煤化工項目中的在線水質分析儀主要應用在水處理及熱電鍋爐系統, 其適用性對裝置的安全、節能、環保運行極其重要。論述了煤化工在線水質分析儀的選型原則, 結合工程實例介紹了pH值與電導率分析儀、溶解氧與濁度分析儀、COD與NH3-N分析儀等在線水質分析儀的選型, 并結合現場實際應用中存在的問題, 提出了改造措施。

在線水質分析儀能夠實時監測水質變化并及時遠傳至DCS系統, 提高測量的穩定性及工藝的可操作性, 同時降低傳統離線實驗室測量過程中由于運輸過程影響而導致的測量誤差, 減少人工維護量。煤化工工藝水質污染程度高、控制要求嚴格, 為了降低設備運行安全風險及環境污染, 在線水質分析儀得到了廣泛應用。本文就煤化工在線水質分析儀的選型原則進行論述, 介紹煤化工水處理及熱電鍋爐系統在線水質分析儀選型, 并結合現場實際應用中存在的問題, 提出了改造措施。

1.在線分析儀的選型

煤化工熱電鍋爐系統對于給水p H值、DO、電導率要求較高, 是保證熱電系統安全、經濟運行的重要保障, 而煤化工工藝污水污染嚴重、顆粒物較多、高COD、高NH₃-N, 準確地測量其值為減少工藝管道腐蝕、結垢及達標排放奠定基礎。針對上述工藝特點, 在線分析儀的合理選型尤為關鍵。在線水質分析儀的選型原則主要通過工藝監測要求、介質特性、儀表精度、穩定性、維護量、價格成本等因素考慮。選型范圍為性價比較高、滿足現場使用、得到行業認可的國外及國內品牌。

1.1 p H值與電導率分析儀

p H值是以電極電位法原理測量水樣中的酸堿度, 主要監測脫鹽水外送、廢水中和、鍋爐給水等。選型時通過比較p H探頭的應用環境、使用周期、測量準確性、價格成本、玻璃電極耐腐蝕性等進行綜合考慮, 現場污水系統選擇E+H CPS系列復合電極, 熱電系統選取HGY2018系列電極。

電導率是監測溶液的導電度, 主要監測精制水外送、蒸汽冷凝液、鍋爐給水等。對于精制水控制范圍一般在0~10μS/cm, 爐水控制在0~60μS/cm, 因此通過比較電導表的測量精度、應用條件、測量穩定性及維護成本, 精制水選擇Hach 8362系列, 爐水選擇了國產2022系列。

1.2 DO與濁度分析儀

DO分析儀是通過測量水樣中溶解分子態的O₂經過膜擴散與電極產生電流的原理。鍋爐除氧器給水DO控制精度高, 在0~20μg/L, 污水SBR池水質較差、成分復雜、對DO電極損耗較大, 由于溶解氧測量值參與加藥系統控制, 借鑒相關工廠經驗及廠家業績, 選擇的是E+H Oxymax隔膜滲透型的DO電極及配套CM442變送器測量, 同時CM442變送器具有多參數測量, 可同時顯示p H值、DO值, 起到了公用監測顯示, 降低了使用成本。

濁度分析儀是通過測量入射光在水樣懸浮散射與入射光成90°的吸收光被光電池檢測強度的原理。Hach 9210濁度儀得到了業界的認可, 測量穩定、精度高、維護量少、且其易耗件光源燈價格較便宜。

1.3 COD與NH₃-N分析儀

COD、NH₃-N是監測水質污染及環保外排指標重要參數, 同時也是污水行業應用難題, 主要有分光度比色及紫外吸收照射法2種原理, 分光度比色法需要配制試劑參與反應測量, 容易產生二次污染、維護量較大、儀表穩定性及重復性一般, 屬于國標測量方法, 而紫外吸收法可直接插入管道測量、無需專門維護、減少維護成本及污染源, 但不屬于國標法。針對現場工藝, 選擇了2套SysteaμMAC分光度法和2套Hach Uvas紫外吸收法應用于COD現場測量, 3套Systea分光度比色法用于NH₃-N現場測量。Systea系列產品穩定性較好、維護簡單、對于污水的抗干擾能力較強、儀表運行周期較長。Hach Uvas紫外技術正被逐漸地推廣使用, 整體使用情況較好, 滿足現場工藝需求。

1.4 硅酸鹽與磷酸鹽分析儀

硅酸鹽與磷酸鹽分析儀的測量原理較為相似, 都是使用鉬酸鹽分光比色法測量, 分別應用于測量脫鹽水及爐水鹽離子含量。由于鹽離子對設備管道的腐蝕較為嚴重, 為了提高生產安全性, 對2種鹽酸根測量精度要求比較高, 同時為了節約成本, 需1臺儀器可以實現多路自動切換測量, 根據工藝特點的需求, 同時考慮到儀器的選型盡量統一, 為日后廠家的指導與維護提供了方便, 選擇了2套Hach 9210硅表及2套磷表測量儀并根據測量值參與加藥系統控制, 此分析儀準確、穩定、重復性都比較好。

2 加藥系統典型控制方案

2.1 污水SBR池加藥控制方案

污水SBR池運行需要投加碳源及曝氣提高微生物的分解代謝作用, 經過不斷地優化設計, 現階段根據NH₃-N及DO測量值通過DCS系統PID閉環整合調節甲醇加藥量及曝氣風機曝氣量, 減少了運行成本。通過查閱設計資料及廢水處理工藝操作流程, 得知甲醇加藥量公式如下:

式中:C_m———甲醇投加量, mg/L;

No———厭氧初始NO₃-N質量濃度, mg/L;

Ni———厭氧初始NO₂-N質量濃度, mg/L;

DO———厭氧初始溶解氧質量濃度, mg/L。

甲醇投加量控制方案如圖1所示, 曝氣風機曝氣量控制如圖2所示。

圖1 甲醇投加量控制方案

圖2 曝氣機曝氣量控制方案

2.2 鍋爐除氧器及爐水加藥控制方案

為了確保鍋爐的給水品質, 需要加聯氨控制給水p H值在8.8~9.3內, 防止由于p H值過低或過高引起管道腐蝕;同樣, 為了保證爐水品質, 需要投加磷酸鹽控制PO₄質量濃度在2~8 mg/L, 以去除爐水中Ca、Mg等陽離子。

因此, 分別設計1套以給水p H值及爐水PO₄為目標值, 通過PID控制器運算控制變頻器輸出來調節加藥泵的轉速, 從而有效地控制加藥量。爐水磷酸鹽加藥控制方案如圖3所示。

圖3 爐水磷酸鹽加藥控制方案

3 技改措施

3.1 污水自動取樣改造

使用過程中發現污水COD分析儀數據波動較大、準確性較低、故障率較高。研究后發現由于污水綜合調節池是6 m深的半地下結構, 經過2次過濾后測量, 也不能完全除去水中的雜質及懸浮物, 這對儀器的備件消耗及測量準確性產生嚴重影響, 并且由于潛水泵在池底被長期的腐蝕, 導致電纜密封圈泄漏進水燒壞潛水泵繞組無法工作。根據現場情況, 設計了1套以蠕動泵代替潛水泵并帶有反沖洗、反吹掃的自動取樣系統來降低COD測量過程中的干擾因素, 現階段運行半年, 基本穩定。改造措施如圖4所示。

圖4 污水取樣預處理改造措施

3.2 脫鹽水硅表改造

脫鹽水1臺硅表測量4套混床, 另1臺測量2套陰床及外送水, 每臺硅表能夠實現4路自動切換測量, 正常混床及外送值為10μg/L, 陰床值為100μg/L。長期運行發現外送硅含量測量值一直高于正常值, 且儀器運行無故障, 后分析由于外送水樣在測量階段水樣清洗時沒完全清凈陰床測量, 存留少量水樣, 因而產生干擾, 導致測量值偏高。考慮因1個測量點而單獨采購1臺硅表成本高, 而硅表測量不準導致系統運行故障損失更是慘重。根據工藝運行規律, 混床C套與混床D套1用1備, 現將2套混床并用于一路, 騰出一路用于外送測量, 同時在2套混床取樣管線各自增加1液位檢測器及電磁閥, 通過液位監測控制電磁閥切斷測量。改造后, 解決了外送硅含量測量不準問題。硅表改造措施如圖5所示。

圖5 硅表改造措施

3.3 汽水取樣系統改造

爐水取樣在540℃、0.4 MPa下進行, 因此分析儀在測量之前首先進行2次降溫減壓控制, 但在調試運行一段時間后, 發現水樣測量溫度一直超過40℃, 導致p H值、電導率等分析儀測量誤差大, 消耗成本較高, 更換周期短, 同時對鍋爐系統的運行存在潛在危險。針對該情況, 對汽水取樣系統加以整改, 增加了恒溫冷卻系統, 在渦旋壓縮機內充R22制冷劑, 通過R22制冷劑的蒸發吸熱原理將監測的水樣穩定在25℃左右, 保證了化學儀表的在線測量準確性。現投用水樣溫度在25~28℃內較穩定。汽水取樣裝置改造措施如圖6。

圖6 汽水取樣改造措施

4 結語
煤化工污水處理及熱電鍋爐系統在線水質分析儀, 對工藝流程的安全、節能、環保運行起到極其重要的作用。在線水質分析儀的選型應綜合考慮工藝監測要求、介質特性、儀表精度、穩定性、維護量、價格成本等因素, 應重視在線水質分析儀的日常保養、維護, 進一步提高儀器的完好率與準確率。

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