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水处理技术在循环冷却水系统中的应用
发布日期:2012年01月09日
一、前言
 
1、水资源的匮乏与污染以及节水的紧迫性
水是自然界中分布最广的一种资源,同时也是人类赖以生存和发展的基础物质。当前,水资源匮乏和污染对社会稳定、经济发展构成威胁,成为世界绝大多数国家稳定和发展面临的最突出问题之一。联合国为此向世界发出警告:水,不久将成为一个深刻的社会危机,石油危机之后的下一个危机就是水。
我国是一个幅员辽阔的大国,又是一个水资源贫乏国,人均占有水量仅为2340m3,只有世界人均占有水量的1/4,排到世界第88位,被世界国际组织列入世界上17个最贫水国家名单中。我国600多个城市中,已有300多个存在不同程度的缺水,多次出现河水断流,地下水超采,141条河流被严重污染,13亿人口中有65%以上的人喝着不适合饮用的水。为了人类的生存和繁衍,治理污染,合理用水,节约水资源已刻不容缓。
2、水处理技术是工业水处理最普遍的有效手段
节水首先要抓住比较集中使用和用量大的工业用水,工业用水占有总用水量的80%以上,而工业的冷却水量占工业用水总量的60~70%。因此,节约冷却水,就成为工业节水最紧迫的任务。我国1988年制定了《中华人民共和国水法》,并开始对用水单位收取水资源费。原化学工业部也于1991年发布过《化工系统节约用水管理规定》,要求加强用水管理,合理利用水资源。特别规定:“采用地下水、自来水作间接冷却水时,必须循环利用。”
目前,采用循环冷却水代替直流水已成为各行各业的共识和行动。同时,也都更加重视水系统中设备的腐蚀结垢等问题。循环冷却水化学处理技术是当前国内外公认的工业水处理最普遍使用的有效手段。循环冷却水化学处理就是通过在循环水中加入化学药剂来防止腐蚀、水垢和粘泥等危害的产生,以达到水处理目的的方法。循环水中加入水稳药剂,使水质得到改善,提高换热器等设备的效率和寿命,降低能耗,保证生产顺利地进行。
 
二、循环冷却水系统特征及运行障碍产生的危害
 
1、循环冷却水系统特征
冷却水系统是用水来作为工业冷却介质的系统,它分为直流冷却水系统和循环冷却水系统。直流冷却水系统因其消耗水量大、加药处理费用过高,已基本被淘汰。循环冷却水系统中的冷却水流经换热器时,和工艺介质进行热交换,热介质通过冷却水冷却到需要的温度,冷却水温度升高,成为热水。热水基本不排放,经过冷却后仍返回系统重复使用。即冷却水被加热成热水,热水被冷却成冷水,冷水再加热,热水再冷却,循环不止,因而大大节约了用水。这就是循环冷却水系统与直流冷却水系统不同之处。循环冷却水系统又可分为密闭式和敞开式两种,其区别在于敞开式系统中的热水是经过冷却塔(又称凉水塔)或冷却池与空气直接接触被冷却为冷水,再返回系统循环使用的,而密闭式系统中水不与大气接触,密闭循环,水不浓缩,也基本上不消耗。
在敞开式循环冷却水系统中,热水通过冷却塔时,部分水被蒸发,使循环水中盐水被浓缩。水不断循环,含盐量就不断增加。为了维持水中的水量平衡,必须不断向循环系统中补充新鲜水,同时排放掉一部分循环冷却水,以保持循环水的含盐量稳定在某一浓度。因此,在水系统循环运行的时候,补充水和循环水中的含盐量是不同的。循环冷却水与补充水中含盐量的比值,就称为浓缩倍数。浓缩倍数是敞开式循环冷却水系统运行的一项重要参数。循环水中保持一定的浓缩倍数,不仅能节水、节药、提高经济效益,而且对稳定水质有重要作用,也有利于进行化学处理。
敞开式循环冷却水系统的水质有以下特点:
(1)因冷却塔的蒸发冷却作用,使一部分循环冷却水被空气带走,系统中损失了一部分水。这部分水没有带走所溶解的固体,而将它原来溶解的固体留在循环系统中,使循环水中的溶解固体物浓度增加,这就是浓缩现象。浓缩会改变水的腐蚀结垢性质,加重水的结垢或腐蚀倾向。
(2)在冷却塔中,水在与空气的接触过程中还会失去一部分游离二氧化碳。由于二氧化碳的逸出,使水中碳酸氢钙容易转化成碳酸钙沉积在换热设备上,其反应如下:
       Ca(HCO3)2        Ca CO3 +CO2 +H2O
水在与空气接触时,还会溶解空气中的氧气,使水中的溶解氧总处于饱和状态。当碳钢与溶有O2的冷却水接触时,由于金属表面的不均一性和冷却水的导电性,在碳钢表面会形成许多腐蚀微电池,使阳极区的金属不断溶解而被腐蚀,其反应如下:
在阳极区      Fe      Fe2++2e
在阴极区      1/2 O2+H2O+2e     2OH
在水中      Fe2++2OH      Fe (OH)2
                     O2
             Fe(OH)2      Fe(OH)3
                     O2
             Fe(OH)2      1/2 Fe2O3·H2O
(3)水在与空气的接触过程中,还会将空气中所带的灰尘、微生物、污染气体(如SO2、H2S、NH3等)或昆虫带入水系统,引起水质污染,造成腐蚀或污垢沉积等问题。其中微生物带来的危害特别严重。
如硫酸盐还原菌分解水中的硫酸盐,产生H2S,引起碳钢腐蚀,其反应如下:
 SO2-4+8H++8e      S2+4H2O+能量(细菌生存所需)
 Fe2++S2    FeS 
又如铁细菌腐蚀钢铁,产生锈瘤,并释放能量供细菌生存,其反应如下:
      细菌
 Fe2+    Fe3++能量(细菌生存所需)
所以,冷却水循环使用后,运行浓缩倍数提高,各种离子及杂质随之被浓缩,硬度和碱度也大幅度增加,二者平衡被打破而形成水垢,并且,水垢在沉积过程中,常与淤泥、粘泥、腐蚀产物及其它杂质混合在一起形成污垢,污垢附着在设备上又会产生垢下腐蚀,加速设备的穿孔泄漏,危害性更大。水和大气在冷却塔中对流时,吸收了大气中的灰尘、微生物及其孢子,使系统中微生物和悬浮物数量明显增加,且由于养分的浓缩,日光的照射,适宜的温度,充足的溶解氧等条件使得微生物迅速繁殖和滋生。微生物的危害与一般电化学腐蚀及水垢的危害比起来,微生物危害的严重性更胜一筹,其显著特点是危害速度快,被称之为循环冷却水系统处理中的“急性病”,其危害不可小视。微生物滋生将产生两大直接危害,即微生物腐蚀和沉积腐蚀。微生物腐蚀的一个重要特点是腐蚀速度集中于局部部位,主要是由于微生物繁殖将产生特殊的腐蚀环境,如硫酸盐还原菌产生硫化氢气体,硫细菌、铁细菌和线状菌等产生的酸性环境,造成局部腐蚀,最后将导致严重的点蚀直至穿孔,其危害特别严重。另外,空气中的灰尘进入冷却水系统中沉积,菌藻的滋生加速了这种粘附物的沉积,并且,微生物大量地繁殖和进行新陈代谢,致使系统内水侧表面越来越多的沉积生物粘泥、污垢及腐蚀产物,温度越高的地方沉积越厚,而且较多的沉积在流速骤降的滞流区和水流的死角,这些沉积物的导热性能比金属差几百倍,且沉积物覆盖下的金属表面是贫氧区,形成氧浓差电池使金属遭受严重的沉积腐蚀。另一方面,由于金属腐蚀产物进入水中,使水质恶化,加剧了水侧受热面上的结垢趋势,引起化学硬垢的产生及垢下腐蚀,如此恶性循环,将严重影响生产的长周期安全正常运行。
综上所述,循环冷却水系统由于空气污染、水温升高、水流速度变化、浓缩倍数提高、工艺介质泄漏和工况环境等因素的影响,给系统带来的危害突出地表现在金属设备及管道腐蚀,沉积物的析出和附着,微生物滋生和粘泥形成上。并且这些问题相互作用,形成恶性循环,危害甚大,它们的解决直接关系着生产的正常与否。若不采取必要的水处理技术加以解决,任其泛滥,将给生产带来严重后果,给企业造成巨大的经济损失。
2、循环冷却水系统运行障碍产生的危害
(1)腐蚀引起的危害
①腐蚀消耗金属材料,使换热器强度下降,降低换热器使用寿命,增加设备投入费用及因停产检修造成经济损失。
②腐蚀常引起换热器管壁穿孔,形成渗漏,或工艺介质泄漏进入冷却水中,损失物料,污染水体;或冷却水渗入工艺介质中,使产品质量受到影响,甚至成为废品。
③严重的腐蚀造成换热器传热面急剧减少,失去冷却作用,而且可能引发泄漏事故,危害工厂安全生产,影响生产装置的长周期运行。
④腐蚀产物会形成污垢,污垢附着在设备上又会产生垢下腐蚀,形成恶性循环,其危害性更大。
(2)水垢引起的危害
①高热阻的无机盐垢,导热性能极低,降低换热器传热效率和冷却塔效率。1mm的垢厚大约相当于8%的能源损失,垢层越厚,换热效率越低,能源消耗也越大。不但增加循环水的消耗量,造成有限资源的浪费,而且还会影响产品的产量和质量。
②水垢的形成使管道管径缩小,流量降低,增加能耗,泵压上升,系统阻力增加,使工艺介质的冷却达不到设计要求,影响生产。
③结垢严重时,将换热管道完全堵死,使生产无法进行,造成非正常停车,导致生产工期的延误。
④水垢在金属壁上的沉积,容易诱发垢下腐蚀,加速设备的穿孔泄漏,使设备遭受严重破坏。
⑤水垢的形成增加清洗次数和费用,尤其是系统停车清洗,造成生产被迫中断,减少有效生产时间。同时,频繁的清洗必将加速设备的损耗,影响材料性能,降低使用寿命。
(3)微生物引起的危害
循环冷却水系统的环境极利于微生物的生长繁殖,微生物滋生将产生两大直接危害,即微生物腐蚀和沉积腐蚀。循环水系统中大量细菌分泌出的粘液像粘合剂一样,并以微生物群体及其遗骸为主体,与水中灰尘、杂质、化学沉淀物、腐蚀产物等粘结在一起,形成粘糊糊的胶粘状物,即微生物粘泥。微生物粘泥既能促进污垢沉积,又能促进腐蚀,给系统造成的危害是相当突出的。粘泥是微生物引起的最严重的危害,常表现在以下几个方面:
①粘泥附着在换热部位的金属表面上,降低冷却水的冷却效果。
②大量的粘泥将堵塞换热器中冷却水的通道,从而使冷却水无法工作;少量的粘泥则减少冷却水通道的截面积,从而降低冷却水的流量和冷却效果,增加泵压。
③粘泥集积在冷却塔填料的表面或填料间,堵塞了冷却水的通过,降低冷却塔的冷却效果。
④粘泥覆盖在换热器的金属表上,阻止缓蚀剂和阻垢剂到达金属表面发挥其缓蚀与阻垢的作用,阻止杀生剂杀灭粘泥中和粘泥下的微生物,降低这些药剂的功效。
⑤粘泥覆盖在金属表面,形成氧浓差腐蚀电池,引起金属设备及管道的腐蚀。
 
三、水处理技术的作用及其重要性
 
实践证明,化学处理技术能够很好地解决循环水所带来的危害。它在国外应用已有半个世纪以上;在我国也日益广泛应用,大量推广已有二十多年的历史。其综合处理效果令人满意,处理费用也能为用户接受,是普遍使用的好方法。
在循环冷却水中应用水处理技术,既可改善水质,减少对设备的腐蚀和结垢,延长设备寿命,保证生产长周期均衡平稳地运行,又能节约用水,减少排污,对生态环境大为有利,从而获得良好的经济效益和社会效益。
评价化学处理的经济效益需要从处理费用上和生产上全面评价。化学处理费用经济合理,占循环水成本中的比例并不高,而且带给系统的好处很多,有很好的经济效益。据我们了解,许多厂在这方面都深有体验,特别是有的厂初期投产时循环水未进行化学处理,运行一段时间后才发现“水患成灾”,后来采用化学处理,“对症下药”,使水质得到明显改善。这些厂水处理前后对比的效果往往很生动,取得的经济效益也都很明显。科学技术是第一生产力,循环水化学处理技术在节能降耗,高产稳产,提高效益等方面发挥着非常重要和关键的作用,具体表现在:
1、保证换热设备的高效运行。通过化学处理,减缓设备和管道的腐蚀和结垢,提高换热效率,改善工艺条件,延长设备及管道的使用寿命。
2、稳定生产。没有沉积物附着、腐蚀穿孔和粘泥堵塞等危害,冷却水系统中的换热器就可以始终在良好的环境中工作,除计划中的检修外,意外的停产检修事故就会减少,为生产的长周期安全运行提供保证,从而降低生产过程中因设备维修造成的时间耽延。
3、节约水资源。冷却水使用水处理剂后,可以提高循环水的浓缩倍数,这对工业节水有着重要的作用。与直流冷却水相比,即便循环水的浓缩倍数比较低,例如仅为1.5倍,但此时补充水即可节约94.8%。由此可见,提高浓缩倍数,使用水处理技术,改善和净化水质,对节约水资源有着至关重要的作用。
4、减少环境污染。由于浓缩倍数的提高,循环冷却水系统比起直流冷却水系统来,大大减少了冷却污水的排放量,也就减少了对环境的污染。
5、经济效益显著。采用水稳技术后,循环冷却水系统处于良性循环,换热效率和冷却效果良好,同时减少原材料的消耗,降低生产成本,实现生产的满负荷运行,生产能力提高,产品质量改善,产量增加,经济效益突出。
 
四、水处理技术的主要内容
 
这里所说的水处理技术,是指循环冷却水的化学处理技术,它是一门多学科的综合实用技术。它主要是针对不同的水质、设备、材质和工艺条件等因素,选择合理的缓蚀阻垢配方和优良高效的药剂来抑制腐蚀、水垢和粘泥等危害的产生,使水质稳定,以达到预期的效果,为生产服务。
为了应用好水处理技术,还应有一定的工艺过程和要求,它包括设备剥离清洗、预膜和日常水处理管理工作等。这些过程都是水处理技术的内容,并且每一个环节都是相互联系的,是一个有机的整体,缺一不可,否则将大大降低水处理综合效果。所以,完整地实施水处理技术,是保证循环冷却水系统科学、经济、高效运行的关键。
1、化学清洗
  在采用水处理技术,投加水处理剂之前,应对循环水系统的换热设备和管道进行剥离和清洗,特别是已经运行的老系统,在粘泥沉积、菌藻滋生严重的状况下,清洗尤为重要。主要机理为通过渗透、疏松、剥离、溶解、分散、整合、晶格畸变等作用,除去水侧表面的粘附物、水垢等杂物,以达到净化设备金属表面的目的,为水处理的预膜和日常处理创造条件。剥离清洗对合理使用水处理剂,发挥水处理剂正常效用是非常必要的。
2、预膜处理
预膜是在系统剥离清洗之后、正常运行之前水处理的一个必要步骤。预膜处理就是在紧接系统清洗之后,向系统中投加一定浓度的高效预膜剂,在设定条件下循环运行,使之在设备金属表面形成一层均匀致密的保护膜,达到不易成垢和缓蚀的目的,对系统设备和管道起到良好的保护作用。
3、日常水处理工作
当预膜结束后,水处理剂由高浓度转入低浓度的处理成为日常处理。日常处理工作在水处理工作中具有十分重要的作用。日常水处理工作包括:日常加药和分析监测,投加缓蚀阻垢剂以延缓腐蚀和阻止结垢,投加杀菌灭藻剂控制菌藻滋生及粘泥的粘附。日常加药的目的是维持水中药剂浓度,以保持膜的完整性,并起到缓蚀阻垢作用和控制微生物的生长。
要搞好水处理工作,必须下决心严格科学管理,保证在操作时按照规定的水稳剂配方和控制指标(包括水质、加药等)严格执行。在循环水系统正常运行中,需要进行处理效果的监测(如挂腐蚀试片等工作),以了解水质处理的效果,并根据每天水质分析化验结果,对排污水量、补充水量及加药量进行必要的调整,使之达到要求指标,并控制合理的浓缩倍数。
 
五、水处理运行效果及其评定
 
1、药剂使用后的表现效果
(1)换热设备和水程管道不再产生新垢,老垢在一定程度上逐步减少,管道阻力减小,泵压降低,冷却水流量增大,换热器效率上升,工艺条件改善,生产能力提高,产品质量稳定,产量增加。
(2)设备及管道的腐蚀得到有效的控制,不仅延长了设备的使用寿命和运行投入周期,而且降低了设备腐蚀穿孔引发泄漏事故的可能性,为生产的长周期安全平稳运行提供了强有力的保障。
(3)系统不再产生新菌藻,老菌藻逐步脱落。同时,附着在换热器、冷却塔、水槽壁、池底、管道上的微生物粘泥、软垢也逐渐被疏松、剥离和分散,随排污水一起排掉。这有效地剿灭了微生物的滋生繁殖,阻断了粘泥污物对系统的侵害。
(4)凉水塔喷嘴、填料无堵塞现象,冷却水量增大,喷水均匀,水流畅通,冷却效率提高,冷却水进、出塔温差变大,为工艺介质的冷却达到设计要求提供了充足的低温水量。
(5)系统结垢、腐蚀和微生物等危害得到有效控制,生产稳定,循环水系统始终在良好的环境中安全运转。除计划中的检修外,意外的停产检修、清洗次数减少,从而降低生产过程中因设备维修、清洗造成的时间耽延和经济损失,不仅减少了计划外的经济支出,同时也延长了有效生产时间。
(6)浓缩倍数提高,不仅节约了大量的冷却用水,而且大大减少了冷却污水的排放量,减轻了对环境的污染,为企业赢得了良好的经济效益和社会效益。
2、水处理运行效果的评定
循环冷却水经化学处理后,其效果应达到国家《工业循环冷却水处理设计规范》GB50050-2007标准中的要求:
腐蚀率:碳钢≤0.075mm/a   铜、不锈钢≤0.005mm/a 
污垢沉积率:< 15mg/(cm2·月)
异养菌总数:<1×105个/ml(平板计数法)
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