环境工程给排水技术_05水的冷却和循环冷却水质处理 33页

'第五章水的冷却和循环冷却水质处理5.1水的冷却基本知识5.2循环冷却水水质处理5.3循环水防水结垢的处理5.4循环冷却水的综合利用 §5.1水的冷却基本知识5.1.1水的冷却原理冷却原理：当热水表面直接与未被水蒸气所饱和的空气接触时，热水表面的水分子将不断汽化为水蒸气，在此过程中，将从热水中吸收热量，达到冷却效果。 ①增加热水与空气之间的接触面积；②提高水面空气流动的速度，使逸出的水蒸气分子迅速向空气中扩散。加快水蒸发速度的措施： 水面冷却池它是利用天然池塘或水库，冷却过程在水面上进行，效率低。喷水冷却池它是在天然或人工池塘上加装喷水设备，以增大水气间的接触面。冷却塔它是人工建造的，水通过塔内的淋水装置时，可形成小水滴或水膜，以增大水和空气的接触面积，提高冷却效果。5.1.2冷却构筑物分类 （1）水面面积有限的水体，包括水深小于3m的浅水冷却池和水深大于4m的深水冷却池；（2）水面面积很大的水体或水面面积相对于冷却水量是很大的水体，如河道、海湾等。水面冷却池冷却池水分布 喷水池配水管同距为3～3.5m，同一支管上喷嘴间距为1.5～2.2m；池水水深1.0～1.5m，保护高度0.3～0.5m，估算面积时水力负荷为0.7～1.2m3/（m2·h）。影响喷水池冷却效果的因素是：喷嘴形式和布置方式、水压、风速、风向、气象条件等。喷水冷却池喷水池示意 在冷却塔内，热水从上向下喷散成水滴或水膜，空气由下而上（逆流式）或水平方向（横流式）在塔内流动，在流动过程中，水与空气间进行传热和传质，水温随之下降。冷却塔一般由配水系统、淋水填料、通风及空气分配装置、除水器、集水池、塔体等组成。图为抽风式逆流冷却塔的工艺构造图。湿式冷却塔湿式冷却塔的构造组成 1―配水系统；2―淋水填料；3―挡风墙；4―集水池；5―进风口；6―风机；7―风筒；8―除水器；9―化冰管；10―进水管；抽风式逆流冷却塔工艺构造 冷却构筑物的类型很多，应考虑工厂对冷却水温的要求，当地气象条件、地形特点、补充水的水质及价格、建筑材料等因素，通过技术经济比较选择。冷却构筑物的选择 §5.2循环冷却水水质处理5.2.1循环冷却水水质处理基本概念循环水处理的任务：1）结垢2）污垢3）腐蚀 循环水处理的任务：防止或减经结垢或污垢的产生或沉积；防止或减轻水对设备及系统的腐蚀。应当指出，积垢和腐蚀之间是相互影响且可以相互转化的。沉积物可以引起腐蚀，腐蚀又必然产生沉积物。因此，在循环水处理中，应综合考虑。 5.2.2循环水基本水质要求 腐蚀率一般以金属每年的平均腐蚀深度表示，单位为mm／a。腐蚀率一般可用失重法测定，即将金属材料试件挂于热交换器冷却水中一定部位，经过一段时间，由试验前、后试片重量差计算出每年平均腐蚀深度，即腐蚀率CL腐蚀率（CL）式中Po、P——分别为腐蚀前、后金属重，g；——金属密度，g／cm3；g——重力加速度，m／s2；F——金属与水接触面积，m2；t——腐蚀作用时间，h。 缓蚀率是指经水质处理后腐蚀率降低的效果缓蚀率（η）式中C0、CL——分别表示冷却水未处理时及水处理后的腐蚀率。 热交换器传热面由于结垢及污垢沉积使传热系数下降，从而使热阻增加的量称为污垢热阻。污垢热阻（Rt）式中Rt——即时污垢热阻，m2·h·℃／kJ；K0——开始时，传热表面未结垢时测得的总传热系数，kJ／（m2·h·℃）；Kt——循环水在传热面积垢经t时间后测得的总传热系数，kJ／（m2·h·℃）；ψt——积垢后传热效率降低的百分数。 5.2.3影响循环水水质的因素循环冷却水水质污染循环水的脱CO2的作用循环水的浓缩水温变化的影响电化学腐蚀微生物腐蚀 循环水在一定水质水温条件下，保持不结垢的碳酸盐硬度应有一定限度。用极限碳酸盐法可判断加阻垢剂时水温差较小时的循环冷却水的结垢性，但只能用于判断结垢与否，而不能判断腐蚀性。5.2.4循环水结垢和腐蚀的判别方法极限碳酸盐法 水质稳定性指标在循环冷却水系统中，国内外目前比较广泛采用的是饱和指数IL和已定指数IR。水质稳定性指标式中pH0——水的pH值；pHs——水为CaCO3所平衡饱和时的pH值，其值随水质而定。 IL和IR都只能判断一种倾向，而不能在水质稳定处理中提供量的计算数据。其中IR是利用IL、改变而成的，是一个经验性指数，用IR，判别水的稳定性比用IL更接近实际，而IL只考虑水的碳酸盐系统平稳关系，未能反映其它因素，误差较大。一般情况下，同时使用IL和IR两个指数来判别水质稳定性，可使判断更接近实际。 循环水结垢控制指数pH0和pHS分别为循环水的实际pH值和循环水为CaCO3，所平衡时的pH值；pHp为Ca3（PO4）2溶解饱和时的pH值。按平稳理论，pH0＞pHS（即IL＞0）时即有结垢倾向，但对循环冷却水而言，却按pH0＞pHS+（0.5～2.5）才定为有结垢倾向。其中（0.5～2.5）反应了上述各种影响因素对结垢过程的干扰和控制影响。Ca3（PO4）2是投加锌酸盐产生的。在理论上，pH0＞pHp，即有结垢倾向。但同样理由，指标定为pH0＞pHp+1.5才有结垢倾向。参照溶解度定的CaSO4，和MgSiO3指数也是按上述原因制定。 §5.3循环水防水结垢的处理5.3.1防垢处理防结垢处理：1）用排污法减小浓缀倍数补充水含盐量SB越大，排污量P4越大。如果P4太大则不经济，一般P43％～5％。排污法适用于SB，远小于S且新鲜补充水水源充足的条件下。 通过水的软化法可使水的硬度降低，从而降低SB。此法只适用于补充水质很差或必须提高浓缩倍数的情况。降低补充水碳酸盐硬度酸化法是在水中加人硫酸或盐酸，使碳酸盐硬度转化为非碳酸盐硬度：CaSO4和CaCl2的溶解度远大于CaCO3，故加酸处理有助防垢。酸化法适用于补充水的碳酸盐硬度较大时。采用酸化法时，应注意设备及管道的防腐。 提高循环水的极限碳酸盐硬度的常用方法是向水中投加阻垢剂。常用的阻垢剂有聚磷酸盐、聚丙烯酸盐等。提高循环水中允许的极限碳酸盐硬度防污垢处理及微生物控制1）旁滤设旁滤池是防止悬浮物在循环水中积累的有效方法。 常用的化学药剂有氧化型杀菌剂、非氧化型杀菌剂及表面活性剂杀菌剂等，其作用主要防止水中微生物的滋长。氧化型杀菌剂主要采用液氯、次氯酸钠、次氯酸钙等。化学药剂处理 利用缓蚀剂，使它在金属表面形成一层薄膜，将金属表面覆盖起来，与腐蚀介质隔绝，防止金属腐蚀。5.3.2防腐处理氧化膜型缓蚀剂氧化膜型缓蚀剂形成的防蚀膜薄而致密，与基体金属粘附性强，能阻碍溶解氧的扩散，使腐蚀反应速度降低，而且当保护膜到达一定厚度时，膜的厚度几乎不再增长，因此防治效果较好。但此类缓蚀剂都是重金属含氧酸盐，污染环境。 此类缓蚀剂与溶解于水中的离子生成难溶盐或溶合物，在金属表面上折出沉淀．形成防腐蚀膜多孔、较厚、较松散，且基体密合性差。同时，药剂投量过多，垢层加厚，影响传热。此类缓蚀剂有聚磷酸盐和锌盐。聚磷酸盐是生物的营养物质，必须采取措施控制微生物；锌盐由于对环境污染严重，使用上应加以限制。水中离子沉淀膜型缓蚀剂 这种缓蚀剂是使金属活化溶解，并在金属离子浓度高的部位与缓蚀剂形成沉积，产生致密的薄膜，缓蚀效果良好，在防蚀膜形成之后，即使在缓蚀剂过剩时，薄膜也停止增厚。这种缓蚀剂如巯基苯并噻唑（简称MBT）是铜的很好的阳极缓蚀剂，剂量仅为1～2mg／L。因为它在铜的表面进行螯合反应，形成一层沉淀薄膜，抑制腐蚀。这类缓蚀剂还有其它杂环硫醇。巯基苯并噻唑与磷酸盐共同使用，对防止金属的点蚀有良好的效果。金属离子沉淀膜型缓蚀剂 这种有机缓蚀剂的分子具有亲水性基和疏水性基。亲水基即极性基能有效地吸附在洁净的金属表面上，而将疏水基团朝向水侧，阻碍水和溶解氧向金属扩散，以抑制腐蚀。吸附膜型缓蚀剂 §5.4循环冷却水的综合利用5.4.1技术背景与意义循环冷却水是工业用水中的用水大项，在石油化工、电力、钢铁、冶金等行业，循环冷却水的用量占企业用水总量的50~90%。循环冷却水由于受浓缩倍数的制约，在运行中必须要排出一定量的浓水和补充一定量的新水。 5.4.2循环冷却水现状及存在问题水垢附着在循环冷却水系统中，碳酸氢盐的浓度随蒸发浓缩而增加。当其浓度达到过饱和状态，或经过传热表面水温升高时，会分解生成碳酸盐沉积在传热表面，形成致密的微溶性盐类水垢，其导热性能很差（≤1.16，钢材一般为45）。因此，水垢附着，轻则降低换热器传热效率，严重时，使换热器堵塞，系统阻力增大，水泵和冷却塔效率下降，生产能耗增加，产量下降，加快局部腐蚀，甚至造成非正常停产。 循环冷却水系统中，大量设备是由金属制造，长期使用循环冷却水，会发生腐蚀穿孔。这是由多种因素造成的，主要有：冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀；有害离子（Cl-和SO42-）引起的腐蚀；微生物（厌氧菌、铁细菌）引起的腐蚀等。设备管壁腐蚀穿孔，会形成渗漏，或工艺介质泄露入冷却水中，损失物料，污染水体；或冷却水渗入工艺介质，影响产品质量，造成经济损失，影响安全生产。设备腐蚀 在循环水中，由于养分的浓缩，水温升高和日光照射，给细菌和藻类的迅速繁殖创造了条件。细菌分泌的黏液使水中漂浮的灰尘杂质和化学沉淀物等黏附在一起，形成沉积物附着在传热表面，即生物粘泥或软垢。粘泥附着会引起腐蚀，冷却水流量减少，进而降低冷却效率；严重时会堵死管道，迫使停产清洗。微生物的滋生与粘泥 5.4.3循环冷却水处理和“趋零”排放新技术1）技术目标2）技术关键3）技术路线4）技术分析5）经济效益、环境效益和社会效益分析'