化工生产中循环冷却水的重要意义

化工生产中循环冷却水的重要意义化工生产中循环冷却水的重要意义 摘要 在环境污染日趋严重的情况下 水资源的利用率很低 化工生产用水量大 约占工业生 产总用水量 70 80 这就要求采用更好的水资源利用 现就循环冷却水在工业生产的应用 做一些探讨并提出一些水的重复利用以达到水资源的可持续发展 关键词 化工生产 浓缩倍数 节水 一 化工生产过程 1 1 化工生产过程 化工生产过程 经过化学反应将原料转变成产品的工艺过程 化工过程是指化学工业的生产过程 它的特点之一是操作步骤多 原料在各步骤中依次 通过若干个或若干组设备 经历各种方式的处理之后才能成为产品 由于不同的化学工业所 用的原料与所得的产品不同 所以各种化工过程的差别很大 如下为普光天然气净化厂的化工生产过程 化工生产过程中有质量的传递 能量的传递 和热量的传递 1 2 化工生产的特点 化工生产具有易燃 易爆 易中毒 高温 高压 有腐蚀等特点 因而 较其他工业部 门有更大的危险性 化工生产有四个特点 1 化工生产使用的原料 半成品和成品种类繁多 绝大部分是易燃 易爆 有毒害 有 腐蚀的危险化学品 这给生产中的这些原材料 燃料 中间产品和成品的贮存和运输都提出 了特殊的要求 所以在生产和工作中必须注意安全 化学品对于健康的危害有 a 刺激皮肤 眼睛 呼吸系统 b 缺氧或窒息 c 昏迷和麻醉 d 全身中毒 e 致癌 2 化工生产要求的工艺条件苛刻 有些化学反应在高温 高压下进行 有的要在低温 高真空度下进行 如由轻柴油裂解 制乙烯 进而生产聚乙烯的生产过程中 轻柴油在裂解炉中的裂解温度为 800 裂解气要 在深冷 96 条件下进行分离 纯度为 99 99 的乙烯气体在 294kPa 压力下聚合 制取聚乙 烯树脂 在生产中 我们常说操作条件是高温高压 但在材料使用定义上 高温高压定义是多少呢 下面就介绍下高温高压具体是多少 压力等级参考压力容器安全技术监察规程 1 按压力容器的设计压力 p 分为低压 中压 高压 超高压四个压力等级 具体划 分如下 1 低压 代号 L 0 1MPa P 1 6MPa 2 中压 代号 M 1 6MPa P 10MPa 3 高压 代号 H 10MPa P 100MPa 4 超高压 代号 U P 100MPa 2 容器也有按照容器壁温分类的 可分为常温 中温 高温 低温容器 4 种 1 常温容器 指壁温高于 20 至 200 条件下工作的容器 2 高温容器 指壁温达到材料蠕变温度下工作的容器 对碳素钢或低合金钢容器 温度超过 420 合金钢 如 Cr Mo 超过 450 奥氏体不锈钢超过 550 均属高温容器 3 中温容器 指介于常温容器和高温容器之间的容器 4 低温容器 指壁温低于 20 条件下工作的容器 其中低于 20 40 者为浅冷容器 低于 40 者为 深冷容器 3 生产规模大型化 近 20 多年来 国际上化工生产采用大型生产装置是一个明显的趋势 以化肥为例 20 世纪 50 年代合成氨的最大规模为 6 万 t a 60 年代初为 12 万 t a 60 年代末 发展到 30 万 t a 70 年代发展为 54 万 t a 采用大型装置可以明显降低单位产品的建设投资和生产成本 提高劳动生产能力 降低 能耗 因此 世界各国都积极发展大型化工生产装置 4 生产方式的高度自动化与连续化 化工生产已经从过去落后的手工操作 间断生产转变为高度自动化 连续化生产 生产 设备由敞开式变为密闭式 生产装置从室内走向露天 生产操作由分散控制变为集中控制 同时 也由人工手动操作变为仪表自动操作 进而又发展为计算机控制 在化工生产过程中会产生大量的热量 使工艺介质或产品的温度升高 必须及时进行冷 却处理 否则会影响生产的正常运行 影响产品质量和产品 2 1 水冷 在工业生产中冷却的方式很多 其中以水来冷却的叫水冷 在所有的液体中 水的比热容量最大 4 18J g 例如 土和砂之类的物质 热容 量为 0 84J g 铁和铜等金属仅为 0 42J g 酒精和甘油为 1 26J g 铂为 0 12J g 木料为 0 6J g 因此它是最优良的热交换介质 这实在工业生产中用水作为传热介质的主要原因 其次 是因为水的化学稳定性好 不易分解 水的热容量大 在常温范围内不会产生明显的膨胀或 压缩 水的沸点较高 通常使用条件下 在换热器中不致汽化 水的来源较广泛 流动性好 易于输送和分配 且过去水价低 处理运行费用低 化工生产用水量大 约占工业生产总用水量 70 80 随着工艺的发展 用水量的加大 且我国淡水资源的贫乏 为了充分利用水资源 节约用水 减少污水排放 保护环境等 化 工生产采用循环水 2 2 循环冷却水和循环冷却水系统 循环冷却水系统是指以水作为冷却介质并循环使用的一种冷却运行系统 由换热设备 换热器 冷凝器 冷却设备 如冷却塔 空气冷却器等 水泵 管道和其他有关设备 组成 循环冷却水系统分为密闭循环冷却水系统和敞开式循环冷却水系统 2 3 工业冷却水系统分类 工业冷却书系统分类如下 一 间接冷却水系统 1 开式循环冷却水系统 2 闭式循环冷却水系统 3 一次式冷却水系统 二 直接冷却水系统 1 开式循环冷却水系统 2 一次式冷却水系统 2 4 直流冷却水和直流冷却水系统 直流冷却水系统是指冷却水只一次经过换热器换热后直接排入书体的操作 系统 这种冷却水称为直流冷却水或一次利用水 直流水系统中用水量很大 这种系统 不需要其他冷却水构筑物 投资少 操作简便 但是用水量大 水没有重复使用 这种系统 在国外 除了用海水的直接冷却水系统外 均已经淘汰 在国内除水源丰富的地区如海滨电 站外 大多也被弃用 2 5 敞开式循环冷却水系统 敞开式循环冷却水系统是指经交换器换热升温的冷却水 于冷却塔内与大气直接接触 进行蒸发和接触散热使水温下降 继而再重复使用的冷却水系统 它又可以称为开式循环冷 却水系统 这种系统是目前应用最广 类型最多的一种冷却系统 该系统水是在高浓缩下运行 实 现了冷去水的高度重复利用 冷却塔系统是发展最快 应用做多的一种类型 冷却水在循环 系统中循环使用 水温升高 水流速度的变化 水的蒸发和空气中杂物的引入 以及设备结 构和材料等多种因素的综合作用 造成循环水水质恶化 这些会加重冷却水系统的腐蚀 结 垢 微生物故障 威胁和影响装置长周期地安全运行 为了防止发生这些故障 可以再循环 水中投加各种水处理药剂 以使循环水质保持和稳定在一个良好的水平上 2 6 闭式循环冷却水系统 闭式循环冷却水系统是指热水在一个封闭的循环系统中得到冷却的操作过程 该系统不 存在水蒸发和盐分浓缩问题 循环水和药剂流失量很少 在该系统中升温后的循环水是经由 冷却管与外界空气进行间接 强制 换热 讲工艺介质热量移走 因此也可称为干式冷却系 统 利用空气气流间接强制冷却循环水的换热装置称为干冷却塔 这种干冷却塔可分为抽风 式和鼓风式两种 二 提高浓缩倍数可以节约用水 随着经济的发展 工业用水量日益增大 而化工生产用水占工业总用水量的 70 80 左 右 循环冷却水节水大有潜力可挖 提高浓缩倍数运行是目前公认的有效节水方法 但随着 浓缩倍数的提高 循环水系统结垢和腐蚀因子也随着成倍上升 更多的是依赖水稳剂开发上 现就从循环水不同含义上的 零排污 来谈谈循环水节水方法 1 提高浓缩倍数 5 6 运行 循环水系统可近似达到不排污 称为零排污方案 2 即使浓缩倍数达到 5 6 也存在少量排污 将循环冷却水排污水经过处理作为冷却水的 补充水回用至循环水系统中 即循环水零排放 称为零排污方案 3 就整个工厂而言 将工业废水经过生化处理后 再经过深度处理 回用至循环水系统 中 是最佳经济运行方法 使工厂实现真正意义上的零排污 称为零排污方案 3 1 零排污方案 用 M 表示循环冷却水的补充水量 以 E 表示蒸发水量 用 N 表示浓缩倍数 可以做出 M E 和 N 得关系曲线 从曲线图可见 M E 比值越小 浓缩倍数 N 值越大 在蒸发水量 E 和风吹损失水量不变 时 排污量越小 则补充水量越小 为了节约补充水量 应尽量提高浓缩倍数 当 N 1 2 时 随着浓缩倍数增加 补充水量迅速减小 但当浓缩倍数 N 大于 5 6 后 M E 曲线变得很平缓 节水量就不大了 而且此时运行操作十分困难 处理费用会大大增加 在经济上也是不合理的 因此目前公认浓缩倍数最佳经济运行值控制在 5 6 但浓缩倍数提高至 5 6 还要受补充 水的水质条件限制 1 水质条件 目前习惯根据水质的硬度和碱度将补充水划分为三个等级 即高硬高碱 中等硬度和碱 度 低硬低碱三种水质 对于高硬高碱而言 补充水中钙硬加总碱之和超过 250mg l 若将浓 缩倍数提高至 5 6 则循环水中钙硬加总碱之和超过 1250 1500mg l 而目前水处理剂处理钙硬 加总碱之和在 350 900 mg l 的水质效果最好 2 因此对于钙硬加总碱之和超过 1500mg l 的循 环水而言单靠全有机配方来处理 相对会增加处理费用及管理的难度 必须结合其它的途径 来解决 李本高等人对齐鲁石化公司 洛阳石化炼油厂高硬高碱循环水处理采取三种方法进 行研究 3 用离子交换树脂处理原水 将原水中的硬度和碱度分别降至 50mg l 后补入循环水中 循环水钙硬加总碱之和在 350 900 mg l 运行 浓缩倍数可以控制在 5 5 6 之间 水稳剂采用全 有机复合药剂 采取加酸工艺处理 使循环水中 PH 值控制在 7 5 8 之间 循环水钙硬加总碱之和在 350 900 mg l 运行 浓缩倍数可以控制在 2 5 5 之间 采取自然运行工艺 原水不经处理直接补充至循环水中 循环水钙硬加总碱之和在 350 900 mg l 运行 浓缩倍数可以控制在 1 7 以下 水稳剂采用全有机复合药剂 种综合 运行费用最低 种综合运行费用居中 种综合运行费用最高 因此处理高硬高碱水质 选用离子交换处理源水 将源水钙硬加总碱之和控制在 150 mg l 左右 再辅以全有机配方 将浓缩倍数提高至 5 6 是可行的 对于中等硬度和碱度的水质而言 原水钙硬加总碱之和 150 200mg l 长江中下游属于此 类水质 将浓缩倍数提高至 5 6 采取自然控制法是能达到的 但很大程度上还依赖于生产厂 家及科研院所的研发出更好的水处理药剂 就目前普光天然气净化厂冷态运行来的数据可以看出 循环水钙硬加总碱之和在 250 320 mg l 间 属于中等硬度和碱度的水质 可以采用自然控制法来达到提高浓缩倍数 对于低硬低碱的水质而言 属于强腐蚀性的水 由石油化工科学研究院于 1993 年研究的 以两种羟基膦羧酸为主剂 与锌盐 分散剂的复配物处理钙硬 14 0mg l 碱度 40 0mg l 的 水质 浓缩倍数 3 5 4 0 现场监测挂片腐蚀率为 0 035mm a 试管腐蚀率为 0 018mm a 粘附速 率为 2 97mcm 因钙硬加总碱之和为 250 mg l 应该说将浓缩倍数提高至 5 6 有一定的余地 3 2 零排污方案 循环水量越大 排污量也越大 如何将循环水排污水回用到循环水系统中 首先排污水 水质与循环水水是一致的 循环水经过加药 杀菌 旁滤处理后 浊度 有机物含量低 只 是钙硬和总碱经过浓缩后 钙硬和总碱之和为 350 900mg l 解决回用的问题主要是降低排污 水中的钙硬和总碱 一般情况下 可选用软化除硬 脱盐处理后 再回用到循环水系统中去 是可行的 软化除硬 脱盐已是相当成熟的技术 软化除硬目前主要有石灰法 加药沉淀法 絮凝法 脱盐技术有离子交换法 电渗析法 反渗透法等 对于高硬高碱原水而言 若按照 用离子交换预处理原水和全有机碱性配方运行 投资不大 对于低硬低碱原水而言 经过浓 缩 5 6 倍后钙硬 总碱分别不超过 250mg l 根据实际情况 投资一套离子交换装置将 250 mg l 钙硬 总碱降到 50 mg l 左右 费用也不大 对于中等硬度和碱度的水质而言 要根据实际 情况进行核算 国内燕化化工一厂通过改造已成功将循环水排污水回收 燕化化工一厂的循环水总量是 6 5 万吨 小时 每小时排放的污水在三四百吨左右 燕化化工一厂与有关单位合作 以电絮 凝法为技术依托 投资 98 万元建立了一套新三循系统排污水回用装置 排污水通过这套装置 可有效去除水中硬度和悬浮物 经过脱盐处理后再返回到循环水中 处理过的水质可完全达 到补水标准 且回用率达到 85 以上 此套装置的投用带来极好的经济效益和社会效益 预 计两年即可收回成本 4 3 3 零排污方案 因循环水相对来说对水质要求低 实施污水回用主要是将处理后的废水回用到循环水中 去 作为补充水水源 运行费用低 但一般经过二级 生物 除磷脱氮后出水执行 GB8978 1996 标准 其 COD BOD5 SS 和氮 磷营养物质含量高于污水回用设计规范推荐标准 CFCS 93 需采用物理 化学方法对传统二级生物处理出水进行除磷除氮处理及去除有毒有 害有机化合物三级处理或深度处使其达到回用至工业循环冷