介紹
煉油廠必須密切控制其用水并監測水質，確保平穩高效運行。煉油廠平均消耗大約1.5桶水來對1桶原油進行沖洗(1)。因此，從進水到排水對水進行數量和質量管理對于工藝控制、效率和合規性至關重要。裝置需要實時數據來做出快速決策，以保護設備，優化工藝并滿足法規要求。這些決策和工藝改進可以節省大量成本和時間，并推動水重復利用和循環策略。
煉油廠用水
在煉油廠或石化聯合企業中，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，可靠監測和跟蹤水質有不同的要求并面臨著不同的挑戰。例如，現場的許多工藝都需要冷卻或加熱用水。這包括冷卻塔用水、密閉式循環冷卻水、一次性冷卻水以及用于發生蒸汽的鍋爐給水(1)。蒸汽系統需要非常潔凈的鍋爐給水，以較大程度地減少污垢和結垢。如果裝置能夠快速確定水的純度是否會受到影響，則可以避免設備損壞和計劃外停車。需要設置在這些應用中能夠可靠地監測水質并提供響應數據的分析儀器，以支持快速決策。
通過TOC對水進行監測
通過監測總有機碳（TOC），可以對整個煉油廠用水中有機物進行跟蹤。可以在實驗室檢測在整個設施的不同取樣點所獲得樣品中的TOC，也可以實施TOC在線監測。所有TOC分析儀將有機化合物氧化成CO2，然后檢測產生的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。監控TOC的一個主要優勢在于能夠通過連續監測做出實時決策。與需要數小時乃至數日才能獲得結果的化學需氧量（COD）或生化需氧量（BOD）等需氧量法相反，TOC分析儀可在數分鐘內提供所需的信息。TOC直接檢測有機污染物負荷量、變化和脫除率，這是故障排除的關鍵，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，更快地捕獲所有關鍵污染物數據；
直接監測有機化合物的負荷量和脫除率；
跟蹤由于泄漏或其它工藝紊亂而導致的變化；
確保對整個裝置實施質量控制，提供準確結果。
圖1：石油煉化工藝中的有機物監測
從一開始，原水水質就在處理或使用原水的每一下游工藝中起著重要作用。通過監測有機物來跟蹤質量變化，可以提供有關如何對水進行處理的關鍵信息。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。回水質量可能會因生產而發生變化，自然水源也可能會隨著季節和暴風雨的變化而變化。
有時將原水與冷凝水回水合并用作鍋爐補給水。鍋爐補給水必須非常純凈，以保護鍋爐和汽輪機等設備，同時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物降解為酸或其它離子，高度靈敏的檢測至關重要。許多煉油廠將TOC維持在1 ppm以下，甚至低于100 ppb，以保護設備。需要進行監測的關鍵特性包括在極低檢測限值時的穩定性、確定真實污染事件的響應性和準確性以及即使在pH值或樣品電導率發生變化的情況下也能捕獲所有有機物信息的優異技術。在這類情況下，將有機物因素與離子因素分開是準確檢測的關鍵，也是避免因樣品中其它離子或通過氧化產生的離子引起的假陽性或陰性的關鍵。有機物采用膜電導率檢測側重于監測真實TOC，而不會存在任何干擾。即使在很短的時間內，低下的熱性能也可能致使裝置花費數百萬美元。
在德克薩斯州，一家煉油廠因蒸汽冷凝液被污染，從而導致設備結垢和計劃外停車。最初采用的監控技術是將熱的冷凝水從現場帶到實驗室進行評估，但這既不能捕獲到污染事件，也無法通知操作人員進行調整。通過實施實時熱冷凝水監測，煉油廠就能夠對直接取樣進行評估并更好地保護資本設備。這還會延長裝置的生產運行時間。使用在線TOC監測熱的冷凝液，可以準確、可靠地捕獲碳氫化合物的泄漏事件。數據顯示正常濃度約為2 mg/L。如果發生小污染事件，濃度約為20-40 mg/L，對于大污染事件，將使濃度升至400 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行有效管理，以免損壞下游設備。必須脫除固體和鹽分，油水分離對于優化生產至關重要。蒸汽汽提和分餾的酸性水是現場另一種具有挑戰性的水。通常，汽提水及酸性水通常含有大量H2S和NH3，但其它污染物會導致結垢、腐蝕或起泡。現場使用的其它工藝用水包括脫氫、洗滌和催化再生應用(2)。
為了避免設備損壞或裝置停車，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氫化合物及其分解產物。對這種具有挑戰性的工藝水進行監測需要采用具有優異技術的手段，從而應對各種有機物、高鹽、樣品不斷變化的pH值和電導率，同時能夠進行沖洗或稀釋，以延長維護周期。能夠適合于高鹽應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（準確性和精確性）的有機物監測技術很少見。不過，超臨界水氧化等方法是專為高鹽應用而設計的。通過采用該技術，鹽不會干擾或影響氧化。當用于工藝監測時，TOC有助于建立基線，及時發現泄漏，從而操作人員可立即采取糾正措施。
當從設施各工藝將水收集后，必須在排放前對其進行處理。典型的處理包括一級沉降、活性污泥和二級生物處理。對廢水進水特性進行監測有助于控制工藝，以確保生物處理部分充分分解污染物，然后再進行進一步處理。不斷發展的趨勢是采用效率更高的處理技術，如膜生物反應器結合了物理和生物處理。此外，厭氧生物處理需要穩定的水質，以較大程度地提高性能并優化熱量產生以滿足設施其它加熱需求。下游處理還可能涉及反滲透和結晶，以便處理過量的鹽分。
越來越多的污水處理設施不再僅僅監測排放水質，還開始監測污水處理過程的上游，以檢查整個污水處理廠進水發生了什么變化，峰值或高負荷量來自何處以及這些可能對下游處理造成何種影響。如果負荷量增大，在水污染物濃度較低的時段，通常可利用緩沖池或均衡池通過計量將水緩慢回流到工藝流程中。盡管許多工業排放許可證都是基于COD作為污染的衡量標準而編寫，但COD很難用于工藝決策，同時很難對工藝廢水變化做出快速響應。COD通常需要2-3個小時才能獲得結果，并使用危險化學品。由于COD檢測的是樣品對氧氣的化學吸收，因此許多不同的物種都會對COD產生影響，包括有機和無機化合物，并且其中幾種會造成干擾，如亞硝酸鹽、亞鐵和氯化物。有機物對COD的影響不均等，有些耐化學氧化，如苯。相反，TOC能夠在數分鐘內獲得結果，從而做出實時決策，同時能夠直接檢測廢水處理設施中的有機物負荷量、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值不斷發生變化并存在各種有機污染物，因此需要一種強大的氧化技術來捕獲污染物的負荷量和變化，但同時還能夠應對樣品的復雜性。這種高效捕獲所有有機物的技術就是高溫、非催化燃燒，其能夠實現氧化，而不用擔心催化劑降解或效率會隨著時間推移而降低。通過提供總氮（TN）或揮發性有機碳（VOC）檢測器（對于某些廢水而言，TN和VOC是兩個重要的監測參數），可以進一步增強廢水的處理效果。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，從而使設施專注于其運行，而設備制造商可以提供充分的分析支持。
通過在現場對水進行循環利用，煉油廠可以大大減少總水足跡，并實現更具可持續性的水平衡。其它優勢包括節省能源處理成本，減少需要處理的廢水量以及遵守相關法規或準則。
水質是現場水循環利用或將廢水排放到污水處理設置的決定性因素，因此煉油廠需要快速獲得這些信息。以往，由于監測技術不夠快和/或無法提供可信賴的數據，污染事件難以實時監測。現在，TOC分析能夠提供快速、定量數據來檢測可能影響設備、工藝和/或產品的有機物負荷量偏差。
結論
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。水質監測有助于推動水循環利用、廢水處理和工藝決策，以管理和較大程度地減少水足跡，同時還符合法規要求。大多數進入水系統的污染物來自天然有機物，主要產品為有機物，主要排放許可證所關注的也是有機物含量，TOC檢測為實時決策和改進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，在整個煉油廠對有機物進行直接監測對于運營效率、成本管理和工廠可持續性發展至關重要。
參考文獻
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