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循環冷卻水的化學水處理

【摘要】:
轉載于北極星水處理網訊:雖然目前化學處理方式是最行之有效的水處理方案,但隨著全球對環境保護的重視,對一些毒性較大,或本身雖屬于無毒或低毒,但會造成水體富營養化而被列為第二類污染物的一些化學水處理藥劑的使用或排放已有很嚴格的要求,如鉻酸鹽及其復合冷卻水緩蝕劑、磷酸鹽類的緩蝕劑和水處理劑等等,這就要求我們需要開發無毒或低毒、低磷和非磷的水處理劑;而操作簡便、管理方便及對環境沒有污染的物理水處理方法及水

轉載于北極星水處理網訊:

雖然目前化學處理方式是最行之有效的水處理方案,但隨著全球對環境保護的重視,對一些毒性較大,或本身雖屬于無毒或低毒,但會造成水體富營養化而被列為第二類污染物的一些化學水處理藥劑的使用或排放已有很嚴格的要求,如鉻酸鹽及其復合冷卻水緩蝕劑、磷酸鹽類的緩蝕劑和水處理劑等等,這就要求我們需要開發無毒或低毒、低磷和非磷的水處理劑;而操作簡便、管理方便及對環境沒有污染的物理水處理方法及水處理在線檢測、監控技術也是今后大力發展的方向。

一、循環水的使用及水處理的重要性

用水來冷卻工藝介質的系統,我們稱作冷卻水系統,通常可分為以下兩種類型:直流冷卻水系統和循環冷卻水系統。其中,循環冷卻水系統目前已被廣泛地應用于各行各業之中,比如,石油化工、電力、冶金、醫藥、紡織、機械、電子等等傳統工業企業中的工藝用循環冷卻水系統,及各樓宇的中央空調用循環冷卻水系統。

最早使用的是直流冷卻水系統,冷卻水僅僅通過換熱設備一次,用過后水就被排放掉。這種系統雖然投資少、操作簡便,但它的用水量卻很大,冷卻水的操作費用也大,不符合節約使用水資源的要求,目前基本都改成了循環冷卻水系統(除了海水中還在使用的直流冷卻水系統),即冷卻水用過后不立即排放掉,而是收回循環再用。從直流水系統到循環水系統,水資源的節約非常可觀,例如:一個年產30萬噸的合成氨工廠,如采用直流水系統,每小時用水量約25000T,而改成循環水系統,并以3倍的濃縮倍數運行,則每小時耗水量只需約550T。

二、冷卻水循環后遇到什么問題?

腐蝕:冷卻水在循環使用中,水在冷卻塔內和空氣充分接觸,使水中的溶解氧得到補充,所以循環水中溶解氧總是飽和的,水中溶解氧是造成金屬電化學腐蝕的主要原因,這是冷卻水循環后易帶來的問題之一。

結垢:水在運行中蒸發(尤其是在冷卻塔的環境中),使循環水中含鹽量逐漸增加,加上水中二氧化碳在塔中解析逸散,使水中碳酸鈣或其它鹽類在傳熱面上結垢析出的傾向增加,這是問題之二。

生物污垢:冷卻水和空氣接觸,吸收了空氣中大量的灰塵、泥沙、微生物及其孢子,使系統的污泥增加;冷卻塔內的光照、適宜的溫度、充足的氧和養分都有利于細菌和藻類的生長,從而使系統粘泥增加,在換熱器內沉積下來,造成了粘泥的危害,這是水循環使用后易帶來的問題之三。

冷卻水循環后,冷卻水補充水量可大幅度降低,節約了用水,這是我們所希望的。但水循環后突出的腐蝕、結垢和生物污垢等問題如不解決,生產裝置的長周期、滿負荷、安全穩定運行是難以保證的,那么采用循環水后所期望的經濟、技術效益不僅不能充分發揮,而且將給企業帶來許多危害——嚴重的沉積物的附著、設備腐蝕和微生物的大量滋生,由此形成的黏泥污垢堵塞管道或各種材料及設備嚴重受損等問題,會威脅和破壞工廠的安全生產;而由于各種沉積物使換熱設備的水流阻力加大,水泵及相關設備的能耗大幅增加,傳熱效率降低,從而降低產品品質或生產效率,這一切都可能造成極大的經濟損失,例如:電廠出現此類問題,必然使凝汽器凝結水的溫度升高、真空度下降,嚴重影響汽輪機的出力和電廠的發電量,并且大幅增加能耗(有一個經驗數值:發電機組真空度每下降1%,多耗燃料原油0.8%)。

所以,必須要選擇一種科學合理、全面有效且經濟實用的循環冷卻水處理方案,使上述問題得到妥善解決或改善,水處理就是通過水質處理的辦法來解決以上問題。如能真正做好水處理,不但能保證保質保量、安全生產,而且還能通過大幅降低能耗、節約材料、節約用水來降低生產成本,直接創造可觀的經濟效益,例如在電廠,就可以提高汽輪機凝汽器的真空度,一般可提高7~8%,提高汽輪機的功率,提高電負荷5~6%,增加發電能力;如應用在低壓鍋爐爐內處理,不但可將水處理運行費用從僅使用爐外處理方式時的0.5元/噸降到0.3元/噸左右,而且據統計,可使每臺2t?h-1的鍋爐節煤約5%;現代工業一般水冷換熱器在未進行水處理時的壽命為2年左右,經水處理后的壽命可達7~8年,檢修費和檢修工作量可降低90%,一個小型化工廠由此節約的檢修費即可達50萬元。

三、循環冷卻水的化學水處理方案

循環冷卻水的化學水處理就是通過在水中投加各種化學水處理藥劑而達到解決或緩解沉積物附著、金屬設備腐蝕和微生物滋生這三個問題,完整的技術過程應是針對循環水系統的水質、設備材質、工況條件選擇緩蝕劑、阻垢劑、分散劑、殺生劑正確匹配組成水處理配方,并提出工藝控制條件、提供相應的清洗、預膜方案等,其中將緩蝕劑、阻垢劑、分散劑等組成配方、確定適宜的工藝控制條件,指導開車,提供技術服務,這是冷卻水處理技術的主要內容。

循環水系統中的沉積物主要是水垢和污垢(淤泥、腐蝕產物及生物沉積物),天然水中溶解的各種鹽類因受熱等各種原因從水中析出,我們稱之為水垢,有如:碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物、硅酸鹽等等,以鈣鹽為多。在化學水處理中使用阻垢劑時,不同的藥劑對不同的垢起的作用差異很大;而水源不同(江河湖水、地下水、市政供水等等),水質差別也會很大(同一水源,不同季節,水質也會有差異),所以,必須先通過全面的分析,確定水中鹽類的主要成分,即主要成垢物質,再選用合適的阻垢劑。

水中金屬的腐蝕主要是有氧的電化學腐蝕,而化學水處理方法就是通過在水中投加緩蝕劑(以鈍化膜、沉淀膜及吸附膜等等形式)覆蓋于金屬表面,起到減緩腐蝕的作用。所以,我們就得先了解系統中金屬的種類,結合水質條件及運行參數,選擇緩蝕劑,并確定處理方案。

在冷卻水中會引起故障的微生物主要是細菌、真菌及藻類,如鐵細菌、硫酸鹽還原菌、硝化細菌及硫桿菌等等,它們有的會直接腐蝕各種金屬或非金屬,有的則會粘附其它雜質沉積附著,危害極大。得先確定系統中主要存在的微生物的種類及數量,結合水質的情況和運行的狀況,選擇針對性的殺菌滅藻劑,制定有效的殺菌滅藻實施方案。

總而言之,水處理在進入具體實施之前,先得通過各項分析,全面了解系統及水質的情況,有時對補充水可以用穩定指數、飽和指數等作腐蝕型或結垢型水質的預判,再通過實驗,針對性地選擇合適的緩蝕劑、阻垢劑及殺菌滅藻劑,并正確匹配組成高效的水處理配方。

在具體的水處理應用過程中,對于緩蝕、阻垢及殺菌需要作整體考慮,而往往緩蝕及阻垢劑也是復配使用的,有時,是一種水處理藥劑兼具緩蝕及阻垢的功能,選擇復合緩蝕、阻垢劑及殺菌劑組成配方并制定處理方案時,要全面考慮兼容性,突出“協同效應”,需要考慮以下的一些因素:

(1)是否適用于該冷卻水系統運行的pH值范圍;

(2)能否使冷卻水的濃縮倍數達到設計要求;

(3)運行的費用和用戶的經濟條件,這里不僅要考慮水處理劑的費用,而且還要考慮原水預處理和排污處理的費用以及對工藝生產帶來的影響;

(4)復合水處理劑或其中各組成藥劑的供應來源;

(5)操作管理是否方便;

(6)當地環保部門的規定和對周圍環境的污染;

(7)工藝生產發生事故時,泄漏的物料對水處理劑作用的干擾;

(8)水處理劑中的緩蝕劑、阻垢劑和配用的殺生劑的相容性;

(9)使用的換熱設備的結構、材質以及預膜、涂料的處理情況。

日常運行中,還得考慮根據各種變化作相應的調整。

水處理的具體實施應按如下步驟進行:

如果需要,應該首先進行冷卻用水的預處理;其次,是對系統的表面處理(清洗、預膜);最后,再進行日常的緩蝕、阻垢及殺菌處理。

01補充水的預處理

由于地表天然水中混入的懸浮物、膠體物構成水的濁度,濁度太高則不能直接供冷卻水使用。通常用混凝沉降、過濾等方法去除(離子交換也是預處理的一類);有些地區的地下水含鐵量或水中的硬、堿度過高,也需要通過預處理手段先降下來一部分,否則,冷卻水使用過程中正常的水處理藥劑將達不到理想的效果。

02系統的表面處理

在進行日常緩蝕、阻垢及殺菌處理之前,先得對系統作表面處理,目的是清除金屬表面的沉積物,預膜保護后,再投加日常水處理藥劑。表面處理過程需注意幾點:

(1)根據沉積物質的成份選擇合適的清洗藥劑,保證安全、高效;

(2)嚴格按技術要求完成整個操作流程,根據技術參數確定清洗終點(如:鐵離子含量曲線、濁度曲線、電導率曲線等等),保證有效、經濟;

(3)新系統投用之前,也需進行表面處理。對于新系統而言,正常投用前的沖洗只能清除安裝過程中遺留在系統內的碎屑、雜物和塵土,但清除不了設備和管道在生產及安裝中生成的表面氧化皮和油污,而這些會影響預膜處理的效果,所以,要采取更為徹底的表面處理。

(4)循環水系統的預膜是為了提高緩蝕劑的成膜效果,常在循環水開車初期投加較高的緩蝕劑量,待成膜后,再降低藥劑濃度維持補膜,即所謂的正常處理。這種預膜處理,其目的是希望在金屬表面上能很快地形成一層保護膜,提高緩蝕劑抑制腐蝕的效果。實踐也證明在同一個系統中,經過預膜和未經預膜的設備,在用同樣的緩蝕劑情況下,其緩蝕效果卻相差很大。循環水系統除了在開車時必須要進行預膜外,在發生以下情況時也需進行重新預膜:

年度大檢修,系統停水后

系統進行酸洗之后

停水40h或換熱設備暴露在空氣中12h

循環水系統pH<4達2h。

03日常水質處理

經過預處理的水將直接作為冷卻水的補充用水,在對系統進行了表面處理后,則依據通過全面分析及實驗篩選出的緩蝕、阻垢及殺菌處理的方案投加藥劑,進入了對水質的日常控制處理階段。

系統在日常的運行中,補充水的水質可能會隨季節有所變化,系統的運行參數也有可能會有調整,則需要隨時監控水質和處理效果,并根據運行參數、補充水質的變化作水處理方案的相應調整,以確保穩定的最優化效果,調整方向包括,藥劑種類、投加濃度、組成配方的比例及投加方式等等。

而在監控水處理效果的方法中,水質分析一般只作為調整處理方案的依據,水處理的績效的檢測應采用更直觀、更準確的方法——腐蝕及熱交換效率的測試,即以掛片法或用在線腐蝕測試儀測定循環水系統中各金屬的腐蝕速率或瞬間腐蝕速度;用污垢熱阻在線測試儀測定熱交換效率和監測換熱器等等。

國標或部標都相應對冷卻水系統中抑制材料腐蝕及沉積物附著有明確的規定,對作為間接反映系統運行狀態的水質中各項數據也有明確的標準。

綜上所述,科學、合理和最優性價比的水處理工藝程序是根據您目標系統的運行參數、設備材質、工況條件、水質條件,通過分析及實驗來選擇最合適的水處理單體及確定單體間的配比組成配方,并采取正確的操作流程和確定適宜的工藝控制條件。運行過程中還須隨時通過分析及實驗,調整藥劑單體、配方比例及投加劑量,以適應由于氣候、環境介質、補充水水質及運行參數等各方面因素的變化引起的循環水質的變化,達到處理效果的最優化。

四、緩解腐蝕的方法

前面討論了用化學水處理方式綜合解決循環水系統中沉積物附著、設備腐蝕及微生物滋長等運行障礙的方案。在理論上和實踐過程中,除了化學水處理方式外,還可以運用其它的一些方法去抑制沉積物的析出、緩解金屬的腐蝕及控制微生物引起的腐蝕、黏泥及其生長,例舉如下:

1.控制水垢析出的方法,除了投加阻垢劑外,大致還有以下幾類:

(1)使用離子交換樹脂法或石灰軟化法等從冷卻水中除去成垢的鈣離子的方法;

(2)加酸或通CO2氣,降低pH值,穩定重碳酸鹽的方法;

(3)使用靜電阻垢儀器或電子阻垢儀器。

2.污垢的控制,除了投加分散劑外,還有以下幾種方法:

(1)通過預處理,降低補充水的濁度;

(2)增加旁濾設備。

3.金屬腐蝕的控制方法,除了添加緩蝕劑外,還有以下三種:

(1)提高冷卻水的pH值;

(2)選用耐蝕材料;

(3)用防腐阻垢涂料涂覆。

4.微生物引起的腐蝕、黏泥及其生長的控制方法,除了投加殺生劑外,主要還有以下一些方法:

(1)選用耐細菌腐蝕的材料;

(2)控制冷卻水中的氧含量、pH值、懸浮物和微生物的養料;

(3)采用殺生涂料;

(4)采用犧牲陽極的陰極保護;

(5)清洗;

(6)防止陽光照射;

(7)旁流過濾;

(8)混凝沉淀;

(9)噬菌體法。

實踐證明,以上的各種方法作為輔助手段,都能在防腐、阻垢或殺菌的某一方面起一定程度的作用,但比較化學水處理方式,它們或者還不全面,或者單一方式的處理效率還達不到要求,或者是不夠經濟。一個良好的水處理控制方案往往是以化學水處理方法為主,根據系統的特定情況,結合以上的一些輔助手段聯合使用。

雖然目前化學處理方式是最行之有效的水處理方案,但隨著全球對環境保護的重視,對一些毒性較大,或本身雖屬于無毒或低毒,但會造成水體的富營養化而被列為第二類污染物的一些化學水處理藥劑的使用或排放已有很嚴格的要求,如鉻酸鹽及其復合冷卻水緩蝕劑、磷酸鹽類的緩蝕劑和水處理劑等等,這就要求我們需要開發無毒或低毒、低磷和非磷的水處理劑;而操作簡便、管理方便及對環境沒有污染的物理水處理方法及水處理在線檢測、監控技術也是今后大力發展的方向。

冷卻水處理是一門涉及許多學科的‘邊緣’科學,它需要專門的知識和經驗。冷卻水處理方面的專家不多,而且作為新興行業,很多單位的技術人員在冷卻水處理發生問題時由于自身缺乏經驗,希望能及時得到全面的專家意見,所以,一種基于知識的計算機程序系統,能模擬專家領域的專家求解問題的能力,對面臨的復雜問題,能做出專家水平的結論的冷卻水處理咨詢用的計算機專家系統也將是今后大力發展的方向。

附《工業循環冷卻水處理設計規范》

對循環冷卻水系統中腐蝕速度、污垢熱阻及水質的要求。

腐蝕速度:

碳鋼小于0.125 mm/a

銅、銅合金及不銹鋼小于0.005 mm/a

年污垢熱阻:

敞開式冷卻水水側管壁 1.72~3.44×104m2K/W

密閉式冷卻水水側管壁 小于0.86×104m2K/W

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