段樹濤，馬生蓮，鄧建民

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏 石嘴山753202）

電石主要作為生產(chǎn)聚氯乙烯的原料，近年來隨著國內(nèi)聚氯乙烯行業(yè)迅速發(fā)展，電石的需求量也在不斷增加，促進(jìn)了電石生產(chǎn)工藝向高效、環(huán)保、節(jié)能的方向發(fā)展。電石爐中反應(yīng)溫度在2000 ℃左右，電石爐爐面的溫度非常高（600 ℃以上），這就決定了它始終處在高溫的狀態(tài)下運(yùn)行。為防止高溫對電石爐生產(chǎn)的影響，延長電石爐的使用壽命，在爐蓋、爐門、短網(wǎng)、電極接觸元件、煙道等處設(shè)置了水冷卻降溫設(shè)施。為減少冷卻水中雜質(zhì)對電石爐生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)的影響，研究解決水結(jié)垢帶來的危害和降低安全風(fēng)險(xiǎn)的措施，保障電石爐的安全、長周期、可靠運(yùn)行。

1 電石爐循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢及影響分析

寧夏英力特化工股份有限公司現(xiàn)運(yùn)行的電石爐產(chǎn)能為30 萬t/a，配套的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)量設(shè)計(jì)為4000 m3/h。采用無壓回水方式，系統(tǒng)由循環(huán)給水泵、加藥裝置、冷卻塔、熱水池及循環(huán)給水回水管線等組成。經(jīng)電石爐用冷設(shè)施后的回水返回至敞口的回水槽中，與大氣接觸泄壓后的循環(huán)水再自流至熱水池，經(jīng)加壓泵送至冷卻塔降溫后返回冷水池循環(huán)使用，流程簡圖如下圖1。

圖1 電石循環(huán)水系統(tǒng)簡圖

該公司使用經(jīng)處理凈化后的黃河水作為循環(huán)水補(bǔ)充水。堿度和硬度都較高；在運(yùn)行過程中，以下因素會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化： 電石生產(chǎn)區(qū)域空氣中粉塵含量高，循環(huán)水易受外界環(huán)境污染；循環(huán)水在使用過程由于濃縮倍數(shù)的控制要求導(dǎo)致鹽含量升高； 電石爐區(qū)域溫度高，循環(huán)水溫度有時(shí)會(huì)高達(dá)60～65 ℃，蒸發(fā)量大，這些因素都導(dǎo)致循環(huán)水在電石爐冷卻管道中形成結(jié)垢。起初是電化學(xué)腐蝕原因，在管道內(nèi)部形成銹層，并產(chǎn)生一些點(diǎn)蝕，后因空氣中的塵埃及細(xì)菌作用，產(chǎn)生黏泥沉淀層，當(dāng)濃縮倍數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)，水中的難溶或微溶鹽類達(dá)到過飽和狀態(tài)產(chǎn)生結(jié)垢。故管道內(nèi)部結(jié)垢為多層分布，垢層形成后又產(chǎn)生垢下腐蝕，而使垢層加厚加密。將結(jié)垢層分為兩種，一種為銹垢層，一種為非銹層。與銹層接觸的沉淀層主要為黏泥，幾乎全為酸不溶物，外層主要為鈣硬殼，中間呈黏泥沉淀層與垢層交替出現(xiàn)[1]。

水垢在冷卻系統(tǒng)內(nèi)形成會(huì)減小流道截面積，增加水循環(huán)阻力，阻礙正常的熱交換。隨著水垢層的不斷加厚將造成設(shè)備嚴(yán)重的冷卻不良，并帶來的一連串的惡果。不但影響系統(tǒng)的冷卻效果，同時(shí)還給冷卻管路系統(tǒng)造成腐蝕，導(dǎo)致冷卻管路穿孔泄漏。電石爐冷卻系統(tǒng)由水分離器將冷卻水分配到爐體的三相電極的接觸元件、爐體爐蓋及保護(hù)板冷卻系統(tǒng)。這些冷卻系統(tǒng)的元件都是純銅或不銹鋼材料，一旦因損壞導(dǎo)致電極刺火或其他事故，必將影響電石爐長周期安全運(yùn)行。間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

為了控制結(jié)垢、 沉積腐蝕及微生物給設(shè)備管路帶來的危害，通過自動(dòng)加藥設(shè)備向循環(huán)水中注入藥劑。通常采用添加阻垢劑、緩蝕劑、殺生劑等藥劑，并定時(shí)排污來維持循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)。上述措施不但增加了排污量，還導(dǎo)致易產(chǎn)生結(jié)垢和發(fā)生垢下腐蝕，為維持循環(huán)水系統(tǒng)正常生產(chǎn)，參照GB/T 50050 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范中間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)要求，結(jié)合電石生產(chǎn)工藝實(shí)際情況，制定循環(huán)水系統(tǒng)中冷卻水的各項(xiàng)控制指標(biāo)見表2。為保證各指標(biāo)正?？刂?，該公司年采購各藥劑費(fèi)用約為50 萬元，同時(shí)根據(jù)濁度進(jìn)行排污量為每周600 m3/h，污水排放費(fèi)用為5 元/t，產(chǎn)生排污費(fèi)600×52×5=15（萬元），合計(jì)費(fèi)用65 萬元。

2 軟化水作為循環(huán)水補(bǔ)充水

表1 間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)[2]

表2 循環(huán)水系統(tǒng)冷卻水控制指標(biāo)

表3 軟化水生產(chǎn)工藝要求指標(biāo)表

2018年該公司為解決上述問題并降低循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，對循環(huán)水系統(tǒng)工藝現(xiàn)狀進(jìn)行研究，引進(jìn)可靠技術(shù)，建設(shè)一套200 m3/h 的全自動(dòng)軟化水再生設(shè)施，將工業(yè)水經(jīng)過軟化處理后作為循環(huán)水補(bǔ)充水。其運(yùn)行過程的工藝要求和控制指標(biāo)見表3。

2.1 全自動(dòng)軟化水設(shè)施工作原理

該全自動(dòng)軟化水生產(chǎn)設(shè)施以程控閥和控制器為核心，配套樹脂罐及化鹽桶。通過運(yùn)行時(shí)間來啟動(dòng)再生程序，除給化鹽桶加鹽外，基本不需要人工干預(yù)。全自動(dòng)軟水器是采用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，當(dāng)原水經(jīng)過鈉型離子交換劑時(shí)，水中的Ca2+、Mg2+等陽離子與交換劑中的Na+進(jìn)行交換，降低了水的硬度，當(dāng)樹脂吸收達(dá)到飽和吸附作用失效后，用飽和的食鹽水浸樹脂層，把樹脂上的Ca2+、Mg2+離子置換出來，恢復(fù)樹脂的交換能力。吸附及再生過程化學(xué)反應(yīng)式如下：

離子交換樹脂的單元結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，即不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架、連接在骨架上的功能基和功能基團(tuán)所帶的相反電荷的可交換離子。在水溶液中，連接在離子交換樹脂固定不變的骨架上的功能基能離解出可交換離子，這些離子在較大范圍內(nèi)可以自由移動(dòng)并能擴(kuò)散到溶液中，同時(shí)溶液中的同類型離子也能擴(kuò)散到整個(gè)樹脂多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這兩種離子之間的濃度差推動(dòng)它們互相交換，其濃度差越大，交換速度也就越快。同時(shí)由于離子交換樹脂上攜帶的一定的功能基對于各種離子的親和力大小各不相同，所以在人為控制的條件下，功能基離解出來的可交換離子可與溶液里的同類型離子發(fā)生交換[3]。

在原水中鈣鎂離子以Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2、CaSO4和MgCl2等化合物形式存在。經(jīng)鈉型離子交換樹脂處理后Ca2+、Mg2+離子被吸附，產(chǎn)水中陽離子只有Na+存在。

2.2 全自動(dòng)軟化水設(shè)施生產(chǎn)流程

該設(shè)施運(yùn)行周期分為工作、反洗、再生、置換、沖洗等5 個(gè)過程。

（1）反洗。工作一段時(shí)間后的軟化水設(shè)備，會(huì)在樹脂上部攔截由原水帶來的污物，反洗過程就是原水經(jīng)控制閥，自中心升降管由上向下流動(dòng)經(jīng)底部分流器分配給交換劑層，由下向上反洗交換后，再通過控制閥排水口排除廢水。這樣可以把上部攔截下來的污物沖走。（2）再生置換過程。原水經(jīng)控制閥后進(jìn)入注水器，然后通過射流過程將再生劑NaCl 鹽水利用虹吸原理吸入樹脂罐，由上向下均勻分布于交換劑層進(jìn)行再生，廢液再經(jīng)中心升降管底部分流器由下向上流動(dòng)并通過控制閥排水口排出。（3）沖洗。為了將殘留的鹽水徹底沖洗干凈，原水經(jīng)控制閥進(jìn)入樹脂，由上向下快速?zèng)_洗交換劑層后，再由中心升降管底部分流進(jìn)入，經(jīng)控制閥后排出。

2.3 運(yùn)行壓力控制的注意事項(xiàng)

全自動(dòng)軟化水設(shè)施的運(yùn)行壓力要求是0.2～0.5 MPa，這樣的壓力要求有兩方面的原因：該軟化水設(shè)施是靠水力形成負(fù)壓來抽取鹽水的，吸鹽器上端的壓力直接影響吸鹽的速度和效果，壓力如果低于0.2 MPa，吸鹽效果會(huì)明顯下降； 壓力大于0.5 MPa，可以達(dá)到吸鹽效果，但是在這種壓力下管路承壓過大，各接合點(diǎn)容易出現(xiàn)滲漏；另外，水壓過大會(huì)造成多路程控閥動(dòng)作不精準(zhǔn)，進(jìn)而影響吸鹽效果。

3 運(yùn)行效果分析

全自動(dòng)軟化水設(shè)施產(chǎn)水Ca2+為30 mg/L，循環(huán)水中Ca2+控制指標(biāo)從600 mg/L 降至250 mg/L 左右，比原水180 mg/L 稍高，由于Ca2+含量降低，系統(tǒng)中結(jié)垢少，熱交換效率得以提高；因日常不再添加含磷的阻垢緩蝕劑，藻類數(shù)量減少，并減少了垢下腐蝕，減少含磷廢水排放對環(huán)境的污染。再生后的廢水收集后作為降塵噴灑用水，完全杜絕了廢水排放。軟化水設(shè)施每月運(yùn)行需要30 t 工業(yè)鹽，單價(jià)為270 元/t，費(fèi)用為270×30×12=9.72（萬元）；由于使用該軟化水裝置后，濁度從以前的20 降至5 左右，排污量減少為200 m3/周，單價(jià)為5 元/t，費(fèi)用為200×52×5=5.2（萬元）。合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用15 萬元，比單純用藥劑控制減少費(fèi)用50 萬元。

4 結(jié)語

電石循環(huán)水系統(tǒng)采用的全自動(dòng)軟化水補(bǔ)水生產(chǎn)設(shè)施工藝設(shè)計(jì)緊湊，占地面積??；采用的設(shè)備為高強(qiáng)度FRP 材質(zhì)，管道及管件為耐腐蝕塑料管，避免了離子交換樹脂被污染和系統(tǒng)腐蝕問題，控制閥及程序控制器完全實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)軟化及系統(tǒng)再生過程各階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，免維護(hù)，不用專人看管，設(shè)備工作原理簡單，易于操作控制。比常規(guī)的電石循環(huán)水系統(tǒng)藥劑控制減少廢水排放，比先進(jìn)的超濾和反滲透產(chǎn)水作循環(huán)水補(bǔ)充水減少能耗。因此在電石工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)具有較好的推廣意義。