天然气净化厂循环水处理新技术研究

杨 艳 罗 强 范秦楚 徐少堃

中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂

天然气净化厂循环水处理新技术研究

杨 艳 罗 强 范秦楚 徐少堃

中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂

循环水处理技术是天然气净化厂循环水系统安全平稳运行的关键。通过现场试验、冷换设备现场运行情况、成本及安全环保方面，对比3种循环水处理技术在天然气净化厂的应用效果。试验表明，3个分厂的循环水水质均较稳定，无明显结垢或腐蚀趋势。在杀菌、抑制冷换设备结垢方面，渠县分厂栗田工业循环水处理技术最好，其次是长寿旁路电解水处理技术(ECT)，引进分厂铜基触媒防垢器杀菌除垢效果不理想。在成本控制方面，以设备使用寿命周期内计，ECT投入总费用较栗田工业循环水处理技术投入的总费用低很多。在安全环保方面，渠县分厂栗田工业循环水处理技术使用的化学药剂都具有腐蚀性，对水生物毒性非常大，给进行加药、排污等操作的人员带来安全风险，增加工业废水的产生量，对环境造成污染。综合比较3种循环水处理技术，ECT是目前天然气净化厂综合性较优的循环水处理技术。

天然气净化 循环水处理技术 应用

在天然气净化厂中，循环水系统作为公用辅助系统，主要用于脱硫脱碳装置、脱水单元装置、硫磺回收装置冷换设备及机泵、空压机等主要设备的冷却。在开放式循环冷却水系统，由于冷却水的蒸发，循环水浓缩，离子浓度上升，使循环水有腐蚀、结垢、黏泥危害发生的倾向，从而使循环水质恶化，达不到循环水水质要求，不仅影响工艺装置冷换设备的换热效率，严重时还影响整个天然气净化装置的安全正常运行及产品质量[1]。

目前，工业循环水处理最常见的是化学处理法，通过使用杀菌剂、缓蚀剂、阻垢剂、复合水处理剂等对工业循环水进行处理，达到抑制腐蚀、结垢的目的[2]。虽然，化学处理法在现阶段工业循环水处理中是一种主要的方法，但是药品价格昂贵，每年消耗量巨大，并具有一定的危险性。不仅增加工业废水的产生量，同时给循环水加药、排污等操作的作业人员带来安全风险。

为进一步探索更优越的循环水处理技术，提高循环水处理效率及效果，节约运行成本，本文通过现场试验对比了旁流电解水处理技术(ECT)、新型缓蚀阻垢剂KURITA ST-8690处理技术和铜基触媒防垢技术在天然气净化厂循环水处理的效果。

1 3种循环水处理技术介绍

1.1长寿分厂旁流电解水处理技术(ECT)

重庆天然气净化总厂长寿分厂自2016年2月18日开始投用ECT装置，自旁滤器进口管线上分出一根管线进入ECT系统，控制循环水量的5%进入ECT处理，出口直接进入循环水池PT-3401(见图1)，同时不再投加ClO2、CT4-36、CT4-42等药剂。装置总循环水流量约300 m3/h，ECT系统流量约15 m3/h。结合生产实际，ECT工作电流一般设置在15 A，随着气温的升高，可逐渐调大电流以降低电导率，最高到20 A。现循环水浓缩倍数控制在3左右，并根据浓缩倍数，设定20 min刮垢1次，4 h排污1次。

ECT系统是在一个受控的反应室中提供一个受控的电解过程，用以除去循环水系统的钙镁离子，从而阻止系统管线和设备结垢，并同时控制细菌和藻类的滋生。反应器内部的钛基氧化镍涂层电极为阳极，反应器壁为阴极，反应过程中，水中的钙镁离子在阴极发生反应形成软质水垢附着在反应器壁上，并定时启动内置刮刀刮去后排出反应器[3]，其结构见图2。

反应室中维持的工作电流为直流10～25 A,在阴极(反应室内壁)附近形成高浓度的氢氧根，使易结垢的矿物质预先结垢，并从水中析出。在阳极，电流将一部分的氯离子转化成氯气，在冷却水中形成持续杀菌效果的次氯酸，同时也产生臭氧、氧自由基、氢氧根自由基和双氧水。这一系列产物提供了杀生效应，结合安培电流及局部高和低(阳极)pH值区域，维持了ECT内部一个实时的消毒环境。

1.2栗田工业循环水处理技术

重庆天然气净化总厂渠县分厂自2015年11月17日开始运用栗田工业循环水处理技术，原有ClO2、CT4-36、CT4-42药剂、加药装置不再使用，并在回水管线上安装电磁阀，循环水池内放置电导率检测仪(见图3)。装置设计循环量为500 m3/h，可根据工艺条件需要调整循环量，目前循环量约为250 m3/h。厂家设计中预想水质浓缩倍数为2.5，目前排污电导率设置为1 300 μs/cm，停止排污设置为1 260 μs/cm，加药时间为每小时加药10 min。

栗田工业循环水处理技术包含自动排污加药控制装置(CTR)、计量泵、排污电磁阀等设备。加药计量泵与循环水泵联动，当循环水泵启动时，计量泵受CTR控制程序或时控开关控制，目前设置为每小时加药时间为10 min，可根据分析数据调整加药量，计量泵出口连接软管为循环水系统实现自动加药；当循环水中电导率超过设定值后，电导仪发出信号，CTR将控制排污自动阀开启至设定值后关闭。使用的药品是缓蚀阻垢剂KURITA ST-8690、黏泥控制剂KURITA F-7490、氧化性杀菌剂F9200[4-5]。

1.3引进分厂铜基触媒防垢技术

重庆天然气净化总厂引进分厂铜基触媒防垢器安装在空气压缩机K-3301B循环水进口管线上(见图4)。

铜基触媒防垢器的核心部件采用一种特殊触媒合金材料制造，由7种具有不同电负性的金属元素高温化合制成，具有较强电负性[6]。当流体介质以一定的流速流经该触媒材料后，触媒材料可向流体释放电子，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，达到阻垢目的，同时也使溶液中的溶剂分子产生极化效应，形成溶剂分析的偶极子。极化后的偶极子与裸露金属表面将发生壁面效应(见图5)，使管壁金属表面沉积一定厚度的成垢离子耦合物，将管壁金属与流体系统隔开，在一定程度上起到了管壁防腐的作用。

阻垢仪还能够在滤芯与流体间形成弱电场，使已有的垢盐发生“大理石型”结构向“文石型”结构的转变，使已经板结的垢层逐渐松软脱落，达到管路系统除垢的目的。

2 3种技术对比分析

针对3种技术，采用现场实验室测试和现场监测相结合，按照国家标准规定对现场循环冷却水进行水质分析，如pH值、浊度、电导率、总碱度、总硬度、钾、钙、铁、菌落数等[7]。

2.1现场监测数据

根据表1中朗格利尔饱和指数[8]，3个分厂循环水水质均较稳定，无明显结垢或腐蚀趋势，各项指标均能控制在循环水水质要求范围内。从菌落数量看，引进分厂的铜基触媒防垢器杀菌效果较差。从铁离子浓度看，渠县分厂栗田工业循环水处理药剂对设备有一定的腐蚀,需要加强监测，合理投加化学药剂量。

表1 长寿分厂、渠县分厂、引进分厂循环水补充水分析数据Table1 Make⁃upwaterqualityinrecyclingcoolingsystemsofChangshoubranchfactory，Quxinbranchfactory，andYinjinbranchfactory项目pH值浊度/度电导率/(μs·cm-1)总碱度/(mg·L-1)总硬度/(mg·L-1)ρ(钾)/(mg·L-1)ρ(铁)/(μg·L-1)ρ(钙)/(mg·L-1)ρ(溶解性固体)/(mg·L-1)菌落数CFU/mLLSI长寿分厂循环水8．581178020180841．30222．015301801．73长寿分厂循环水补充水7．611446651925．2258．1354110-0．24渠县分厂循环水8．7498901594507．541480．0138．0208001301．54渠县分厂循环水补充水7．981325701812．1611．843．4248100．05引进分厂空压机循环水入口8．40317181414667．9949．7143．09532701．22引进分厂空压机循环水出口8．40210411314528．1671．9142．0117048001．18

2.2现场设备效果对比

2.2.1长寿分厂冷换设备拆检情况

长寿分厂凝结水冷却器E-1105腐蚀结垢情况如图6与图7所示。

2.2.2渠县分厂冷换设备拆检情况

渠县分厂冷换设备使用栗田工业循环水处理技术前后的腐蚀结垢情况如图8与图9所示。

2.2.3引进分厂空压机换热器拆检情况

引进分厂空压机换热器使用铜基触媒防垢器前后的腐蚀结垢情况如图10与图11所示。

从冷换设备使用3种技术后的结垢情况看，渠县分厂栗田工业循环水处理技术效果最好，能够很好地去除冷换设备的水垢并抑制其生成，同时对藻类、菌类的生长也能很好地抑制；其次为长寿分厂旁路电解水处理技术(ECT)，能替代原“川天”系列循环水处理药剂的杀菌除垢效果；而引进分厂铜基触媒防垢器除垢杀菌效果不明显。

2.3运行成本对比

由于铜基触媒防垢器使用效果不明显，故不进行成本对比分析。

ECT设计使用寿命为10～15年，栗田工业加药装置设计使用寿命为10年。因此，以10年为周期计算成本投入情况，ECT重要部件电极使用寿命为3～5年，以第4年更换计(见表2)。

表2 长寿分厂、渠县分厂循环水系统费用统计表Table2 CoststatisticsofcirculatingwatersysteminChangshoubranchfactoryandQuxianbranchfactory万元项目设备费用年运行费用1年投入总费用2年投入总费用3年投入总费用4年投入总费用5年投入总费用10年投入总费用旁路电解水处理技术(ECT)58．91．760．662．364．074．776．484．9栗田工业循环水处理技术4．814．719．534．248．963．678．3151．8

从表2可以看出，前4年ECT投入的总费用均比栗田工业循环水处理技术投入的总费用高，但从第5年开始，ECT投入的总费用逐渐比栗田工业循环水处理技术低，在设备使用寿命周期内，ECT投入总费用较栗田工业循环水处理技术投入的总费用低很多。

2.4安全环保方面

长寿分厂旁路电解水处理技术与引进分厂铜基触媒防垢技术均属于电子除垢设备，在日常操作中不使用化学药剂，而渠县分厂栗田工业循环水处理技术使用的缓蚀阻垢剂 KURITA ST-8690、黏泥控制剂KURITA F-7490、氧化性杀菌剂F9200都具有腐蚀性，可能引起严重的皮肤灼伤和眼损伤，对水生物毒性非常大，因而给循环水加药、排污等操作的作业人员带来安全风险，同时增加工业废水的产生量，造成对环境的污染。

3 结 论

(1) 从现场试验、冷换设备现场运行情况、成本及安全环保方面比较3种技术：3个分厂循环水水质均较稳定，无明显结垢趋势，各项指标均能控制在工艺要求范围内。

(2) 从菌落数量及现场设备拆检情况看，引进分厂铜基触媒防垢器杀菌除垢效果不理想，且该种技术未针对整个循环水系统进行设计，因此不再对其他方面进行比较。在抑制冷换设备结垢方面，渠县分厂栗田工业循环水处理技术效果最好，能够很好地去除冷换设备的水垢并抑制其生成，同时对藻类、菌类的生长也能很好地抑制，但在日常生产中要注意监测铁离子的浓度，避免对设备的腐蚀。其次是长寿分厂旁路电解水处理技术(ECT)，能替代原“川天”系列循环水处理药剂的杀菌除垢效果。在成本控制方面，以设备使用寿命周期内计，ECT投入总费用较栗田工业循环水处理技术投入的总费用低很多。在安全环保方面，渠县分厂栗田工业循环水处理技术使用的化学药剂都具有腐蚀性，对水生物毒性非常大，给进行加药、排污等操作的人员带来安全风险，增加工业废水的产生量，对环境造成污染。

(3) 综合比较3种循环水处理技术，旁流电解水处理技术(ECT)相比于另两种循环水处理技术，在除垢杀菌、控制循环水水质各项指标、安全环保及运行费用方面总体效果较好，是目前天然气净化厂综合性较优的循环水处理技术。

[1] 杨洋. 天然气处理厂循环冷却水工艺设计及存在问题分析[J]. 资源开发与市场， 2010， 26(9)： 779-781.

[2] 蔡世军， 赵心义， 王莹莹. 循环冷却水节水技术研究进展[J]. 工业水处理， 2009, 29(3)： 4-7.

[3] 银海洁(北京)水处理技术有限公司. 重庆天然气净化总厂长寿天然气净化厂循环冷却水冷却塔旁流处理系统技术方案[Z]. 2014.

[4] 栗田工业(大连)有限公司. 重庆天然气净化总厂渠县分厂开放冷却水系统技术方案[Z]. 2015.

[5] 王月, 李富元, 雷宇, 等. 净化厂循环水系统再生水回用的腐蚀控制[J]. 石油与天然气化工, 2015, 44(5): 121-124.

[6] 南京超旭节能有限公司. 铜基触媒防垢器说明书[Z]. 2015.

[7] 中华人民共和国建设部. 工业循环冷却水处理设计规范: GB 50050-2007[S]. 北京： 中国计划出版社， 2008.

[8] 高强， 张凌峰， 李晨光， 等. 循环冷却水水质稳定性判断方法的研究综述[J]. 工业水处理， 2011, 31(10)： 20-23.

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；编辑钟国利

杨艳(1980-)，女，学士,工程师,现就职于中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂，主要从事天然气净化工艺与分析工作。E-maiyangyanxn@petrochina.com.cn