循环冷却水的化学水处理

  虽然目前化学解决方法是最行之有效的水处理方案，但随着全球对环境保护的重视，对一些毒性较大，或本身虽属于无毒或低毒，但会造成水体富营养化而被列为第二类污染物的一些化学水处理药剂的使用或排放已有很严格的要求，如铬酸盐及其复合冷却水缓蚀剂、磷酸盐类的缓蚀剂和水处理剂等等，这就要求我们应该开发无毒或低毒、低磷和非磷的水处理剂；而操作简单便捷、管理方便及对环境没污染的物理水处理方法及水处理在线检测、监控技术也是今后全力发展的方向。

  用水来冷却工艺介质的系统，我们称作冷却水系统，通常可分为以下两种类型：直流冷却水系统和循环冷却水系统。其中，循环冷却水系统目前已被广泛地应用于各行各业之中，比如，石油化学工业、电力、冶金、医药、纺织、机械、电子等等传统工业公司中的工艺用循环冷却水系统，及各楼宇的中央空调用循环冷却水系统。

  最早使用的是直流冷却水系统，冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后水就被排放掉。这种系统虽然投资少、操作简单便捷，但它的用水量却很大，冷却水的操作费用也大，不符合节约使用水资源的要求，目前基本都改成了循环冷却水系统（除了海水中还在使用的直流冷却水系统），即冷却水用过后不立即排放掉，而是收回循环再用。从直流水系统到循环水系统，水资源的节约非常可观，例如：一个年产30万吨的合成氨工厂，如采用直流水系统，每小时用水量约25000T，而改成循环水系统，并以3倍的浓缩倍数运行，则每小时耗水量只需约550T。

  腐蚀：冷却水在循环使用中，水在冷却塔内和空气充分接触，使水中的溶解氧得到补充,所以循环水中溶解氧总是饱和的,水中溶解氧是造成金属电化学腐蚀的根本原因,这是冷却水循环后易带来的问题之一。

  结垢：水在运行中蒸发（尤其是在冷却塔的环境中），使循环水中含盐量逐渐增加，加上水中二氧化碳在塔中解析逸散，使水中碳酸钙或其它盐类在传热面上结垢析出的倾向增加，这是问题之二。

  生物污垢：冷却水和空气接触，吸收了空气中大量的灰尘、泥沙、微生物及其孢子，使系统的污泥增加；冷却塔内的光照、适宜的温度、充足的氧和养分都有利于细菌和藻类的生长，从而使系统粘泥增加，在换热器内沉积下来，造成了粘泥的危害，这是水循环使用后易带来的问题之三。

  冷却水循环后，冷却水补充水量可大幅度降低，节约了用水，这是我们所希望的。但水循环后突出的腐蚀、结垢和生物污垢等问题如不解决，生产装置的长周期、满负荷、安全稳定运行是很难保证的，那么采用循环水后所期望的经济、技术效益不仅不能充分的发挥，而且将给公司能够带来许多危害——严重的沉积物的附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，由此形成的黏泥污垢堵塞管道或很多材料及设备严重受损等问题，会威胁和破坏工厂的安全生产；而由于各种沉积物使换热设备的水流阻力加大，水泵及相关设备的能耗大幅度的增加，传热效率降低，以此来降低产品的质量或生产效率，这一切都会造成极大的经济损失，例如：电厂出现此类问题，必然使凝汽器凝结水的温度上升、真空度下降，极度影响汽轮机的出力和电厂的发电量，并且大幅度的增加能耗（有一个经验数值：发电机组线%）。

  所以，必须要选择一种科学合理、全面有效且经济实用的循环冷却水处理方案，使以上问题得到妥善解决或改善，水处理是通过水质处理的办法来解决以上问题。如能真正做好水处理，不但能保证保质保量、安全生产，而且还能通过大幅度降低能耗、节约材料、节约用水来降低生产所带来的成本，直接创造可观的经济效益，例如在电厂，就能大大的提升汽轮机凝汽器的线％，提高汽轮机的功率，提高电负荷5～6％，增加发电能力；如应用在低压锅炉炉内处理，不但可将水处理运行的成本从仅使用炉外解决方法时的0.5元/吨降到0.3元/吨左右，而且据统计，可使每台2t•h-1的锅炉节煤约5%；现代工业一般水冷换热器在未进行水处理时的寿命为2年左右，经水处理后的寿命一般可以达到7~8年，检修费和检修工作量可降低90%，一个小型化工厂由此节约的检修费即可达50万元。

  循环冷却水的化学水处理就是通过在水中投加各种化学水处理药剂而达到解决或缓解沉积物附着、金属设备腐蚀和微生物滋生这三个问题，完整的技术过程应是针对循环水系统的水质、设备材质、工况条件选择缓蚀剂、阻垢剂、分散剂、杀生剂正确匹配组成水处理配方，并提出工艺控制条件、提供对应的清洗、预膜方案等，其中将缓蚀剂、阻垢剂、分散剂等组成配方、确定适宜的工艺控制条件，指导开车，提供技术服务，这是冷却水处理技术的主要内容。

  循环水系统中的沉积物主要是水垢和污垢（淤泥、腐蚀产物及生物沉积物），天然水中溶解的各种盐类因受热等种种原因从水中析出，我们叫做水垢，有如：碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氯化物、硅酸盐等等，以钙盐为多。在化学水处理中使用阻垢剂时，不同的药剂对不同的垢起的作用差异很大；而水源不同（江河湖水、地下水、市政供水等等），水质差别也会很大（同一水源，不同季节，水质也会有差异），所以，必须先通过全面的分析，确定水中盐类的主要成分，即主要成垢物质，再选用合适的阻垢剂。

  水中金属的腐蚀主要是有氧的电化学腐蚀，而化学水处理方法就是通过在水中投加缓蚀剂（以钝化膜、沉淀膜及吸附膜等等形式）覆盖于金属表面，起到减缓腐蚀的作用。所以，我们就得先了解系统中金属的种类，结合水质条件及运行参数，选择缓蚀剂，并确定处理方案。

  在冷却水中会引起故障的微生物主要是细菌、真菌及藻类，如铁细菌、硫酸盐还原菌、硝化细菌及硫杆菌等等，它们有的会直接腐蚀各种金属或非金属，有的则会粘附其它杂质沉积附着，危害极大。得先确定系统中主要存在的微生物的种类及数量，结合水质的情况和运行的状况，选择针对性的杀菌灭藻剂，制定有效的杀菌灭藻实施方案。

  总而言之，水处理在进入具体实施之前，先得通过各项分析，全方面了解系统及水质的情况，有时对补充水可以用稳定指数、饱和指数等作腐蚀型或结垢型水质的预判，再通过实验，针对性地选择正真适合的缓蚀剂、阻垢剂及杀菌灭藻剂，并正确匹配组成高效的水处理配方。

  在具体的水处理应用过程中，对于缓蚀、阻垢及杀菌需要作整体考虑，而往往缓蚀及阻垢剂也是复配使用的，有时，是一种水处理药剂兼具缓蚀及阻垢的功能，选择复合缓蚀、阻垢剂及杀菌剂组成配方并制定处理方案时，要全面考虑兼容性，突出“协同效应”，需要仔细考虑以下的一些因素：

  （3）运行的费用和用户的经济条件，这里不仅要考虑水处理剂的费用，而且还应该要考虑原水预处理和排污处理的费用和对工艺生产带来的影响；

  如果需要，应该首先进行冷却用水的预处理；其次，是对系统的表面处理（清洗、预膜）；最后，再进行日常的缓蚀、阻垢及杀菌处理。

  由于地表天然水中混入的悬浮物、胶体物构成水的浊度，浊度太高则不能直接供冷却水使用。通常用混凝沉降、过滤等方法去除（离子交换也是预处理的一类）；有些地区的地下水含铁量或水中的硬、碱度过高，也一定要通过预处理手段先降下来一部分，否则，冷却水使用的过程中正常的水处理药剂将达不到理想的效果。

  在进行日常缓蚀、阻垢及杀菌处理之前，先得对系统作表面处理，目的是清除金属表面的沉积物，预膜保护后，再投加日常水处理药剂。表面处理过程需注意几点：

  （2）严格按技术方面的要求完成整个操作的过程，根据技术参数确定清洗终点（如：铁离子含量曲线、浊度曲线、电导率曲线等等），保证有效、经济；

  （3）新系统投用之前，也需进行表面处理。对于新系统而言，正常投用前的冲洗只能清除安装过程中遗留在系统内的碎屑、杂物和尘土，但清除不了设备和管道在生产及安装中生成的表面氧化皮和油污，而这些会影响预膜处理的效果，所以，要采取更为彻底的表面处理。

  （4）循环水系统的预膜是为了更好的提高缓蚀剂的成膜效果，常在循环水开车初期投加较高的缓蚀剂量，待成膜后，再降低药剂浓度维持补膜，即所谓的正常处理。这种预膜处理，其目的是希望在金属表面上能很快地形成一层保护膜，提高缓蚀剂抑制腐蚀的效果。实践也证明在同一个系统中，经过预膜和未经预膜的设备，在用同样的缓蚀剂情况下，其缓蚀效果却相差很大。循环水系统除了在开车时必须要进行预膜外，在发生以下情况时也需进行重新预膜：

  经过预处理的水将直接作为冷却水的补充用水，在对系统来进行了表面处理后，则依据通过全面分析及实验筛选出的缓蚀、阻垢及杀菌处理的方案投加药剂，进入了对水质的日常控制处理阶段。

  系统在日常的运行中，补充水的水质可能会随季节有所变化，系统的运行参数也有一定的概率会有调整，则需要随时监控水质和处理效果，并根据运行参数、补充水质的变化作水处理方案的相应调整，以确保稳定的最优化效果，调整方向包括，药剂种类、投加浓度、组成配方的比例及投加方式等等。

  而在监控水处理效果的方法中，水质分析一般只作为调整处理方案的依据，水处理的绩效的检测应采用更直观、更准确的方法——腐蚀及热交换效率的测试，即以挂片法或用在线腐蚀测试仪测定循环水系统中各金属的腐蚀速率或瞬间腐蚀速度；用污垢热阻在线测试仪测定热交换效率和监测换热器等等。

  国标或部标都相应对冷却水系统中抑制材料腐蚀及沉积物附着有明确的规定，对作为间接反映系统运作时的状态的水质中各项数据也有明确的标准。

  综上所述，科学、合理和最优性价比的水处理工艺程序是根据您目标系统的运行参数、设备材质、工况条件、水质条件，通过一系列分析及实验来选择最合适的水处理单体及确定单体间的配比组成配方，并采取正确的操作的过程和确定适宜的工艺控制条件。运行过程中还须随时通过一系列分析及实验，调整药剂单体、配方比例及投加剂量，以适应由于气候、环境介质、补充水水质及运行参数等各方面因素的变化引起的循环水质的变化，达到处理效果的最优化。

  前面讨论了用化学水处理方式综合解决循环水系统中沉积物附着、设备腐蚀及微生物滋长等运行障碍的方案。在理论上和实践过程中，除了化学水处理方式外，还能够应用其它的一些方法去抑制沉积物的析出、缓解金属的腐蚀及控制微生物引起的腐蚀、黏泥及其生长，例举如下：

  （1）使用离子交换树脂法或石灰软化法等从冷却水中除去成垢的钙离子的方法；

  4．微生物引起的腐蚀、黏泥及其生长的操控方法，除了投加杀生剂外，主要还有以下一些方法：

  实践证明，以上的很多方法作为辅助手段，都能在防腐、阻垢或杀菌的某一方面起某些特定的程度的作用，但比较化学水解决方法，它们或者还不全面，或者单一方式的处理效率还达不到要求，或者是不够经济。一个良好的水处理控制方案往往是以化学水处理方法为主，根据系统的特定情况，结合以上的一些辅助手段联合使用。

  虽然目前化学处理方式是最行之有效的水处理方案，但随着全球对环境保护的重视，对一些毒性较大，或本身虽属于无毒或低毒，但会造成水体的富营养化而被列为第二类污染物的一些化学水处理药剂的使用或排放已有很严格的要求，如铬酸盐及其复合冷却水缓蚀剂、磷酸盐类的缓蚀剂和水处理剂等等，这就要求我们应该开发无毒或低毒、低磷和非磷的水处理剂；而操作简单便捷、管理方便及对环境没污染的物理水处理方法及水处理在线检测、监控技术也是今后全力发展的方向。

  冷却水处理是一门涉及许多学科的‘边缘’科学，它需要专门的知识和经验。冷却水处理方面的专家不多，而且作为新兴行业，很多单位的技术人员在冷却水处理发生问题时由于自身缺乏经验，希望能及时得到全面的专家意见，所以，一种基于知识的计算机程序系统，能模拟专家领域的专家求解问题的能力，对面临的复杂问题，能做出专家水平的结论的冷却水处理咨询用的计算机专家系统也将是今后全力发展的方向。

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