楊 艷 羅 強(qiáng) 范秦楚 徐少堃

中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠

天然氣凈化廠循環(huán)水處理新技術(shù)研究

楊 艷 羅 強(qiáng) 范秦楚 徐少堃

中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠

循環(huán)水處理技術(shù)是天然氣凈化廠循環(huán)水系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、冷換設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況、成本及安全環(huán)保方面，對(duì)比3種循環(huán)水處理技術(shù)在天然氣凈化廠的應(yīng)用效果。試驗(yàn)表明，3個(gè)分廠的循環(huán)水水質(zhì)均較穩(wěn)定，無明顯結(jié)垢或腐蝕趨勢(shì)。在殺菌、抑制冷換設(shè)備結(jié)垢方面，渠縣分廠栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)最好，其次是長(zhǎng)壽旁路電解水處理技術(shù)(ECT)，引進(jìn)分廠銅基觸媒防垢器殺菌除垢效果不理想。在成本控制方面，以設(shè)備使用壽命周期內(nèi)計(jì)，ECT投入總費(fèi)用較栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)投入的總費(fèi)用低很多。在安全環(huán)保方面，渠縣分廠栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)使用的化學(xué)藥劑都具有腐蝕性，對(duì)水生物毒性非常大，給進(jìn)行加藥、排污等操作的人員帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，增加工業(yè)廢水的產(chǎn)生量，對(duì)環(huán)境造成污染。綜合比較3種循環(huán)水處理技術(shù)，ECT是目前天然氣凈化廠綜合性較優(yōu)的循環(huán)水處理技術(shù)。

天然氣凈化 循環(huán)水處理技術(shù) 應(yīng)用

在天然氣凈化廠中，循環(huán)水系統(tǒng)作為公用輔助系統(tǒng)，主要用于脫硫脫碳裝置、脫水單元裝置、硫磺回收裝置冷換設(shè)備及機(jī)泵、空壓機(jī)等主要設(shè)備的冷卻。在開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，由于冷卻水的蒸發(fā)，循環(huán)水濃縮，離子濃度上升，使循環(huán)水有腐蝕、結(jié)垢、黏泥危害發(fā)生的傾向，從而使循環(huán)水質(zhì)惡化，達(dá)不到循環(huán)水水質(zhì)要求，不僅影響工藝裝置冷換設(shè)備的換熱效率，嚴(yán)重時(shí)還影響整個(gè)天然氣凈化裝置的安全正常運(yùn)行及產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

目前，工業(yè)循環(huán)水處理最常見的是化學(xué)處理法，通過使用殺菌劑、緩蝕劑、阻垢劑、復(fù)合水處理劑等對(duì)工業(yè)循環(huán)水進(jìn)行處理，達(dá)到抑制腐蝕、結(jié)垢的目的[2]。雖然，化學(xué)處理法在現(xiàn)階段工業(yè)循環(huán)水處理中是一種主要的方法，但是藥品價(jià)格昂貴，每年消耗量巨大，并具有一定的危險(xiǎn)性。不僅增加工業(yè)廢水的產(chǎn)生量，同時(shí)給循環(huán)水加藥、排污等操作的作業(yè)人員帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

為進(jìn)一步探索更優(yōu)越的循環(huán)水處理技術(shù)，提高循環(huán)水處理效率及效果，節(jié)約運(yùn)行成本，本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比了旁流電解水處理技術(shù)(ECT)、新型緩蝕阻垢劑KURITA ST-8690處理技術(shù)和銅基觸媒防垢技術(shù)在天然氣凈化廠循環(huán)水處理的效果。

1 3種循環(huán)水處理技術(shù)介紹

1.1長(zhǎng)壽分廠旁流電解水處理技術(shù)(ECT)

重慶天然氣凈化總廠長(zhǎng)壽分廠自2016年2月18日開始投用ECT裝置，自旁濾器進(jìn)口管線上分出一根管線進(jìn)入ECT系統(tǒng)，控制循環(huán)水量的5%進(jìn)入ECT處理，出口直接進(jìn)入循環(huán)水池PT-3401(見圖1)，同時(shí)不再投加ClO2、CT4-36、CT4-42等藥劑。裝置總循環(huán)水流量約300 m3/h，ECT系統(tǒng)流量約15 m3/h。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，ECT工作電流一般設(shè)置在15 A，隨著氣溫的升高，可逐漸調(diào)大電流以降低電導(dǎo)率，最高到20 A?，F(xiàn)循環(huán)水濃縮倍數(shù)控制在3左右，并根據(jù)濃縮倍數(shù)，設(shè)定20 min刮垢1次，4 h排污1次。

ECT系統(tǒng)是在一個(gè)受控的反應(yīng)室中提供一個(gè)受控的電解過程，用以除去循環(huán)水系統(tǒng)的鈣鎂離子，從而阻止系統(tǒng)管線和設(shè)備結(jié)垢，并同時(shí)控制細(xì)菌和藻類的滋生。反應(yīng)器內(nèi)部的鈦基氧化鎳涂層電極為陽極，反應(yīng)器壁為陰極，反應(yīng)過程中，水中的鈣鎂離子在陰極發(fā)生反應(yīng)形成軟質(zhì)水垢附著在反應(yīng)器壁上，并定時(shí)啟動(dòng)內(nèi)置刮刀刮去后排出反應(yīng)器[3]，其結(jié)構(gòu)見圖2。

反應(yīng)室中維持的工作電流為直流10～25 A,在陰極(反應(yīng)室內(nèi)壁)附近形成高濃度的氫氧根，使易結(jié)垢的礦物質(zhì)預(yù)先結(jié)垢，并從水中析出。在陽極，電流將一部分的氯離子轉(zhuǎn)化成氯氣，在冷卻水中形成持續(xù)殺菌效果的次氯酸，同時(shí)也產(chǎn)生臭氧、氧自由基、氫氧根自由基和雙氧水。這一系列產(chǎn)物提供了殺生效應(yīng)，結(jié)合安培電流及局部高和低(陽極)pH值區(qū)域，維持了ECT內(nèi)部一個(gè)實(shí)時(shí)的消毒環(huán)境。

1.2栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)

重慶天然氣凈化總廠渠縣分廠自2015年11月17日開始運(yùn)用栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)，原有ClO2、CT4-36、CT4-42藥劑、加藥裝置不再使用，并在回水管線上安裝電磁閥，循環(huán)水池內(nèi)放置電導(dǎo)率檢測(cè)儀(見圖3)。裝置設(shè)計(jì)循環(huán)量為500 m3/h，可根據(jù)工藝條件需要調(diào)整循環(huán)量，目前循環(huán)量約為250 m3/h。廠家設(shè)計(jì)中預(yù)想水質(zhì)濃縮倍數(shù)為2.5，目前排污電導(dǎo)率設(shè)置為1 300 μs/cm，停止排污設(shè)置為1 260 μs/cm，加藥時(shí)間為每小時(shí)加藥10 min。

栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)包含自動(dòng)排污加藥控制裝置(CTR)、計(jì)量泵、排污電磁閥等設(shè)備。加藥計(jì)量泵與循環(huán)水泵聯(lián)動(dòng)，當(dāng)循環(huán)水泵啟動(dòng)時(shí)，計(jì)量泵受CTR控制程序或時(shí)控開關(guān)控制，目前設(shè)置為每小時(shí)加藥時(shí)間為10 min，可根據(jù)分析數(shù)據(jù)調(diào)整加藥量，計(jì)量泵出口連接軟管為循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加藥；當(dāng)循環(huán)水中電導(dǎo)率超過設(shè)定值后，電導(dǎo)儀發(fā)出信號(hào)，CTR將控制排污自動(dòng)閥開啟至設(shè)定值后關(guān)閉。使用的藥品是緩蝕阻垢劑KURITA ST-8690、黏泥控制劑KURITA F-7490、氧化性殺菌劑F9200[4-5]。

1.3引進(jìn)分廠銅基觸媒防垢技術(shù)

重慶天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠銅基觸媒防垢器安裝在空氣壓縮機(jī)K-3301B循環(huán)水進(jìn)口管線上(見圖4)。

銅基觸媒防垢器的核心部件采用一種特殊觸媒合金材料制造，由7種具有不同電負(fù)性的金屬元素高溫化合制成，具有較強(qiáng)電負(fù)性[6]。當(dāng)流體介質(zhì)以一定的流速流經(jīng)該觸媒材料后，觸媒材料可向流體釋放電子，降低溶液系統(tǒng)的陽離子濃度，從而降低成垢指數(shù)，達(dá)到阻垢目的，同時(shí)也使溶液中的溶劑分子產(chǎn)生極化效應(yīng)，形成溶劑分析的偶極子。極化后的偶極子與裸露金屬表面將發(fā)生壁面效應(yīng)(見圖5)，使管壁金屬表面沉積一定厚度的成垢離子耦合物，將管壁金屬與流體系統(tǒng)隔開，在一定程度上起到了管壁防腐的作用。

阻垢儀還能夠在濾芯與流體間形成弱電場(chǎng)，使已有的垢鹽發(fā)生“大理石型”結(jié)構(gòu)向“文石型”結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，使已經(jīng)板結(jié)的垢層逐漸松軟脫落，達(dá)到管路系統(tǒng)除垢的目的。

2 3種技術(shù)對(duì)比分析

針對(duì)3種技術(shù)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)冷卻水進(jìn)行水質(zhì)分析，如pH值、濁度、電導(dǎo)率、總堿度、總硬度、鉀、鈣、鐵、菌落數(shù)等[7]。

2.1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中朗格利爾飽和指數(shù)[8]，3個(gè)分廠循環(huán)水水質(zhì)均較穩(wěn)定，無明顯結(jié)垢或腐蝕趨勢(shì)，各項(xiàng)指標(biāo)均能控制在循環(huán)水水質(zhì)要求范圍內(nèi)。從菌落數(shù)量看，引進(jìn)分廠的銅基觸媒防垢器殺菌效果較差。從鐵離子濃度看，渠縣分廠栗田工業(yè)循環(huán)水處理藥劑對(duì)設(shè)備有一定的腐蝕,需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，合理投加化學(xué)藥劑量。

表1 長(zhǎng)壽分廠、渠縣分廠、引進(jìn)分廠循環(huán)水補(bǔ)充水分析數(shù)據(jù)Table1 Make?upwaterqualityinrecyclingcoolingsystemsofChangshoubranchfactory，Quxinbranchfactory，andYinjinbranchfactory項(xiàng)目pH值濁度/度電導(dǎo)率/(μs·cm-1)總堿度/(mg·L-1)總硬度/(mg·L-1)ρ(鉀)/(mg·L-1)ρ(鐵)/(μg·L-1)ρ(鈣)/(mg·L-1)ρ(溶解性固體)/(mg·L-1)菌落數(shù)CFU/mLLSI長(zhǎng)壽分廠循環(huán)水8．581178020180841．30222．015301801．73長(zhǎng)壽分廠循環(huán)水補(bǔ)充水7．611446651925．2258．1354110-0．24渠縣分廠循環(huán)水8．7498901594507．541480．0138．0208001301．54渠縣分廠循環(huán)水補(bǔ)充水7．981325701812．1611．843．4248100．05引進(jìn)分廠空壓機(jī)循環(huán)水入口8．40317181414667．9949．7143．09532701．22引進(jìn)分廠空壓機(jī)循環(huán)水出口8．40210411314528．1671．9142．0117048001．18

2.2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備效果對(duì)比

2.2.1長(zhǎng)壽分廠冷換設(shè)備拆檢情況

長(zhǎng)壽分廠凝結(jié)水冷卻器E-1105腐蝕結(jié)垢情況如圖6與圖7所示。

2.2.2渠縣分廠冷換設(shè)備拆檢情況

渠縣分廠冷換設(shè)備使用栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)前后的腐蝕結(jié)垢情況如圖8與圖9所示。

2.2.3引進(jìn)分廠空壓機(jī)換熱器拆檢情況

引進(jìn)分廠空壓機(jī)換熱器使用銅基觸媒防垢器前后的腐蝕結(jié)垢情況如圖10與圖11所示。

從冷換設(shè)備使用3種技術(shù)后的結(jié)垢情況看，渠縣分廠栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)效果最好，能夠很好地去除冷換設(shè)備的水垢并抑制其生成，同時(shí)對(duì)藻類、菌類的生長(zhǎng)也能很好地抑制；其次為長(zhǎng)壽分廠旁路電解水處理技術(shù)(ECT)，能替代原“川天”系列循環(huán)水處理藥劑的殺菌除垢效果；而引進(jìn)分廠銅基觸媒防垢器除垢殺菌效果不明顯。

2.3運(yùn)行成本對(duì)比

由于銅基觸媒防垢器使用效果不明顯，故不進(jìn)行成本對(duì)比分析。

ECT設(shè)計(jì)使用壽命為10～15年，栗田工業(yè)加藥裝置設(shè)計(jì)使用壽命為10年。因此，以10年為周期計(jì)算成本投入情況，ECT重要部件電極使用壽命為3～5年，以第4年更換計(jì)(見表2)。

表2 長(zhǎng)壽分廠、渠縣分廠循環(huán)水系統(tǒng)費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表Table2 CoststatisticsofcirculatingwatersysteminChangshoubranchfactoryandQuxianbranchfactory萬元項(xiàng)目設(shè)備費(fèi)用年運(yùn)行費(fèi)用1年投入總費(fèi)用2年投入總費(fèi)用3年投入總費(fèi)用4年投入總費(fèi)用5年投入總費(fèi)用10年投入總費(fèi)用旁路電解水處理技術(shù)(ECT)58．91．760．662．364．074．776．484．9栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)4．814．719．534．248．963．678．3151．8

從表2可以看出，前4年ECT投入的總費(fèi)用均比栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)投入的總費(fèi)用高，但從第5年開始，ECT投入的總費(fèi)用逐漸比栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)低，在設(shè)備使用壽命周期內(nèi)，ECT投入總費(fèi)用較栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)投入的總費(fèi)用低很多。

2.4安全環(huán)保方面

長(zhǎng)壽分廠旁路電解水處理技術(shù)與引進(jìn)分廠銅基觸媒防垢技術(shù)均屬于電子除垢設(shè)備，在日常操作中不使用化學(xué)藥劑，而渠縣分廠栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)使用的緩蝕阻垢劑 KURITA ST-8690、黏泥控制劑KURITA F-7490、氧化性殺菌劑F9200都具有腐蝕性，可能引起嚴(yán)重的皮膚灼傷和眼損傷，對(duì)水生物毒性非常大，因而給循環(huán)水加藥、排污等操作的作業(yè)人員帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加工業(yè)廢水的產(chǎn)生量，造成對(duì)環(huán)境的污染。

3 結(jié) 論

(1) 從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、冷換設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況、成本及安全環(huán)保方面比較3種技術(shù)：3個(gè)分廠循環(huán)水水質(zhì)均較穩(wěn)定，無明顯結(jié)垢趨勢(shì)，各項(xiàng)指標(biāo)均能控制在工藝要求范圍內(nèi)。

(2) 從菌落數(shù)量及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備拆檢情況看，引進(jìn)分廠銅基觸媒防垢器殺菌除垢效果不理想，且該種技術(shù)未針對(duì)整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此不再對(duì)其他方面進(jìn)行比較。在抑制冷換設(shè)備結(jié)垢方面，渠縣分廠栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)效果最好，能夠很好地去除冷換設(shè)備的水垢并抑制其生成，同時(shí)對(duì)藻類、菌類的生長(zhǎng)也能很好地抑制，但在日常生產(chǎn)中要注意監(jiān)測(cè)鐵離子的濃度，避免對(duì)設(shè)備的腐蝕。其次是長(zhǎng)壽分廠旁路電解水處理技術(shù)(ECT)，能替代原“川天”系列循環(huán)水處理藥劑的殺菌除垢效果。在成本控制方面，以設(shè)備使用壽命周期內(nèi)計(jì)，ECT投入總費(fèi)用較栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)投入的總費(fèi)用低很多。在安全環(huán)保方面，渠縣分廠栗田工業(yè)循環(huán)水處理技術(shù)使用的化學(xué)藥劑都具有腐蝕性，對(duì)水生物毒性非常大，給進(jìn)行加藥、排污等操作的人員帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，增加工業(yè)廢水的產(chǎn)生量，對(duì)環(huán)境造成污染。

(3) 綜合比較3種循環(huán)水處理技術(shù)，旁流電解水處理技術(shù)(ECT)相比于另兩種循環(huán)水處理技術(shù)，在除垢殺菌、控制循環(huán)水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)、安全環(huán)保及運(yùn)行費(fèi)用方面總體效果較好，是目前天然氣凈化廠綜合性較優(yōu)的循環(huán)水處理技術(shù)。

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Researchoncirculatingwatertreatmenttechnologyinnaturalgaspurificationplant

YangYan,LuoQiang,FanQinchu,XuShaokun

ChongqingNaturalGasPurificationPlantGeneral,PetroChinaSouthwestOilandGasfieldCompany，Chongqing,China

Circulating water treatment is key technology for safe and smooth operation of natural gas purification plant circulating water system. The application effect of three kinds of water treatment technologies in natural gas purification plant were compared from field tests, the operation of cooling-heat transfer equipment, economic costs, safety and environmental protection. Experimental results showed that the water quality of circulating water from three branch factories are relatively stable, and the potential of scale or corrosion is not significant. From biofouling and scaling control in cooling-heat transfer equipment, industrial circulating water treatment technology provided by Kurita in Quxian branch factory was the best one, followed by electrolysis of water treatment technology (ECT) in Changshou branch factory, and copper-based catalyst was unsatisfied in Yinjin factory. In terms of cost control, the total cost of ECT is much lower than that of Kurita industrial circulating water treatment technology during service life of equipment. Considering safety and environmental protection, all chemicals used in Quxian branch Kurita industrial circulating water treatment technology are corrosive and toxic to aquatic organisms, posing security risks to the operating personnel adding chemicals or discharging sewage, increasing the yield of industrial wastewater and contaminating the environment. Comprehensive comparing the above three kinds of water treatment technologies, the lateral ECT is regarded as the optimal one in natural purification plant.

natural gas purification， circulating water treatment technology， application

TE992.2

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.022

2017-03-16；編輯鐘國利

楊艷(1980-)，女，學(xué)士,工程師,現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠，主要從事天然氣凈化工藝與分析工作。E-maiyangyanxn@petrochina.com.cn