工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)水處理
一、敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)普遍存在的問題
敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，由于水溫的升高、流速的變化、冷卻水的蒸發(fā)、各種無機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)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(tǒng)的蒸發(fā)損失、飛濺損失、泄漏損失和排污損失的影響，使系統(tǒng)的補(bǔ)水量較大。這些都是造成系統(tǒng)結(jié)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(shè)備腐蝕和微生物的大量滋生，可導(dǎo)致系統(tǒng)粘泥污垢堵塞管道、水質(zhì)指標(biāo)低劣、換熱效率下降，對(duì)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗造成嚴(yán)重威脅。因此，選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)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(fā)生水垢附著的主要成分。鹽的濃度隨著蒸發(fā)濃縮而增加，當(dāng)其濃度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，或者經(jīng)過換熱器傳熱表面使水溫升高時(shí)，會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：
Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O
冷卻水經(jīng)過冷卻塔向下噴淋時(shí)，溶解在水中的游離CO2氣體逸出，這就促使上述反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)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(dǎo)熱系數(shù)不同，但一般不超過1.16w/m·k，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)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(chǎn)量；重者堵塞管道，影響安全生產(chǎn)。
（二）設(shè)備腐蝕影響生產(chǎn)和縮短使用壽命
在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，大量的設(shè)備是金屬制造得換熱器。對(duì)于碳鋼制造的換熱器，長(zhǎng)期使用循環(huán)冷卻水，會(huì)發(fā)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(xué)腐蝕
敞開式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，水與空氣中氧氣能充分地接觸，因此水中溶解的O2可達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)碳鋼與溶有O2的冷卻水接觸時(shí)，由于金屬表面會(huì)形成許多腐蝕微電池，微電池的陽(yáng)極和陰極區(qū)分別發(fā)生下列的氧化和還愿反應(yīng)：
在陰極區(qū) Fe→Fe2+＋2e
在陰極區(qū) 1/2O2＋H2O＋2e→2OH￣
在水中 Fe2+＋2OH￣→Fe(OH)2
O2
Fe(OH)2→Fe(OH)2
以上反應(yīng)機(jī)理，促使微電池在陽(yáng)極區(qū)的金屬不斷的被溶解而被腐蝕。
2.有害離子的腐蝕
循環(huán)冷卻水在濃縮過程中，除重碳酸鹽濃度隨濃縮倍數(shù)增長(zhǎng)而增加外，其它的鹽類如氯化物、硫酸鹽等的濃度也會(huì)增加。當(dāng)Cl￣和SO2—離子濃度增高時(shí)，會(huì)加速碳鋼的腐蝕。Cl￣和SO2—離子會(huì)使金屬表面保護(hù)膜的保護(hù)性能降低，尤其是Cl￣離子半徑小，穿透性強(qiáng)，容易穿過膜層，置換氧園子形成氯化物，加速陽(yáng)極過程的進(jìn)行，所以氯離子是引起點(diǎn)蝕的原因之一。
對(duì)于不銹鋼制造的換熱器，Cl￣是引起應(yīng)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(shè)備上應(yīng)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(huán)冷卻水系統(tǒng)中如有不銹鋼制的換熱器時(shí)，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(huì)使金屬發(fā)生腐蝕。這是由于微生物排出的粘液與無機(jī)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(dāng)溫度為25～30℃時(shí)，繁殖更快。它分解水中的硫酸鹽，產(chǎn)生H2S，引起碳鋼腐蝕，其反應(yīng)如下：
SO4＋8H+＋8e→S2-＋H2O＋能量（細(xì)菌生存所需）
Fe2+＋S2-→FeS↓
鐵細(xì)菌是鋼鐵銹瘤產(chǎn)生的主要原因，它能使Fe2+氧化成Fe3+，釋放能量供細(xì)菌生存需要。
Fe2+→Fe3+＋能量（細(xì)菌生存所需）
上述各種因素對(duì)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(zhì)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(zhì)中，使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。當(dāng)被腐蝕穿孔的管子數(shù)量不多時(shí)，可采取臨時(shí)堵管的辦法，時(shí)換熱器在減少傳熱面的情況下繼續(xù)使用。當(dāng)穿孔的管子過多時(shí)，換熱器傳熱面減少的太多，失去冷卻作用，此時(shí)只能停產(chǎn)更換。因此腐蝕與水垢一樣，都是危害企業(yè)安全生產(chǎn)、造成經(jīng)濟(jì)損失的“大敵”。
（三）微生物粘泥導(dǎo)致系統(tǒng)失效
冷卻水中的微生物一般是指細(xì)菌和藻類。在新鮮水中，一般來說細(xì)菌和藻類都較少。但在循環(huán)水中，由于水中營(yíng)養(yǎng)成分的濃縮，水溫的升高和日光的照射，給細(xì)菌和藻類創(chuàng)造了迅速繁殖的條件。大量細(xì)菌分泌出粘液和藻類產(chǎn)生的粘性物質(zhì)就像粘合劑一樣，能使水中飄浮的灰塵雜質(zhì)和化學(xué)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(huì)對(duì)設(shè)備管道造成微生物腐蝕外，還會(huì)降低換熱器的冷卻效率，甚至堵塞設(shè)備管道，迫使企業(yè)臨時(shí)停產(chǎn)清洗。例如，北京某廠換熱器中菌藻大量繁殖，半個(gè)月內(nèi)就是熱負(fù)荷下降到50%，不得不臨時(shí)停產(chǎn)清洗，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。
三、敞開式循環(huán)冷卻水處理的必要性
綜上所述，冷卻水長(zhǎng)期循環(huán)使用，必然造成系統(tǒng)水垢結(jié)生，設(shè)備管道腐蝕和微生物大量滋生等問題，而循環(huán)冷卻水處理就是通過對(duì)水質(zhì)進(jìn)行化學(xué)處理來解決這些問題的。本方案對(duì)水質(zhì)化學(xué)處理的好處主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
（一）穩(wěn)定生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行
對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行除垢防垢處理、防腐處理和殺菌滅藻處理，可消除系統(tǒng)沉積物附著、設(shè)備管道腐蝕穿孔和生物粘泥堵塞等危害，使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備管道在良好的水質(zhì)環(huán)境中運(yùn)行，臨時(shí)性檢修、停車事故減少，保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。由于本方案提供的水處理措施能有效保護(hù)系統(tǒng)金屬不能損傷，因此能大大延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，從而為企業(yè)全面完成生產(chǎn)任務(wù)和有效提高經(jīng)濟(jì)效益提供了有力保障。
（二）節(jié)約水資源、降低運(yùn)行成本
循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是一項(xiàng)重復(fù)利用水資源的節(jié)能環(huán)保工程，對(duì)企業(yè)節(jié)能降耗和提供經(jīng)濟(jì)效益都有極其重要的意義。例如年產(chǎn)30萬噸合成氨企業(yè)，如果采用直流冷卻水系統(tǒng)，則每小時(shí)耗水量達(dá)23500m3。如果改為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，濃縮倍數(shù)控制在1.5，則每小時(shí)耗水量降為1100m3，如果將濃縮倍數(shù)提高到3，每小時(shí)耗水量只需550m3。采用本方案使康迪雅化學(xué)公司目前的冷卻水耗水量減少90%以上，從而大幅度節(jié)約運(yùn)行冷卻水費(fèi)用。因此，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)按本方案進(jìn)行水質(zhì)處理，可有效控制濃縮倍數(shù)，對(duì)于節(jié)約水資源，提高經(jīng)濟(jì)效益都是至關(guān)重要的。
（三）減少環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境
直流冷卻水系統(tǒng)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(duì)直流冷卻水也采用化學(xué)藥劑以消除結(jié)垢、腐蝕，那么大量排放的冷卻水將向水源中帶入許多化學(xué)物質(zhì)，對(duì)水源造成嚴(yán)重污染。采用本方案對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)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(dá)到所允許的排放標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成損害，也就不存在污染環(huán)境，破壞生態(tài)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(nèi)容
1.系統(tǒng)傳熱界面的防垢阻垢；
2.系統(tǒng)的殺菌滅藻和防微生物粘泥處理；
3.管道設(shè)備的預(yù)膜防腐處理；
4.完善的水處理技術(shù)方法；
5.水質(zhì)指標(biāo)測(cè)評(píng)和效果評(píng)價(jià)。
（二）本方案主要包括以下目標(biāo)
1.提高系統(tǒng)的換熱效率，節(jié)約能源降低冷卻水消耗量；
2.延長(zhǎng)檢修周期二年以上，降低檢修費(fèi)用；
3.有效控制系統(tǒng)濃縮倍數(shù)，減少補(bǔ)水和排污量；
4.控制腐蝕速率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；
5.在不增加企業(yè)崗位和人員的前提下，保證企業(yè)的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行生產(chǎn)。
五、循環(huán)水水質(zhì)處理預(yù)期達(dá)到的效果
經(jīng)上述水質(zhì)處理，冷卻循環(huán)水應(yīng)滿足《工藝循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50050－95）中規(guī)定：
1.敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱設(shè)備的水側(cè)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(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱設(shè)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(huán)冷卻水系統(tǒng)中的異養(yǎng)菌數(shù)宜小于5×105個(gè)/ml，粘泥量宜小于4ml/m3。