松南气田集输处理站提高循环水质量研究

姜大威

中国石油化工股份有限公司东北油气分公司, 吉林 长春 130062

0 前言

1 循环水工艺

图1 循环水工艺流程

2 水垢的成因

2.1 数据分析

为了解决循环水工艺设备结垢问题,研究人员从水质、垢样、菌落等方面入手,开展水垢成因的分析。分别采集了1#水源井、循环水池的水样及贫液冷却器循环水管道垢样,并对水样和垢样进行离子分析,见表1～2。

表1水质分析结果

检测项目1#水源井循环水池阴离子浓度/(mg·L-1) F--2.6 Cl-5.647.3 NO-2-- Br--- NO-3-- SO2-41.2142.6 OH--- CO2-3-113.7 HCO-3205.0381.3阳离子浓度/(mg·L-1) Li+-- Na+29.7273.3 NH+40.31.0 K+1.313.1 Mg2+7.060.8 Ca2+39.89.3 Sr2+-- Ba2+-- 总铁--矿化度/(mg·L-1)289.91 045.0总硬度/(mg·L-1)128.9276.8pH值6.89.5腐生菌/(个·mL-1)-700大肠杆菌群/(CFU·100 mL-1)-33菌落总数/(CFU·mL-1)-340

表2贫液冷却器循环水管道垢样分析结果

检测项目检测结果含水率/(%)41.48含油量/(%)-酸不溶物/(%)40.07酸溶物/(%)18.45酸溶物中离子质量含量/(%) Mg2+1.05 Ca2+26.5 Sr2+- Ba2+- SO2-433.5

2.2 影响因素

在确定管道垢样成分的基础上,全面分析循环水工艺和设备因素,查找杂质来源。

1)生产运行中,循环水不断消耗损失,1#水源井提供的新鲜水在补充水罐简单沉降后直接进入循环水池,新鲜水中的泥沙悬浮物一同进入循环水池,尽管有旁滤设备,但旁滤并非全流量过滤,大部分悬浮物进入循环水管网。

2)冷却塔通过蒸发散热降低循环水温度,需要由新鲜水连续补充。随着水分的不断蒸发和注入,循环水中所含矿物质不断积累,浓缩后过饱和的钠、镁、钙盐由于热交换界面的温度和pH值变化而结晶沉积在换热器表面[1]。

3)由于集输处理站位于草原边缘,周边沙漠化严重,冷却塔属敞开式冷却塔[2-5],大量扬尘和沙粒随风进入循环水系统,在设计上通过旁滤罐脱除循环水中的颗粒杂质,旁滤反洗出的污水要经过沉降处理。在冬季，回收水池结冰使得旁滤无法反洗,长此以往旁滤罐内堵塞，无法继续脱除水中颗粒杂质。

4)循环水温度始终在32～42℃,这样的温度适于多种菌类生存[6-7]。由于集输处理站未按标准加入药剂,使得冷却塔百叶板、水池内壁等处附着厚厚的菌落,夏季更严重。

3 提高水质的措施

经过全面分析,梳理出影响循环水水质的主要因素,分别制定技改方案和管理措施。

3.1 源头过滤

根据每天新鲜水补水量的需求,设计在1#水源井出口与补充水罐间增加1套新鲜水初滤设备,全量过滤新鲜水,脱除泥沙等固体颗粒,从源头上减少杂质混入循环水,初滤设备技改方案见图2。

图2 增加初滤设备技改方案

分别取初滤罐进、出口水样化验,对比离子含量并采用恒重法检测固体含量变化,验证技改效果,数据对比见表3。

表3初滤罐进、出口水样对比

检测项目初滤进口水样初滤出口水样离子含量/(mg·L-1) Ca2+56.1152.1 Mg2+31.8429.16 Na+25.3127.75 SO2-478 HCO-3350.85348.17 CO2-311.25未检出矿化度/(mg·L-1)482.36465.18总硬度/(mg·L-1)6.136.11pH值6.86.9固体含量/(mg·L-1)5.22.5粒径中值/μm4.222.47

由表3可看出,增加初滤设备后,进入补充水罐的新鲜水粒径中值下降,固体含量明显降低,表明循环水补充的源水水质得到改善。

3.2 浓水置换

循环水量Q总为680 t/h,环境最高气温23℃(蒸发系数0.001 43),蒸发水量Q蒸为9.72 t/h;环境最低气温-18℃(蒸发系数0.000 8),蒸发水量Q蒸为5.44 t/h。

理想状况下可认为蒸发出的水不含矿物盐。风吹损失等其他原因消耗的水量Q风约0.5 t/h。通过旁滤反洗实现浓水置换,平均每小时旁滤的反洗水量设为Q反,回收水池回收再利用的水量约1/4Q反,排出浓水量约3/4Q反。欲保持循环水的矿化度不升高,排出浓水的矿物质总量应大于等于新鲜水补充的矿物质总量。

ρ反·3/4Q反≥ρ新·Q新

(1)

Q新=3/4Q反+Q蒸+Q风

(2)

式中：ρ反为旁滤反洗水的矿化度,mg/L;Q反为反洗的水量,t/h;ρ新为补充的新鲜水矿化度,mg/L;Q新为补充的新鲜水量，t/h;Q蒸为循环水蒸发量,t/h;Q风为风吹损失等其他消耗,t/h。

经计算Q反≥3.04～5.23 t/h,即现有工况条件下,冬季平均每小时反洗水量应超过3.04 t(夏季5.23 t),补充新鲜水量超过8.22 t(夏季14.14 t),既可以满足循环水补充量的需求,同时可持续降低循环水矿化度,逐渐溶解已经析出的矿物盐。

3.3 恢复旁滤流程

解决旁滤冬季不能正常运行问题的关键,在于防止回收水池结冰。考虑该地区最低气温、碳钢管导热系数[8-10]和水流速等因素,在循环回水返至冷却塔前,通过DN 80的碳钢管引流一部分循环回水,管道围绕回收水池内壁,应用热传导原理,降低循环回水温度的同时,提高反洗水的温度始终保持0℃以上,旁滤罐可正常反洗和过滤,回收水池技改方案见图3。

图3 回收水池技改方案

3.4 填加药剂

3.4.1 防垢剂筛选

取循环水作为试验药剂,选取3种阻垢剂,即:丙烯酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸混合溶液(AA/AMPS)、水解聚马来酸酐(HPMA)、氨基三亚甲基膦(ATMP)在不同投加浓度进行阻垢剂性能试验,试验结果见表4。

表4循环水阻垢剂筛选评价

药剂型号浓度/(mg·L-1)防垢率/(%)AA/AMPS327.6530.4770.51082.2HPMA326.5526.9743.91058.2ATMP355.6556.2783.11088.8

由表4可看出,ATMP药剂在不同浓度下的阻垢率大于相应浓度下其他两种药剂的阻垢率,阻垢效果较好。

3.4.2 杀菌剂筛选

对于敞开式循环水系统,因水份的不断补充和空气中大量尘埃从冷却塔进风口被带入水中,使循环水中的有机物、无机物大量增加,为新鲜水和空气中微生物的生长繁殖提供了良好条件,而且循环水的水温和pH值特别适宜微生物的生长繁殖。微生物在生长繁殖过程中产生大量生物排泄物,具有一定的黏性,与水中的菌藻等微生物、金属腐蚀产物、各种难溶盐等粘附在一起形成生物黏泥[11-14],根据现场情况初步判断系统存在的菌类主要是腐生菌[15-17]。在现场温度32℃环境下,取3种不同型号杀菌剂:二氯异氰尿酸钠(氧化型杀菌剂J 1)、异噻唑啉酮(非氧化型杀菌剂J 2)、十二烷基二甲基苄基氯化铵(非氧化型杀菌剂J 3),选取不同投加浓度,考察对循环水腐生菌的杀菌效果,试验结果见表5。

表5循环水杀菌剂筛选评价

药剂型号浓度/(mg·L-1)杀菌效果氧化型杀菌剂J140++60++80+-非氧化型杀菌剂J240++60--80--非氧化型杀菌剂J340++60++80-- 注:1.试验菌种为腐生菌TGB,菌落数:25×102个/mL;2.“+”表示有菌类生长,“-”表示无菌类生长。

由表5可见,试验用非氧化型杀菌剂J2最低致死浓度为60 mg/L,杀菌能力优于其他两种,推荐使用该杀菌剂。

3.4.3 缓蚀剂筛选

全面腐蚀的评估一般采用平均腐蚀率表示。以单位时间单位面积金属表面被腐蚀损失的量表示,称为腐蚀失重率Cw;以单位时间金属表面被腐蚀掉的深度表示,称为腐蚀深度速率Ck,简称腐蚀率[18-19]。工程上常用Ck。在现场温度32℃环境下,松南气田集输处理站循环水空白腐蚀速率为0.010 5 mm/a,根据GB 50050-2007《工业循环冷却水处理设计规范》规定,间冷开式循环水系统换热器,碳钢设备传热面水侧污垢热阻值应小于0.075 mm/a。目前现场腐蚀情况不明显,是因为结垢严重,阻碍了循环水与碳钢表面的接触。加入防垢剂后结垢降低,金属表面暴露,腐蚀速率有可能加大。

以循环水为腐蚀介质,加入不同型号缓蚀剂:羟基乙叉二磷酸(HEDP)、2-磷酸基-1,2,4三羧酸丁烷(PBTCA)、DT-060缓蚀阻垢剂、ZH-505缓蚀阻垢剂,进行缓蚀剂性能评价试验,试验结果见表6。

表6循环水缓蚀剂筛选评价

药剂名称药剂浓度/(mg·L-1)腐蚀速率/(mm·a-1)现象及试件表面腐蚀情况缓蚀率/(%)HEDP200.008 6400.007 6600.003 8水无色透明,挂片表面发乌23.232.166.1PBTCA200.010 8400.007 9600.002 5水无色透明,挂片表面发乌3.629.577.7DT-060200.008 1400.008 0600.003 0水无色透明,挂片表面发乌22.923.871.4ZH-505200.006 0400.005 7600.004 9水无色透明,挂片表面发乌42.945.753.3 注:试验条件静态挂片失重法:挂片温度32±1℃;试片材质A 3钢;试验周期168 h;试片尺寸50 mm×13 mm×1.5 mm;空白腐蚀速率为0.010 5 mm/a。

3.4.4 三防药剂配伍性

为了避免防垢剂、杀菌剂、缓蚀剂(三防药剂)在现场使用过程中出现化学反应,影响药剂的使用效果,开展3种药剂的配伍性试验,三防药剂对防垢性能的影响见表7。

表7三防药剂对防垢性能的影响

药剂型号浓度/(mg·L-1)防垢率/(% )缓蚀剂PBTCA591.2791.71091.8杀菌剂J 2551.1768.91082.0缓蚀剂PBTCA+杀菌剂J 2589.6790.11090.1

由表7可看出,杀菌剂J 2的加入使防垢剂原有的防垢性能下降,但缓蚀剂的加入改善了防垢性能,缓蚀剂和杀菌剂混合加入同样提高了防垢性能,三防药剂对杀菌性能的影响见表8。

从表8可看出,防垢剂的加入对杀菌性能没有影响,但缓蚀剂的加入对杀菌性能产生影响,在混合使用中可适当提高杀菌剂的投入浓度。三防药剂对缓蚀性能的影响见表9。

表8三防药剂对杀菌性能的影响

药剂型号浓度/(mg·L-1)杀菌效果缓蚀剂PBTCA50++60++70--防垢剂ATPM50++60--70--缓蚀剂PBTCA+防垢剂ATPM50++60++70--

表9三防药剂对缓蚀性能的影响

药剂型号浓度/(mg·L-1)缓蚀率/(% )防垢剂ATPM5058.26077.97080.4杀菌剂J 25052.16072.07075.6防垢剂ATPM+杀菌剂J 25056.56075.37077.0

从表9可看出,防垢剂和杀菌剂的混合加入,对缓蚀性能基本无影响。

试验结果表明,所选的三种药剂配伍性良好,并具有一定的协同性,可同时使用。

4 结论

通过分析换热器换热效率低的问题,查找循环水结垢原因,主要是由于循环水不净,水中含有大量悬浮物、泥沙等,并且矿化度较高,不断有微溶或不溶的矿物盐析出,与微生物黏泥等混为一体附着于换热表面而生成水垢。经过技改措施,使循环水水质得到明显改善,结合日常管理经验,得到以下结论:

1)加强水源管理。从源头上控制新鲜水水质是改善循环水的主要措施。

2)冷却塔处循环水的蒸发必然会使矿物盐离子不断浓缩,无论采用旁滤反洗或是循环水池底部排污的方式,都能起到浓水置换的作用,但要注意置换的水量,确保排出的盐含量大于新鲜水补入的盐含量。

3)循环水定期化验,要根据三防药剂的最佳使用浓度及时补充药剂。

4)提高循环水水质,只能延缓循环水工艺管路及设备的结垢速度,并不能完全遏制。实际应用中还需要根据生产实际配合拆检或酸洗等方式清除水垢。

5)循环水用量较小的企业,可应用闭式冷却系统,采用软化水作为循环冷却水。优点是杂质少、矿化度低,不易结垢;缺点是运行成本较高。