要通过掌握水质的变化和化学分析去判断。例如。我厂循环水系统曾经漏油，就是观察到集水池表面的油花发现的；而漏氨则是通过PH值、加氯量、NO#p#分页标题#e#₂^-等的异常波动，再结合氨含量的分析来确定的。无论通过什么手段，只要有设备泄漏就要能及时发现，这是很重要的水质管理内容。
②查找源头
一旦发现循环水有异常物质进入就要立即查找泄漏源。shou先根据泄漏的物质种类确定可能发生泄漏的设备范围，接着在已知范围内逐台排查。查找的方法主要是两点，一是工艺情况有无变化，二是分析进、出口水质。
某些情况下，相同或相似工艺介质的换热器面广量大（如炼油厂的油换热器），查找工作费时费力，这就需要全厂的通力协作，单靠水质管理人员和水处理车间是难以完成的。
通过运行经验的积累，可以掌握一些比较容易发生泄漏的设备和部位，使查找工作范围缩小，提高查找效率。例如，我厂循环水发现有氨，通常shou先检查E1507、E1519、E1503等，因为这些设备泄漏的几率较高，若无问题再查其它。
③妥善处理
从水质管理的角度来说，凡是有泄漏都应立即停运，交付检修，消除泄漏源。然而，涉及到装置停车往往决心难下，带病运行的结果使得水质日趋恶化，造成严重后果。
在暂时不能停运检修的情况下**少也应该采取降压或减负荷运行等措施，尽量延缓泄漏的发展。若泄漏换热器的水量不很大，可将其循环水改直排，使被污染的水不要再回到循环水系统里来。这样做会降低浓缩倍数，但比整个系统的严重污染要好的多。重要的还是要及早检修。
在发生了设备泄漏以后，即使泄漏解决了，对水质的影响也不会立即消除，因此还有一个水质处理的问题。要根据泄漏物质的类型、影响时间的长短不同而采取相应的措施。常用的措施有加大排污量，短期内降低浓缩倍数；进行系统化学清洗；投加杀菌剂、剥离剂、清洗剂等。其目的就是使得系统水质尽快恢复正常。
对一些设计有缺陷或工况条件恶劣的设备进行改造也是避免泄漏的有效措施。我厂循环水系统在20世纪80年代前期发生过多次漏油的情况，究其原因主要是蒸气透平油冷却器的泄漏。当时的油冷却器为碳钢材质，因其热负荷不高，流速又较低，易于受到腐蚀。分析了情况后，将透平油冷却器先后都更换为不锈钢材质，十多年来没有发生过漏油问题。
5.提高水处理技术水平
二十世纪九十年代以前，循环水的处理以传统磷系配方为主，即所谓低PH高磷运行。这类配方的优点是缓蚀、阻垢性能较好，菌藻易于控制，能适应一定的水质波动，处理成本较低。其缺点是加酸有一定风险，PH值易波动，在浓缩倍数较高时有产生磷酸钙垢的可能，现场操作较复杂，排污水中磷含量较高。
二十世纪九十年代以后，全有机碱性配方成为循环冷却水处理技术的主流，也称高PH低磷运行。这类配方不加酸调节PH值，用性能优异的阻垢剂来防垢，并以高PH值来降低腐蚀。采用这类配方阻垢、缓蚀性能好，现场操作简单，可实现自动加药，指标易于控制，不易产生磷酸钙垢，排污水含磷量低。但也有菌藻控制难度较大，对水质要求较严、处理成本相对较高等问题。
随着水资源管理和环境保护要求的日益严格，研究性能优异、既能适应高浓缩倍数又能满足环保要求的低磷或无磷配方是必然趋势。冷却水处理技术的不断进步一定会为浓缩倍数的提高提供技术支持。
四．结束语
工业冷却水系统由直流式到循环式是水处理技术的一大进步，循环冷却水由低浓缩倍数到高浓缩倍数是又一大进步。这是节约水资源的需要，是保护环境的需要，也是企业降本增效的需要。
要提高循环水的浓缩倍数既需要技术进步的支持，更需要管理的深化。要真正管好循环水必须有*导的重视，各职能部门的支持和各生产车间的配合。
循环水的浓缩倍数也并非是越高越好，要在节约用水、处理效果和处理成本之间寻找**佳结合点。在目前条件下，努力把我厂循环水的浓缩倍数控制在4.0~5.0是较理想的结果。