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煉油廠水質(zhì)監(jiān)測：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如何影響水質(zhì)、合規(guī)性和水的重復(fù)利用
介紹
煉油廠必須密切控制其用水并監(jiān)測水質(zhì)，確保平穩(wěn)高效運(yùn)行。煉油廠平均消耗大約1.5桶水來對1桶原油進(jìn)行沖洗(1)。因此，從進(jìn)水到排水對水進(jìn)行數(shù)量和質(zhì)量管理對于工藝控制、效率和合規(guī)性至關(guān)重要。裝置需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來做出快速決策，以保護(hù)設(shè)備，優(yōu)化工藝并滿足法規(guī)要求。這些決策和工藝改進(jìn)可以節(jié)省大量成本和時(shí)間，并推動水重復(fù)利用和循環(huán)策略。
煉油廠用水
在煉油廠或石化聯(lián)合企業(yè)中，用水類型多種多樣，從高鹽水到污水再到純蒸汽冷凝液。對于這些不同類型的水，可靠監(jiān)測和跟蹤水質(zhì)有不同的要求并面臨著不同的挑戰(zhàn)。例如，現(xiàn)場的許多工藝都需要冷卻或加熱用水。這包括冷卻塔用水、密閉式循環(huán)冷卻水、一次性冷卻水以及用于發(fā)生蒸汽的鍋爐給水(1)。蒸汽系統(tǒng)需要非常潔凈的鍋爐給水，以較大程度地減少污垢和結(jié)垢。如果裝置能夠快速確定水的純度是否會受到影響，則可以避免設(shè)備損壞和計(jì)劃外停車。需要設(shè)置在這些應(yīng)用中能夠可靠地監(jiān)測水質(zhì)并提供響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析儀器，以支持快速決策。
通過TOC對水進(jìn)行監(jiān)測
通過監(jiān)測總有機(jī)碳（TOC），可以對整個(gè)煉油廠用水中有機(jī)物進(jìn)行跟蹤。可以在實(shí)驗(yàn)室檢測在整個(gè)設(shè)施的不同取樣點(diǎn)所獲得樣品中的TOC，也可以實(shí)施TOC在線監(jiān)測。所有TOC分析儀將有機(jī)化合物氧化成CO2，然后檢測產(chǎn)生的CO2的量。基于最終用途，有多種類型的氧化和檢測方法可以采用。監(jiān)控TOC的一個(gè)主要優(yōu)勢在于能夠通過連續(xù)監(jiān)測做出實(shí)時(shí)決策。與需要數(shù)小時(shí)乃至數(shù)日才能獲得結(jié)果的化學(xué)需氧量（COD）或生化需氧量（BOD）等需氧量法相反，TOC分析儀可在數(shù)分鐘內(nèi)提供所需的信息。TOC直接檢測有機(jī)污染物負(fù)荷量、變化和脫除率，這是故障排除的關(guān)鍵，并有助于做出可行的決策。通過TOC，煉油廠能夠：
與其它方法相比，更快地捕獲所有關(guān)鍵污染物數(shù)據(jù)；
直接監(jiān)測有機(jī)化合物的負(fù)荷量和脫除率；
跟蹤由于泄漏或其它工藝紊亂而導(dǎo)致的變化；
確保對整個(gè)裝置實(shí)施質(zhì)量控制，提供準(zhǔn)確結(jié)果。
圖1：石油煉化工藝中的有機(jī)物監(jiān)測
從一開始，原水水質(zhì)就在處理或使用原水的每一下游工藝中起著重要作用。通過監(jiān)測有機(jī)物來跟蹤質(zhì)量變化，可以提供有關(guān)如何對水進(jìn)行處理的關(guān)鍵信息。原水可來自海洋、河流或湖泊、地下水含水層，或與冷凝水回水合并。回水質(zhì)量可能會因生產(chǎn)而發(fā)生變化，自然水源也可能會隨著季節(jié)和暴風(fēng)雨的變化而變化。
有時(shí)將原水與冷凝水回水合并用作鍋爐補(bǔ)給水。鍋爐補(bǔ)給水必須非常純凈，以保護(hù)鍋爐和汽輪機(jī)等設(shè)備，同時(shí)還可以高效地提供蒸汽。為避免在鍋爐高溫和高壓條件下有機(jī)物降解為酸或其它離子，高度靈敏的檢測至關(guān)重要。許多煉油廠將TOC維持在1 ppm以下，甚至低于100 ppb，以保護(hù)設(shè)備。需要進(jìn)行監(jiān)測的關(guān)鍵特性包括在極低檢測限值時(shí)的穩(wěn)定性、確定真實(shí)污染事件的響應(yīng)性和準(zhǔn)確性以及即使在pH值或樣品電導(dǎo)率發(fā)生變化的情況下也能捕獲所有有機(jī)物信息的優(yōu)異技術(shù)。在這類情況下，將有機(jī)物因素與離子因素分開是準(zhǔn)確檢測的關(guān)鍵，也是避免因樣品中其它離子或通過氧化產(chǎn)生的離子引起的假陽性或陰性的關(guān)鍵。有機(jī)物采用膜電導(dǎo)率檢測側(cè)重于監(jiān)測真實(shí)TOC，而不會存在任何干擾。即使在很短的時(shí)間內(nèi)，低下的熱性能也可能致使裝置花費(fèi)數(shù)百萬美元。
在德克薩斯州，一家煉油廠因蒸汽冷凝液被污染，從而導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢和計(jì)劃外停車。最初采用的監(jiān)控技術(shù)是將熱的冷凝水從現(xiàn)場帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評估，但這既不能捕獲到污染事件，也無法通知操作人員進(jìn)行調(diào)整。通過實(shí)施實(shí)時(shí)熱冷凝水監(jiān)測，煉油廠就能夠?qū)χ苯尤舆M(jìn)行評估并更好地保護(hù)資本設(shè)備。這還會延長裝置的生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間。使用在線TOC監(jiān)測熱的冷凝液，可以準(zhǔn)確、可靠地捕獲碳?xì)浠衔锏男孤┦录?/span>。數(shù)據(jù)顯示正常濃度約為2 mg/L。如果發(fā)生小污染事件，濃度約為20-40 mg/L，對于大污染事件，將使?jié)舛壬?00 mg/L。
在煉油廠，同樣使用水并從許多加工步驟中將水分離出來。必須對原油沖洗脫鹽裝置用水進(jìn)行有效管理，以免損壞下游設(shè)備。必須脫除固體和鹽分，油水分離對于優(yōu)化生產(chǎn)至關(guān)重要。蒸汽汽提和分餾的酸性水是現(xiàn)場另一種具有挑戰(zhàn)性的水。通常，汽提水及酸性水通常含有大量H2S和NH3，但其它污染物會導(dǎo)致結(jié)垢、腐蝕或起泡。現(xiàn)場使用的其它工藝用水包括脫氫、洗滌和催化再生應(yīng)用(2)。
為了避免設(shè)備損壞或裝置停車，必須首先跟蹤、分離和脫除污染物。TOC快速簡單，用于檢測工藝水中的碳?xì)浠衔锛捌浞纸猱a(chǎn)物。對這種具有挑戰(zhàn)性的工藝水進(jìn)行監(jiān)測需要采用具有優(yōu)異技術(shù)的手段，從而應(yīng)對各種有機(jī)物、高鹽、樣品不斷變化的pH值和電導(dǎo)率，同時(shí)能夠進(jìn)行沖洗或稀釋，以延長維護(hù)周期。能夠適合于高鹽應(yīng)用而又無需頻繁更換硬件部件并不以其它方式來犧牲性能（準(zhǔn)確性和精確性）的有機(jī)物監(jiān)測技術(shù)很少見。不過，超臨界水氧化等方法是專為高鹽應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。通過采用該技術(shù)，鹽不會干擾或影響氧化。當(dāng)用于工藝監(jiān)測時(shí)，TOC有助于建立基線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，從而操作人員可立即采取糾正措施。
當(dāng)從設(shè)施各工藝將水收集后，必須在排放前對其進(jìn)行處理。典型的處理包括一級沉降、活性污泥和二級生物處理。對廢水進(jìn)水特性進(jìn)行監(jiān)測有助于控制工藝，以確保生物處理部分充分分解污染物，然后再進(jìn)行進(jìn)一步處理。不斷發(fā)展的趨勢是采用效率更高的處理技術(shù)，如膜生物反應(yīng)器結(jié)合了物理和生物處理。此外，厭氧生物處理需要穩(wěn)定的水質(zhì)，以較大程度地提高性能并優(yōu)化熱量產(chǎn)生以滿足設(shè)施其它加熱需求。下游處理還可能涉及反滲透和結(jié)晶，以便處理過量的鹽分。
越來越多的污水處理設(shè)施不再僅僅監(jiān)測排放水質(zhì)，還開始監(jiān)測污水處理過程的上游，以檢查整個(gè)污水處理廠進(jìn)水發(fā)生了什么變化，峰值或高負(fù)荷量來自何處以及這些可能對下游處理造成何種影響。如果負(fù)荷量增大，在水污染物濃度較低的時(shí)段，通常可利用緩沖池或均衡池通過計(jì)量將水緩慢回流到工藝流程中。盡管許多工業(yè)排放許可證都是基于COD作為污染的衡量標(biāo)準(zhǔn)而編寫，但COD很難用于工藝決策，同時(shí)很難對工藝廢水變化做出快速響應(yīng)。COD通常需要2-3個(gè)小時(shí)才能獲得結(jié)果，并使用危險(xiǎn)化學(xué)品。由于COD檢測的是樣品對氧氣的化學(xué)吸收，因此許多不同的物種都會對COD產(chǎn)生影響，包括有機(jī)和無機(jī)化合物，并且其中幾種會造成干擾，如亞硝酸鹽、亞鐵和氯化物。有機(jī)物對COD的影響不均等，有些耐化學(xué)氧化，如苯。相反，TOC能夠在數(shù)分鐘內(nèi)獲得結(jié)果，從而做出實(shí)時(shí)決策，同時(shí)能夠直接檢測廢水處理設(shè)施中的有機(jī)物負(fù)荷量、分離效果和脫除率。
煉油廠廢水普遍含有大量懸浮固體，含鹽，pH值不斷發(fā)生變化并存在各種有機(jī)污染物，因此需要一種強(qiáng)大的氧化技術(shù)來捕獲污染物的負(fù)荷量和變化，但同時(shí)還能夠應(yīng)對樣品的復(fù)雜性。這種高效捕獲所有有機(jī)物的技術(shù)就是高溫、非催化燃燒，其能夠?qū)崿F(xiàn)氧化，而不用擔(dān)心催化劑降解或效率會隨著時(shí)間推移而降低。通過提供總氮（TN）或揮發(fā)性有機(jī)碳（VOC）檢測器（對于某些廢水而言，TN和VOC是兩個(gè)重要的監(jiān)測參數(shù)），可以進(jìn)一步增強(qiáng)廢水的處理效果。在這些情況下，不僅需要找到合適的分析工具，而且還要找到合適的支持合作伙伴，從而使設(shè)施專注于其運(yùn)行，而設(shè)備制造商可以提供充分的分析支持。
通過在現(xiàn)場對水進(jìn)行循環(huán)利用，煉油廠可以大大減少總水足跡，并實(shí)現(xiàn)更具可持續(xù)性的水平衡。其它優(yōu)勢包括節(jié)省能源處理成本，減少需要處理的廢水量以及遵守相關(guān)法規(guī)或準(zhǔn)則。
水質(zhì)是現(xiàn)場水循環(huán)利用或?qū)U水排放到污水處理設(shè)置的決定性因素，因此煉油廠需要快速獲得這些信息。以往，由于監(jiān)測技術(shù)不夠快和/或無法提供可信賴的數(shù)據(jù)，污染事件難以實(shí)時(shí)監(jiān)測。現(xiàn)在，TOC分析能夠提供快速、定量數(shù)據(jù)來檢測可能影響設(shè)備、工藝和/或產(chǎn)品的有機(jī)物負(fù)荷量偏差。
結(jié)論
煉油廠水足跡很大，主要用于冷卻和加熱。其它主要工藝步驟也會加大用水量。水質(zhì)監(jiān)測有助于推動水循環(huán)利用、廢水處理和工藝決策，以管理和較大程度地減少水足跡，同時(shí)還符合法規(guī)要求。大多數(shù)進(jìn)入水系統(tǒng)的污染物來自天然有機(jī)物，主要產(chǎn)品為有機(jī)物，主要排放許可證所關(guān)注的也是有機(jī)物含量，TOC檢測為實(shí)時(shí)決策和改進(jìn)工藝控制提供了一種有效的方法。很顯然，從河流取水到向河流排水，在整個(gè)煉油廠對有機(jī)物進(jìn)行直接監(jiān)測對于運(yùn)營效率、成本管理和工廠可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。
參考文獻(xiàn)