工业循环冷却水处理刍议

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  摘 要:我国是世界上水资源比较匮乏的国家。据报道,我国城市中有400个面临供水不足。随着经济的迅猛发展,人口的增长,缺水现象和水质恶化问题越来越突出。因此,节约用水,做好水处理,提高工业用水的重复利用率至关重要。
  关键词:冷却水循环;控制机制;污染处理
  1 循环冷却水概述
  工业用水主要包括锅炉用水、工艺用水、清洗用水和冷却用水、污水等。其中用水量最大的是冷却用水,约占工业用水量的百分之九十以上。不同的工业系统对水质的要求是有所不同的;但各工业部门使用的冷却水对水质的要求基本上是一致的,这就使得冷却水质控制在近年来作为一门应用技术获得了迅速的发展。在工厂中,冷却水主要用来冷凝蒸汽,冷却产品或设备,如果冷却效果差,就会影响生产效率,使产品的收率和产品的质量下降,甚至于会造成生产事故。
  水是比较理想、易得的冷却介质。自然界中普遍存在,和其它液体相比,水的热容或比热较大,水的汽化潜热(蒸发潜热)和熔化潜热也很高。比热是单位质量的水温度升高一度时所吸收的热量。热容大或比热大的物质升高温度时需要吸收大量的热量,而本身温度并不明显升高,因此水具有良好的贮热性能。潜热是物态发生转变时所吸收或放出的热量。一克分子水蒸发成为一克分子蒸汽需要吸收近一万卡的熱量,因此水蒸发时能吸收大量的热量,从而使水温下降,这种依靠水分蒸发带走热量的过程称为蒸发散热。
  因此,很多大型工业企业都采用水冷却。常用的水冷系统可以分成三类,即直流系统、密闭系统和敞开蒸发系统,后两种冷却水都是循环使用的,故又称为循环冷却水系统。
  密闭式循环冷却系统
  敞开式循环冷却系统
  2 循环冷却水系统中沉积物的控制
  循环冷却水系统在运行的过程中,会有各种物质沉积在换热器的传热管表面,影响散热。这些物质统称为沉积物。主要是由水垢、淤泥、腐蚀产物和生物沉积物等构成。通常把淤泥、腐蚀产物和生物沉积统称为污垢。
  2.1水垢的控制
  水垢的控制主要有以下几类:
  2.1.1冷却水中除去成垢的钙离子
  水中Ca2+离子是形成碳酸钙垢的主要原因,去除水中除去Ca2+离子,使水软化,则碳酸钙就无法结晶析出,也就形不成水垢。目前去除钙离子的方法主要有以下两种。
  (1)离子交换树脂法,离子交换树脂法就是让水通过离子交换树脂,将Ca2+、Mg2+从水中置换出来并结合在树脂上,达到从水中除去Ca2+、Mg2+的目的。用不同性质的离子交换树脂,可以很简便地从硬水中除去Ca2+、Mg2等离子,使水软化。(2)石灰软化法,补充水在进入循环冷却水系统之前,在预处理阶段就加入适当的石灰,让水中的碳酸氢钙与石灰在澄清池中预先反应,生成碳酸钙沉淀析出,从而除去水中的Ca2+离子,达到软化的目的。
  2.1.2加酸或通CO2气体,降低PH,稳定重碳酸盐
  通常是加硫酸,加酸法目前仍有使用,由于硫酸的加入,会使循环水PH会下降,但是要控制加入硫酸的量,过多会加速设备的腐蚀。通CO2气体则适合如化肥厂。在生产过程中会有多余的CO2气体,而有些化工厂的烟道气中也含有非常多的CO2气体。如高炉冷却水处理,热轧水处理。
  2.1.3添加阻垢剂
  从水中析出碳酸钙等水垢的过程,就是微溶性盐从溶液中结晶沉淀的过程。从结晶动力学观点看,结晶的过程首先生成晶核,形成少量的微晶粒,然后这种微小的晶体在溶液中由于热运动不断地相互碰撞,碰撞就提供了结晶生长的机会,使小晶体不断地变成了大晶体,附着在金属壁上,也就形成了覆盖传热面的垢层,从水垢的形成过程看,如过加入一些阻垢剂,破坏其结晶增长,就可达到控制水垢形成的目的。
  2.2污垢的控制
  污垢的形成主要是由于尘土、杂物碎屑、菌藻尸体及其分泌物和细微水垢、腐蚀产物等聚集产生。因此,欲控制好污垢,必须做到以下几点。
  (1)降低补充水浊度。天然水中尤其是地面水中总夹杂有许多泥砂、腐植质以及其他各种悬浮物和胶体物,它们构成了水的浊度。作为循环水系统的补充水,其浊度越低,带入系统中可形成污垢的杂质就会越少。干净的循环水就不易形成污垢。
  (2)循环冷却水水质处理。冷却水在循环使用中,如不进行水质处理,必然会产生水垢对设备产生腐蚀,生成腐蚀产物。同时也会有大量菌藻滋生,最后形成污垢。如果循环水进行了水质处理,但处理得不太好时,就会使原来形成的水垢因阻垢剂的加入而变得松软,再加上腐蚀产物和菌藻繁殖分泌的粘性物,它们就会粘合在一起,形成污垢。因此,做好水质处理,是减少系统产生污垢的好方法。
  (3)添加分散剂。在进行阻垢、防腐和杀生水质处理时,投加适量的分散剂,也能够达到控制污垢的效果。分散剂能将粘合在一起的泥团杂质等分散成微粒悬浮于水中,随着水流流动从而不沉积在传热表面上,达到减少污垢对传热的影响,部分悬浮物还可以随排污水排出循环水系统外。
  (4)旁滤处理。一般细菌形成的粘泥以及被杀死细菌尸体、剥离下来的生物粘呢有70%以上是通过旁滤器排出循环水系统之外,一般大于1000t/h的循环水系统设计要求旁滤量不低于循环量的5%。
  (5)保障循环水压力及流速。循环水设计规范中要求循环水冷却水侧流速管程水流速大于0.9米/秒,壳程大于0.3米/秒,热负荷强度小于5×104千卡/米2·小时。对于有氨、油、硫化物,有机化学品泄漏的系统,水流速度应增加20%~50%。
  3 循环冷却水系统中微生物的控制
  在循环冷却水系统中,我们以敞开式循环冷却水系统为例。水的温度和pH值适宜多种微生物的生长。同时,每升水中,微生物的数量和它们生长所需的营养源。如有机物、碳酸盐、硝酸盐、铁等,均因循环浓缩而增加;再加上冷却塔、冷水池常年露置室外,阳光充足,因此给微生物的生长提供了良好的条件。微生物的富集带来的直接后果就是对设备的堵塞和腐蚀,进而影响设备的冷却效果。   3.1微生物的控制方法
  (1)选用耐蚀材料
  一般来讲,硫、磷或硫化物夹杂物含量低的合金耐受硫酸盐还原菌腐蚀的能力较高,含碳量高的碳钢也较易腐蚀。
  (2)控制水质
  控制水质主要是控制冷却水中氮含量、硫含量、pH值、悬浮物等微生物的养料。如化工厂中进入冷却水系统中的氨能引起硝化细菌的繁殖和降低氯的杀生能力,应加以控制
  (3)添加杀生剂
  控制冷却水系统中微生物生长最有效和最常用的方法之一是向冷却水系统中添加杀生剂。对冷却水杀生剂通常是控制冷却水中微生物的生长,从而控制冷却水系统中的微生物腐蚀和微生物粘泥,不一定要求它能杀灭冷却水系统中所有的微生物。需要指出的是,一个良好的微生物控制方案往往是将几种方法联合使用。如,先将冷却水系统进行剥离和清洗,然后再投加杀生剂的方案要比不进行剥离和清洗而只添加杀生剂的方案要有效得多。
  (4)采用杀生涂料
  采用防腐涂料保护金属换热器的冷却水一侧时,所用的涂料应能耐受冷却水中微生物的破坏。涂料中添加能抑制微生物生长的杀生剂(如偏硼酸钡、氧化亚铜、氧化锌、三丁基氧化锡等)是人们常采用的一些控制微生物生长、破坏涂料和引起腐蚀的有效措施。
  (5)清洗
  进行物理清洗或化学清洗可以把冷却水系统中微生物生长所需的养料(如漏入冷却水中的油类)、微生物生长的基地(如粘泥)和庇护所(如腐蚀产物和淤泥)从冷却水系统中除去。清洗对于一个被微生物污染的冷却水系统来说,是一种十分有效的措施。
  (6)旁流过滤
  在循环冷却水系统中,可以用砂子或无烟煤等为滤池过滤冷却水也是一种控制微生物生长的有效措施。通过旁流过滤,可以在不影响冷却水系统正常运行的情况下除去水中大部分微生物。
  除此之外,还有混凝沉淀、防治阳光直射冷却水池、添加噬菌体、阴极保护等方法。
  4 金属腐蚀的控制方法
  循环冷却水系统中金属腐蚀的控制方法比较多。常用的主要有以下四种:添加缓蚀剂、提高冷却水的PH值、选用赖腐蚀材料、防腐涂料的使用。
  4.1添加缓蚀剂
  循环冷却水系统中控制金属腐蚀的最经济高效方法是向冷却水系统中添加缓蚀剂,可用于缓蚀用途的药剂有铬酸盐、木质酸盐、钼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、膦酸盐等,其主要原理大多数为在金属表面形成沉淀型或吸附型保护膜。由于环保的因素其中一些药剂已逐步被禁止使用。
  4.2提高冷却水PH值
  循环冷却水系统中控制腐蚀的第二种方法是提高冷却水的pH值或采用碱性冷却水处理。碱性冷却水处理有以下两种概念。
  第一种是广义的碱性冷却水处理,是指将循环冷却水的运行pH值控制在大于7.0的冷却水处理。这种处理实际上包括了两大类:
  (1)不加酸调节pH值碱性冷却水处理  在循环冷却水运行过程中,人们不再向冷却水中加酸以调节pH值,而是让冷却水在冷却塔内曝气过程中达到其自然平衡pH值,采用这种处理方式,冷却水的pH大致为8.0~9.5;
  (2)加酸调节pH值的碱性冷却水处理  这是指在循环冷却水的运行过程中,向冷却水中加入酸(一般是浓硫酸)以控制其pH值,使之保持在7.0~8.0之間的处理。由于pH=7.0~8.0的水已偏于碱性的一侧,故也把它归入碱性冷却水处理。
  第二种是狭义的碱性冷却水处理。它仅指那些不加酸调节PH值的碱性冷却水处理。
  由于不加酸调节pH值的碱性冷却水处理具有这些优点,所以受到人们的重视并得到广泛的应用。
  4.3选用赖腐蚀材料
  今年来随着材料科学、冶金工业和化学工业的发展出现了一系列新型材料换热器,其中有钛和钛合金换热器254SMO全奥氏体不锈钢换热器、铝镁合金换热器、氟塑料换热器、聚丙烯换热器等。这些新型耐蚀材料换热器往往能在更为苛刻的条件下满意地工作。它们的出现能够很好的解决腐蚀的问题。但是这些材料也不是十全十美的。如氟塑料适用的温度和压力范围远不如一些常用的金属换热器,聚丙烯换热器不宜应用于氧化性介质,且适用的温度和压力范围比氟塑料换热器更窄等。
  总体来说,采用耐蚀材料制成换热器防止冷却水系统中金属腐蚀的优点是运行时的技术管理较简单、方便;缺点是换热器的价格较贵,投资较大,目前能用于生产的主要有聚丙烯换热器、石墨改性聚丙烯换热器。
  4.4防腐涂料的使用
  冷却水系统中控制金属设备腐蚀的第四种方法是使用防腐涂料涂覆换热器。随着高分子化学工业的发展,人们已经开发了一些性能优良的涂料去保护工业冷却水系统中碳钢换热器(水冷器)的管束、管板和水室等与冷却水接触的部位,使它们免遭腐蚀。如氨基树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、氯磺化聚乙烯树脂、呋喃树脂、硅树脂、氯化橡胶、乙烯类树脂、沥青等。
  5 结语
  综上所述,若要提高企业的社会效益和经济效益,真正的实现企业的可持续发展,企业就要必须重视循环水的处理,采用科学的处理方法并且不断的创新新的处理技术,保证循环水处理的安全、稳定和高效的运行,以达到良好的处理效果,从而保证企业的良性运行。
  参考文献
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