电解水处理技术在循环水系统中的应用

张卫东

（中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300000）

0 背景

循环冷却水用量约占工业用水总量的80%～90%，可直接提高水院利用效率，达到节省水资源的目的。 但是工业循环冷却水随着重复使用次数的增加，水中盐类被浓缩。循环冷却水的浓缩倍数越高，水中所含的金属离子浓度也越高。再加上冷却水与大气充分接触，溶解氧、灰尘和细菌含量大大增加，导致循环冷却水系统容易出现三大弊病：结垢、腐蚀和菌藻滋生[1]。

冷却水中金属离子的盐类（主要是钙、镁离子的碳酸盐类）在热交换器被冷却表面沉积结垢，堵塞管道，并形成腐蚀。菌藻滋生并伴随尘土会产生粘泥，在堵塞设备的同时加重腐蚀。这些情况严重时会造成重大事故，使生产不能正常运行，直接经济损失巨大。

天津石化公司聚醚部循环冷却水系统换热器HE-1555两侧管箱内结垢严重、6根换热管已经阻塞，3根发生内部穿孔泄漏。拆开换热器发现：在冷却器的管板上存在大量黄褐色或者砖红色鼓包，鼓包下面是黑色粉末状物质的腐蚀产物。换热器拆开后如图1所示。

图1 换热器管板腐蚀穿孔

此次换热器腐蚀穿孔不仅影响了循环水质，也造成了严重的安全隐患，制定有针对性控制措施势在必行。

HE-1555换热器管板上的结垢物结晶主体存在Fe3O4（卡片号为19-0629）、FeOOH（卡片号为16-0713）和SiO2（卡片号为46-1045）和微量硫元素。分析结果如图2所示。

1 聚醚部循环水系统介绍

1.1 系统基本情况

循环冷却水系统主要为聚醚产品进行冷却，系统由18台换热器、循环水泵、循环水池和冷却塔构成。设备材质均为碳钢。水质分析结果显示：浓缩倍数约为6。循环冷却补充水由给水提升系统供给。工艺流程图如图3所示。

图3 循环水系统流程简图

1.2 工艺参数

表1 循环水系统的主要参数

1.3 补加水、循环水水质分析

对循环水系统补加水、循环水进行现场取样，并进行实验室分析，分析结果如下：

现场循环冷却水的水型均为氯化钙型，工业循环冷却水随着重复使用次数的增加，水中盐类被浓缩。循环冷却水的浓缩倍数越高，水中所含的金属离子浓度也越高。并且循环水系统内的流速也较慢，很容易形成腐蚀和结垢环境。

表2 补加水水样分析结果

2 电解水技术

为了解决换热器堵塞、结垢和腐蚀穿孔问题，聚醚部引进了电解水处理技术。现场应用的技术为电解水原理，其主要原理如下。

电解处理循环水技术通过旁通处理的方式，取一定比例的冷却循环水首先经过过滤器，而后流过电解水反应室，以便除掉适当的机械杂质，紧接着在反应室内除掉适当的矿物质和杀死细菌，然后流回循环水冷却塔中。该技术发生的化学反应区别于任何一种其他的机械方法和电磁处理方法。通过电解，水中的矿物质在电解反应室内壁上沉淀出来并通过机械装置去除。反应室内维持一定的工作电流，结果是：在阴极（反应室内壁）附近形成高浓度的氢氧根，这种升高的pH（pH值大约为13），让容易结垢的矿物质预先结垢，并从水中析出。实际上，该处理过程与石灰处理形成冷石灰软化环境 类似。

表3 循环水水样分析结果

同时，电流也将一小部分的氯离子转化为游离氯，部分氢氧根氧化成微量臭氧。这两个产物提供了杀菌效应，结合安培电流及局部高的和低的（阳极）pH值区域，维持了电解反应室后面一个事实上的消毒环境。根据水蒸发浓缩过程中带来的水中碳酸钙饱和指数（LSI）的变化，将碳酸钙控制在过饱和状态，在管道和设备内壁形成很薄的保护层，从而保护管道和设备不和冷却水中的溶解氧接触，防止腐蚀现象的发生。同时，电解反应室内部可以除掉冷却水中铁、铜离子以及其他重金属离子，水结垢物一起排到循环水系统之外，而这些离子是加速腐蚀的罪魁祸首。

在反应室内壁（阴极）附近发生的主要化学反应是[2]：

在碱性溶液中发生的反应（阴极附近）：

Ca2+（aq）可能形成氢氧化钙Ca（OH）2垢，CaCO3垢。

阳极附近发生的化学反应有：

现场安装照片如图4所示。

图4 电解循环水处理现场安装设备图

在电解反应室内把部分水垢以固体形式在电解水反应室内预先析出排出冷却系统之外，冷却水的浓缩倍率可以做得更高，从而节约大量新鲜补充水。而且在整个电解水处理过程中，无需添加任何化学药剂，电解水反应室内刮垢和清洗排放水除了水垢和固体杂质外，没有任何危害成分，因此简单沉淀后可以用于景观绿化或者清洗用水，同时也就不会向水体排放任何污染物，节省了大量的化学 药剂。

该系统对补充水的依赖程度主要体现在：

（1）[F-]对系统的影响，可能影响到电极 寿命；

（2）水中COD对系统的影响，可能影响电解 效率。

因此，在应用该系统前，一定要对补充水进行全面的水质分析，确定其含有较低的[F-]和COD。

电解室是电解循环水装置的核心部件，其中主要发生电解反应的部件是电极，目前其设计寿命大于3年。

3 应用效果

2014年09月安装运行电解水处理系统，目前循环水量70m3/h，进入电解系统的水量为总水量的5%～10%。在未使用该套设备前，换热器内粘泥附着严重，如图5所示。

图5 换热器污泥结垢图

目前循环水系统运行良好，水质较清澈，据现场人员反馈：停产拆开换热器后内部结垢/污泥非常少，只需轻轻用清水一冲即可，而以前是需要用高压水枪进行强力清洗的，电解循环水设备应用后，大大降低了劳动强度。拆开后换热器照片如图6所示。

图6 应用电解装置后换热器拆开状态

为了确保电解系统稳定安全地运行，维修工人需定期采用电极刷将电极表面的污垢刷掉，同时配合表面气泡的搅动以及液量的高流速，确保了污垢都沉积与反应室底部，而不会附着于电极表面。

4 结论与建议

4.1 结论

电解循环水处理装置原理可行，实际运行情况良好，可以有效控制循环水系统结垢，腐蚀，菌藻滋生，水质恶化，浓缩倍数超标等问题，使循环水系统始终处于优良稳定状态。

4.2 建议

（1）电解循环水设备是依靠垢吸附于金属表面起到部分防腐效果，因此建议在循环水系统启动前，为了确保化学药剂和薄垢附着于洁净金属表面，建议对循环水系统进行清洗和预膜；

（2）电解循环水设备由电解水质有某些特殊要求，建议对循环水补水水质进行全面分析，重点检测[ F-]和COD；

（3）电解循环水系统稳定后，建议尝试采用生产污水作为循环冷却水补充水源，为国家节能减排做出贡献。