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    工業冷卻循環水系統水處理
    一、敞開式循環冷卻水系統普遍存在的問題
    敞開式循環冷卻水系統中,由于水溫的升高、流速的變化、冷卻水的蒸發、各種無機離子和有機物質的濃縮,冷卻水直接與空氣接觸,溶解氧含量高,水中的藻類繁殖很快,加之冷卻水系統的蒸發損失、飛濺損失、泄漏損失和排污損失的影響,使系統的補水量較大。這些都是造成系統結垢、氧腐蝕、有害離子腐蝕和微生物服侍的重要原因。水垢的附著、設備腐蝕和微生物的大量滋生,可導致系統粘泥污垢堵塞管道、水質指標低劣、換熱效率下降,對企業的產品質量、安全生產和節能降耗造成嚴重威脅。因此,選擇經濟實用的水處理方案,可有效的改善和解決以上問題。
    (一)水垢析出降低傳熱效率
    一般天然水中都溶解有重碳酸鹽,這種鹽是冷卻水發生水垢附著的主要成分。鹽的濃度隨著蒸發濃縮而增加,當其濃度達到飽和狀態時,或者經過換熱器傳熱表面使水溫升高時,會發生下列反應:
    Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O
    冷卻水經過冷卻塔向下噴淋時,溶解在水中的游離CO2氣體逸出,這就促使上述反應向正反應方向進行,這樣CaCO3沉淀就附著在換熱器的傳熱表面,積累形成致密的碳酸鹽水垢,使傳熱表面的傳熱性能下降。不同的水垢,其導熱系數不同,但一般不超過1.16w/m·k,遠遠低于鋼材的導熱系數45w/m·k。由此可見,水垢必然造成換熱器的傳熱效率下降。
    水垢附著的危害很大,輕者降低換熱器的傳熱效率,影響產量;重者堵塞管道,影響安全生產。
    (二)設備腐蝕影響生產和縮短使用壽命
    在循環冷卻水系統中,大量的設備是金屬制造得換熱器。對于碳鋼制造的換熱器,長期使用循環冷卻水,會發生腐蝕穿孔,其腐蝕的原因是多種因素綜合造成的。
    1.冷卻水中溶解氧引起的電化學腐蝕
    敞開式冷卻循環水系統,水與空氣中氧氣能充分地接觸,因此水中溶解的O2可達到飽和狀態。當碳鋼與溶有O2的冷卻水接觸時,由于金屬表面會形成許多腐蝕微電池,微電池的陽極和陰極區分別發生下列的氧化和還愿反應:
    在陰極區 Fe→Fe2++2e
    在陰極區 1/2O2+H2O+2e→2OH ̄
    在水中 Fe2++2OH ̄→Fe(OH)2
    O2
    Fe(OH)2→Fe(OH)2
    以上反應機理,促使微電池在陽極區的金屬不斷的被溶解而被腐蝕。
    2.有害離子的腐蝕
    循環冷卻水在濃縮過程中,除重碳酸鹽濃度隨濃縮倍數增長而增加外,其它的鹽類如氯化物、硫酸鹽等的濃度也會增加。當Cl ̄和SO2—離子濃度增高時,會加速碳鋼的腐蝕。Cl ̄和SO2—離子會使金屬表面保護膜的保護性能降低,尤其是Cl ̄離子半徑小,穿透性強,容易穿過膜層,置換氧園子形成氯化物,加速陽極過程的進行,所以氯離子是引起點蝕的原因之一。
    對于不銹鋼制造的換熱器,Cl ̄是引起應力腐蝕的主要原因,因此冷卻水中Cl ̄離子的含量過高,常使設備上應力集中部位,如換熱器花板上脹管的邊緣迅速受到腐蝕破壞。循環冷卻水系統中如有不銹鋼制的換熱器時,一般要求Cl ̄的含量不超過300mg/l。
    3.微生物引起腐蝕
    微生物的滋生也會使金屬發生腐蝕。這是由于微生物排出的粘液與無機垢和泥沙雜物等形成的沉積物附著在金屬表面,形成氧的濃差電池,促使金屬腐蝕。此外,在金屬表面的沉淀物之間缺乏氧,因此一些厭氧菌(主要是硫酸鹽還原菌)得以繁殖,當溫度為25~30℃時,繁殖更快。它分解水中的硫酸鹽,產生H2S,引起碳鋼腐蝕,其反應如下:
    SO4+8H++8e→S2-+H2O+能量(細菌生存所需)
    Fe2++S2-→FeS↓
    鐵細菌是鋼鐵銹瘤產生的主要原因,它能使Fe2+氧化成Fe3+,釋放能量供細菌生存需要。
    Fe2+→Fe3++能量(細菌生存所需)
    上述各種因素對碳鋼引起的腐蝕常使換熱器壁被腐蝕穿孔,形成滲漏,或工藝介質泄漏入冷卻水中,損失物料,污染水體;或冷卻水滲入工藝介質中,使產品質量受到影響。當被腐蝕穿孔的管子數量不多時,可采取臨時堵管的辦法,時換熱器在減少傳熱面的情況下繼續使用。當穿孔的管子過多時,換熱器傳熱面減少的太多,失去冷卻作用,此時只能停產更換。因此腐蝕與水垢一樣,都是危害企業安全生產、造成經濟損失的“大敵”。
    (三)微生物粘泥導致系統失效
    冷卻水中的微生物一般是指細菌和藻類。在新鮮水中,一般來說細菌和藻類都較少。但在循環水中,由于水中營養成分的濃縮,水溫的升高和日光的照射,給細菌和藻類創造了迅速繁殖的條件。大量細菌分泌出粘液和藻類產生的粘性物質就像粘合劑一樣,能使水中飄浮的灰塵雜質和化學沉淀物等粘附在一起,形成粘糊狀的沉淀物在換熱器的傳熱表面上,這種沉淀物稱為生物粘泥,俗稱“軟垢”。附著在換熱器管壁上的生物粘泥,除了會對設備管道造成微生物腐蝕外,還會降低換熱器的冷卻效率,甚至堵塞設備管道,迫使企業臨時停產清洗。例如,北京某廠換熱器中菌藻大量繁殖,半個月內就是熱負荷下降到50%,不得不臨時停產清洗,造成重大的經濟損失。

    三、敞開式循環冷卻水處理的必要性
    綜上所述,冷卻水長期循環使用,必然造成系統水垢結生,設備管道腐蝕和微生物大量滋生等問題,而循環冷卻水處理就是通過對水質進行化學處理來解決這些問題的。本方案對水質化學處理的好處主要表現在以下幾點:
    (一)穩定生產、實現長周期運行
    對循環冷卻水系統進行除垢防垢處理、防腐處理和殺菌滅藻處理,可消除系統沉積物附著、設備管道腐蝕穿孔和生物粘泥堵塞等危害,使循環冷卻水系統設備管道在良好的水質環境中運行,臨時性檢修、停車事故減少,保證循環冷卻水系統長周期穩定運轉。由于本方案提供的水處理措施能有效保護系統金屬不能損傷,因此能大大延長設備使用壽命,從而為企業全面完成生產任務和有效提高經濟效益提供了有力保障。
    (二)節約水資源、降低運行成本
    循環冷卻水系統是一項重復利用水資源的節能環保工程,對企業節能降耗和提供經濟效益都有極其重要的意義。例如年產30萬噸合成氨企業,如果采用直流冷卻水系統,則每小時耗水量達23500m3。如果改為循環冷卻水系統,濃縮倍數控制在1.5,則每小時耗水量降為1100m3,如果將濃縮倍數提高到3,每小時耗水量只需550m3。采用本方案使康迪雅化學公司目前的冷卻水耗水量減少90%以上,從而大幅度節約運行冷卻水費用。因此,循環冷卻水系統按本方案進行水質處理,可有效控制濃縮倍數,對于節約水資源,提高經濟效益都是至關重要的。
    (三)減少環境污染、保護生態環境
    直流冷卻水系統直接從水源抽取冷水用于冷卻,然后又將溫度升高后的熱水再排放到水源中去。除了將廢液帶到水源中形成污染外,如果對直流冷卻水也采用化學藥劑以消除結垢、腐蝕,那么大量排放的冷卻水將向水源中帶入許多化學物質,對水源造成嚴重污染。采用本方案對循環冷卻水系統進行處理可以大大減少冷卻污水的排放量。由于采取無磷處理,因此排放的少量污水可達到所允許的排放標準,不會對環境造成損害,也就不存在污染環境,破壞生態平衡的問題了。

    四、水處理范圍及目的
    (一)本方案主要包括以下內容
    1.系統傳熱界面的防垢阻垢;
    2.系統的殺菌滅藻和防微生物粘泥處理;
    3.管道設備的預膜防腐處理;
    4.完善的水處理技術方法;
    5.水質指標測評和效果評價。
    (二)本方案主要包括以下目標
    1.提高系統的換熱效率,節約能源降低冷卻水消耗量;
    2.延長檢修周期二年以上,降低檢修費用;
    3.有效控制系統濃縮倍數,減少補水和排污量;
    4.控制腐蝕速率,延長設備使用壽命;
    5.在不增加企業崗位和人員的前提下,保證企業的安全、穩定、長周期運行生產。

    五、循環水水質處理預期達到的效果
    經上述水質處理,冷卻循環水應滿足《工藝循環冷卻水處理設計規范》(GB50050-95)中規定:
    1.敞開式循環冷卻水系統中換熱設備的水側管壁的年污垢熱阻值宜為1.72×10-4~3.44×10-4m2·k/w。
    2.敞開式循環冷卻水系統中換熱設備和碳鋼管壁的腐蝕速度宜小于0.125mm/a,銅、銅合金和不銹鋼管壁的腐蝕速度宜小于0.005mm/a。
    3.敞開式循環冷卻水系統中的異養菌數宜小于5×105個/ml,粘泥量宜小于4ml/m3。

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