毕业论文（设计）-工业循环水处理技术的探究 8页

'摘要1关键词1前言11.工业用水采用循环用水的必要性12.循环冷却水的概念12.1循环冷却水12.2循环水的冷却原理12.3水量的损失23.循环冷却水处理系统23.1敞开式循环水冷却系统23.2密闭式循环水冷却系统24.循环冷却水的几种处理方法34.1单一的聚磷酸盐处理方法34.2有机磷酸盐处理方法34.3全有机配方处理方法34.4新一代麟系药剂处理方法34.5绿色环保型水处理方法35.循环冷却水中产生的问题及解方法45.1腐蚀45.2结垢5.2.1冷却水系统中水垢的形成55.2.2防止结水垢的方法55.2.3阻垢剂的阻垢机理65.3黏泥66.我国循环冷却水处理的基本情况6结论7参考文献7工业循环冷却水处理技术的探究摘要：本文阐述了工业用水采用循环用水的必要性，循环冷却水系统的分类。介绍了几种循环冷却水处理方法的特点，详细分析了在循环冷却水应用中出现的问题及其解决的方法，最后了解了一下我国当前在循环冷却水的发展情况。关键词：循环水处理系统；循环水处理方法；腐蚀；结垢；黏泥 前言：在发达国家工用水的重复使用率已达到80%-90%,水的浓缩倍率已达到6・8倍。而我国水的利用率平均不到50%,循环冷却水的浓缩倍率绝大多数在2-3倍的水平，从节能节水来说，这无疑是资源的巨大浪费，同时也加大了対环境水质的污染。因此，提高水的利用率，减小环境污染已成为当今工业水处理的一大课题,而工业水循环的利用将有效的解决这一问题，因此工业循环冷却水处理技术值得探究。1.工业用水采用循环用水的必要性在20世纪初，随着工业的迅速发展，工业用书愈來愈多，但是，几乎没有一家工厂用循环水。到了40年代，人们生活用水、农田用水和工业用水之间出现了争夺，直流水系已受到了水资源的限制，于是另觅用水的出路而发展了循环水系统。我国淡水资源并不丰富，且分配很不均衡，北方缺雨少水，更显水源紧张。如华北地区和京津一带已连年闹水荒，严重影响工农业的发展和人们的生活用水，节约用水日益迫切。在水源上得天独厚的长江流域和江南水乡，由于不注意排水出水的处理，江河湖泊遭受不通程度的排水污染，影响人们饮用水的质量和鱼类的生存。为保护生态环境不被破坏，环保部门对排出水的温度、pH值及其他污染物都有规定。为使有害成分达到排放标准，只有减少污水的流量才能适合处理和降低污水处理的费用。因此，无论从节约水源还是从经济观点和保护环境的观点出发，尽尽可能推广采用敞开式循环冷却水系统，这是大势所趋。循环用水比起直流水，除节约新鲜水量、减少排污水量之外，还可以防止热污染。循环水还因控制换热器的污垢阻而提高传热效果和生产效率，减少设备体枳，节约钢材。循环水有效控制了系统中设备的腐蚀，从而提高设备的使用寿命。⑷2•循环冷却水的概念2.1循环冷却水循环冷却水是指通过换热器交换热量或直接接触换热方式来交换介质热量并经冷却塔凉水后，循环使用，以节约水资源。一般情况下，循环水是中性和弱碱性的，pH值控制在7・9.5之间；在与介质直接接触的循环冷却水的有酸性或碱性（pH值大于10.0）的情况，一般较少。2.2循环水的冷却原理循环水的冷却是通过水与空气接触，由蒸发散热、接触散热和辐射散热三个过程共同作用的结果。（1）蒸发散热：水在冷却设备中形成大大小小的水滴或极薄的水膜，扩大其与空气的接触而积和延长接触时间加强水的蒸发，使水汽从水中带走气化所需的热量从而使水冷却；(2)接触散热：水与较低温度的空气接触，由于温差使热水中的热量传到空气中，水温得到降低；(3)辐射散热：不需要传热介质的作用，而是由一种电磁波的形式來传播热能的现象。这3种散热过程在谁冷却中所起的作用，随空气的物理性质不同而异。春、夏、秋三季，室外气温较高，表面蒸发起主要作用，最炎热夏季的蒸发热量可达总散热量的90%以上，故水的蒸发损失量最大，需要的补充水量也最多。在冬季，由于气温降低，接触散热的作用增大,从夏季的10%-20%增加到40%-50%,严寒天气甚至可增加到70%左右，故在寒秋季节水的蒸发损失量减少，补充水量也就随之降低。2.3水量的损失 水量的损失共有四部分(1)蒸发水量：冷却过程中，从冷却水中蒸发逸入大气的水蒸汽量。(2)风吹损失水量：由于空气流，被空气带走部分水滴。(3)排污水量：为了控制冷却水循环过程中因蒸发损失而引起的浓缩过程，必须人为地排掉的水量。(4)渗漏损失：在筐道和贮水系统中因渗漏而损失的水量。2.循环冷却水处理系统循环水冷却通常分为密闭式循环水冷却系统和敞开式循环水冷却系统。密闭式循环水冷却系统中，水是密闭循环的，水的冷却不与空气直接接触。敞开式循环水冷却系统，水的冷却需•要与空气直接接触，根据水与空气接触方式的不同，可分为水面冷却、喷水冷却池冷却和冷却塔冷却等。1.1敞开式循环水冷却系统敞开式循环水冷却系统可分为以下3类：(1).压力回流式循环冷却系统此种循环水系统一般水质不受污染，仅补充在循环使用过程中损失的少量水量。补充水可流入冷水池，也可流入冷却构筑物下部。冷水池也可设在冷却塔下面，与集水池合并。补充水T•冷水池宀循环泵房tI冷却塔*生产车间或冷却设备压力回流式循环冷却系统(2.)重力回流式循环水冷却系统此系统中，冷却塔的位置高於生产车间或制冷设备，经冷却塔冷却的水，以重力流流入生产车间或制冷设备，进冷却塔的热水由循环水塞提升。重力回流式循环水冷却系统(3).需要经处理的循环水冷却系统从生产车间或制冷设备出来的热水需设置净化或水质稳定处理构筑物进行处理，处理後的热水再流入热水池，经热水复提升送入臭氧发生机冷却塔冷却。冷水泵再从冷水池抽水送入生产车间或制冷设备。此系统水经二次提升，多数为压力冋流式。在有条件的情况下，也可布置成重力冋流式，以减少面积和设备，节省能耗。3.2密闭式循环水冷却系统(1.)具有辅助喷淋装置的半密闭型循环水冷系统作为常规工业设备的水冷,往往对循环水的纯度没有很高的要求，所以可以取消水纯化系统。下而为一个用于北京某玻璃厂真空镀膜机的水冷系统。该厂原来采用传统的自来水直流的方法对真空镀膜机进行水冷却，不仅耗水量大，H管路及设备锈蚀严重，经常造成堵塞；在高温潮湿季节，还常常发生水温超标现象。釆川密闭式水冷循环系统对其中一个车间进行了改造，该系统没有电绝缘要求，所以采用一般的去离子水作为冷却液。但由于该设备对水温要求较严，我们增加了一套rti水槽、水垂和喷淋器所组成的辅助的淋水装置。当气候湿热以致单纯的风水换能不能满足散热要求时将其投入，此时水槽中的去离子水或软化水，经水基均匀地喷在换热器表面上，在风机作用下被气化，从换热器表面带走了大量的气化热。喷淋的投入时间是根据循环水温自动控制的。ill于未被蒸发的水被水槽冋收继续使用，大大减少了水的消耗。这套密闭式冷却循环设备从1998年春起用后，被冷却设备没有出现因管路腐蚀及微生物寄生造成的堵塞，并且即使经过长时间运行后水仍很清澈。 (1).风冷和制冷机混合型密闭循环水冷系统当被冷却对象所要求的工作温度较低时，对采用风冷与制冷机相结合的方式实现密闭式循环水的冷却。在气温低时，可主要依靠风冷降温；气温较高时，则主要依靠制冷机组降温。下图为这种系统的方框图，系统中用一个半密封式储水罐来代替缓冲补水罐，利用温控系统，自动调整制冷机组的投入时间和风机的启停，从而达到精确控温的日的。冷却循环水采用去离子水，以保证水路不锈蚀、不结垢、不堵塞。此类系统已被中国科学院人类基因分析实验室等若干重要实验室和医院采用，收到良好效果。⑷3.循环冷却水的几种处理方法1.1单一的聚磷酸盐处理方法这种方法是美国20世纪50-60年代普遍采用的一种水处理方式，而我国20世纪70年代末才应用这种水处理方法。该方法的缺点是聚磷酸盐热稳定性差、易水解，与水中Ca^形成Ca3(PO4)2沉淀，从而降低了聚磷的缓蚀阻垢性能。另外聚磷的阐限值小，因此需要较高的浓度才能维持聚磷酸盐的药效，并且磷酸盐属于营养盐，对环境污染较严重，大量的排放会加速刺激水中藻类的大量繁殖，导致水中大量的溶氧被消耗，水中的生命体因缺氧而死亡。当前磷对环境的污染，己引起各国的重视。因此，采用单一的磷酸盐处理方法已逐渐被淘汰。2.2有机磷酸盐处理方法20世纪70年代后期我国相继廿发研制出有机磷系阻垢剂经基乙叉二嶙酸(HEDP)、氨基三卬叉磷酸(ATMP)等，并被广泛应用。有机磷系药剂的优点为化学热稳定性好，不易水解，易与二价金属离子形成稳定的络合物，在200°C以下有良好的阻垢性能。但这些药剂单一使用的效果并不很理想，对铜材设备的缓蚀效果欠佳，同吋单位重量的含磷暈仍然偏高，人量的排放同样给环境带来很人的圧力。近儿年该药剂也在逐渐被低磷的全有机配方药剂所替代。4.3全有机配方处理方法该药剂是当前最为普遍釆用的循环水处理方法。药剂分子中含有梭酸基、酯基、磺酸基、麟酸基等多种特效官能团，対分散在水中的CaCO3,Ca3(PO4)2,CaSO4及氢氧化铁等溶性效果良好，并且水溶性好，特别与锌盐复配更有其独到之处。4.4新一代麟系药剂处理方法新一代麟系缓蚀阻垢剂是近些年来新开发的低含磷水处理药剂，如20世纪90年代后期开发研制的磷豔基梭酸(POCA)、多氨基多瞇基甲叉磷酸(PAPEMP)等，具有良好的钙容忍度，新型磷系缓蚀阻垢剂具有优良的阻垢特性。4.5绿色环保型水处理方法虽然有机磷酸盐低毒不易分解，但长期排放仍对环境产生一定的影响。为此，人们开始研制对环境污染小的无磷水处理药剂。聚天门冬氨酸即是新型无磷阻垢新产品，已被投人市场,它的特性是对碳酸钙和硫酸钙的阻垢性能优于聚丙烯酸，而且进人环境中能够完全降解。当前美国的唐纳尔公司、徳国拜耳公司、美国罗姆一哈斯公司等都在竞相开发生产该类药剂。但该药剂不如磷系药剂适应的水质广泛，仍存在一定的局限性。3.循环冷却水中产生的问题及解决方法5・1腐蚀冷却水在循环使用过程中，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主要原因。加上水浓缩后含盐量增加，电导率上升，也增加了腐蚀倾向。这是冷却水循环使用后易带来的问题之0 控制金属腐蚀的方法冷却水对金属的腐蚀主耍是电化学腐蚀。大部分控制方法不能完全消除这种腐蚀，只能减缓腐蚀，使其控制在一个可接受的程度。（1）化学处理方法一一添加缓蚀剂在循环冷却水系统中加入低剂量的缓蚀剂（又称腐蚀机制剂），使金属的腐蚀受到抑制。缓蚀剂在水中的浓度一般保持几毫克/升到几十毫克/升。缓蚀剂的缓蚀机理可从电化学腐蚀抑制和形成金属保护膜两个角度来看。从电化学腐蚀角度看，缓蚀剂抑制了阳极或阴极过程，在金属表面产生极化作用，使腐蚀电流减小，达到缓蚀作用。从成膜理论角度看，缓蚀剂在金属表而上形成一层难溶的保护膜，组织了冷却水中氧的扩散和金属的溶解。添加缓蚀剂的化学方法能将金属的腐蚀速度控制在允许的范围，可对全系统进行保护，且经济实用，是目前应用最广泛的方法。（2）提高运行pH值提高循环冷却水系统运行的pH值可以降低碳钢的腐蚀速度。这是因为天然水中均含有一定量的碳酸盐及碳酸氢盐，pH值提高后碳酸盐碱度提高了。容易在金属表面形成碳酸盐保护膜。同时当pH值达到8.0以上时，溶解氧能使碳酸钢表面生成了一层钝化膜（Y-Fe203）o市于循环冷却水曝气和提高浓缩倍数时，水的pH值会自然增长，一般在8.0-9.5之间。故可尽量在自然pH值下运行，系统中可不加酸或少加酸。（3）涂料覆盖法。这种方法是在碳钢换热器的传热表面或封头上涂上防腐涂料，形成一层连续的牢固附着的薄膜。使金属与冷却水隔绝，避免受到腐蚀。此法可应用于系统中部分换热器的防腐蚀。只要涂料选择合适、涂敷的质量好，换热器的使用寿命可以很长，已发现有的使用已超过20年。在实际应用中证明在以下情况时，涂料覆盖换热器有特殊的效果。①系统中不锈钢换热器比率大，碳钢换热器可全部采用涂料涂覆。这样可以不考虑全系统的腐蚀问题，系统中可不加腐蚀剂。②碳钢壳程水冷却器的管外极易结污垢而造成严重的垢下腐蚀，平均寿命约为30个月左右。采用涂料覆可解决污垢问题，寿命大大提高，有的已使用10年以上。③用海水冷却的碳钢水冷却器，其腐蚀速度提高，因海水中氯离子含量可高达20000mg/L左右，对不锈钢也可能产生应力腐蚀开裂。采用涂料涂覆的碳钢水冷器，既可避免海水腐蚀又可降低造价，所以很有前途。（4）采用耐腐蚀材料的换热器。采用比碳钢耐蚀的材料来制造换热器。常采用的金属耐蚀材料有铜合金、不锈钢、铝和钛合金，非金属耐蚀材料有石墨、擴玻璃、氟塑料、聚丙烯、石墨改性聚丙烯等。金属材料比起非金属材料有热导率高、强度高、耐压力高、耐温度高的特点，适合于大型的换热器。（5）电化学保护法一一阴极保护法。从电化学腐蚀反应看，阳极的金属受到腐蚀，而阴极上的金属并未受到腐蚀。如果改变设备的外部条件，使其整个变为一个大阴极，则设备就会被保护不被腐蚀。这就是牺牲阳极保护。即利用电偶腐蚀的原理，牺牲电位较低的一种金属來保护另一种金属。有以下两种方法。①护屏保护。在需要保护的碳钢或铜换热器上，用电位较低的锌、镁或其合金作为阳极,使换热器受到保护。被护屏保护的范围称为护屏作用的半径。介质的电导率愈大，则护屏的作用半径愈大。故此法更适用于海水，最适用于保护换热器的管板和封头。②外加电流保护。将需要保护的碳钢设备接到直流电源的负极上，在正极上接上辅助阳极，如石墨、碳精等，使碳钢设备在外加电流的作用下变成阴极而受到保护。这种保护法需 耍耗电能。只适用于形状简单的换热器，如蛇管或排管换热器之类。以上防蚀方法中，(5)法不常用，(1)、(2)、(3)、(4)法均常用。可以单独采用其中一种，也可以几种方法共用。5.2结垢水浓缩之后成垢离子成倍增加。特別由于碳酸盘盐是很不稳定的盐类，它在换热器表面上受热会分解为碳酸盐和二氧化碳。碳酸钙的溶解度很低，使传热面上结碳酸钙水垢的倾向增加，这是问题之二。5.2.1冷却水系统中水垢的形成在循环冷却水系统中，水垢是由过饱和的水溶性组分形成的。水中溶解有各种盐类，如碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等，其中以溶解的碳酸氢盐如Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2最不稳定，极容易分解生成碳酸盐。因此，当冷却水中溶解的碳酸盐较多时，水流通过换热器表面，特别是温度较高的表面，就会受热分解，其反应如下：Ca(HCO3)2^CaCO3xk+H2O+CO2个当循环水通过冷却塔，溶解在水屮的C02会逸出，水的pH值升高，此时，碳酸氢盐在碱性条件下也会发生如下的反应：Ca(HCO3)2+2OHTCaCO34/+2H2O+CO32"如水中溶冇适量的磷酸盐与钙离子时，也将产生磷酸钙的沉淀：2PO43+3Ca2+^Ca3(P04)2^上述一系列反应中生成的CaC03、Ca3(P04)2等均属难溶性盐，它们的溶解度比起Ca(HCO3)2来要小得多。同吋，它们的溶解度与--般的盐类还不同，其溶解度不是随着温度的升高而加大，而随着温度的升高而降低。因此，在换热器传热表而上，这些难溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出，尤其当水流速度小或传热面较粗糙时，这些结晶沉淀物就会沉积在传热表面上，形成了通常所称的水垢。由于这些水垢结晶致密，比较坚硬,又称为硬垢。常见的水垢成分为碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、镁盐、硅酸盐。5.2.2防止结水垢的方法防止或控制水垢的方法有化学方法和物理方法。国内已使用的物理方法有磁化处理及静电处理。目前物理方法多应用在单台设备或小型循环水系统中，其技术尚待常握。对于大中型循环冷却水系统来说，采用化学方法处理较成熟、经济和有效。因最常见的水垢是碳酸钙,所以各种方法的重点是解决碳酸钙沉积问题。以上是常用采用的化学方法。(1)除去部分成垢离子。碳酸钙水垢的成垢离子是钙及碳酸根(由碳酸氢根转化来)离子。在补充水中钙离子及碱度较高时，可在预处理工序中除掉部分硬度和碱度，即采用软化补充水。软化水的成垢离子较低，有利于提高循环水的浓缩倍数。常用的软化方法有离子交换法及石灰软化法两种。(2)加酸或二氧化碳气，降低循环水的pH值，稳定碳酸(3)在循环水中加入少量阻垢剂，破坏碳酸钙等成盐类的结晶生长，防止水垢沉积。5.2.3阻垢剂的阻垢机理阻垢剂不仅能够控制水垢，也能在一定程度上控制腐蚀产物、黏泥、和淤泥。加入很少量的阻垢剂就能控制大量的成垢物质，一般认为其阻垢机理如下：（1）晶格畸变。无机垢（如碳酸钙）晶体在成长时，是按照一定晶格排列的，结晶致密,比较坚固。在水中含有聚竣酸或有机磷酸盐（麟酸或有机磷酸酯）阻垢剂吋，阻垢剂的基团具有对金属离子的螯合能力，对无机垢的结晶形成了干扰，使晶格发生歪曲，成为不规则的晶体，这就是晶格畸变作用。晶格畸变使换垢变为无定型的软垢。这种垢的结晶不易长大, 垢层中有大量空隙，彼此黏结力差，在水流中容易被冲走，可以随排污水一起排掉。（2）络合增溶。聚磷酸盐、有机磷酸盐或聚竣酸等药剂在水中能够夺取钙镁离子，形成稳定的络合物。这实际上等于降低了水中钙镁离子的浓度，即减少了Ca^与CO32一结合形成CaC03的机会。也就是说，相当于提高了循环水中钙镁离子的允许浓度，即增大了钙镁盐的溶解度。络合增溶的作用可以使更多的碳酸钙稳定在水中析出。（3）凝聚与分散。阴离子型阻垢剂（如聚竣酸类）在水中所离解得负离子能够吸附成垢盐（如碳酸钙）的微晶粒子，首先使微晶粒子形成双电子层，并进而吸附在负离子的分子链上，使微晶粒子带负电荷。Ftl于分子链上的多个微晶粒带有相同电荷，彼此相斥，不能结成人晶粒，使成垢盐难以沉积在金属传热而上形成垢层。阴离子阻垢剂的负离子对微晶粒既有凝聚作用，乂能将其分散到整个水系统中，使其呈平均分散状况。这种凝聚和分散作用使成垢盐微品粒稳定地悬浮在水中，实际上减少了微品粒碰撞长大、形成晶核、进而析出的机会,使水中能容纳更多的成垢盐。5・3黏泥冷却水和空气接触，吸收了空气中大量的灰尘、泥沙、微生物及其抱子，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，从而使系统黏泥增加，在换热器内沉积下来，造成了黏泥的危害，这是水循环使用后易带来的问题之三。清洗水冷却器中的黏泥系统清洗水冷却器中的黏泥的目的是将水冷却器表面的黏泥剥离下来并排除新系统外。这种系统清洗实际上是强化了的杀生处理。采用较大的杀生剂量。特別是加入剥离效果较强的非氧化性杀生剂进行杀生，使黏泥剥落入循环水系统中，再通过排污使黏泥排除系统。其基本方法是“杀生■剥离•排污”或“杀生剥离•排污•再杀生•排污”。循环水中加入杀生剂后一般运行24h排污，24h之后开排污阀，排污水量适当加大以利黏泥排除系统。冷却水的循坏使用对换热器带來的腐蚀、结垢和黏泥问题要比使用直流水严重得多。因此，循环冷却水如果不加以处理，则以上问题的发生将使换热设备的水流阻力加大，水垂的电耗增加，传热效率降低，并使生产工艺条件处于不正常状况。一些工厂，为了提高传热效率的需要，换热器的篮壁很薄，并且严格控制污垢的厚度，换热器一旦发生腐蚀或结垢，尤其是局部腐蚀的发生，后果相当严重！因此，换热系统必须综合解决腐蚀、结垢和微生物黏泥三个问题。冷却水的化学处理是用加入化学药品的方法来防止循环冷却水系统腐蚀、结垢和黏泥等问题的产生。常用的处理药剂有缓蚀剂、阻垢剂和杀生剂等6.我国循环冷却水处理的基本情况H前我国循环冷却水处理的基本情况是:（1）缺水，需要提高水的浓缩倍数;（2）水源被污染，表现在：出现赤潮，需要降低磷酸盐的排放量；&S含量高，引起设备的腐蚀；(3)水的回用不够；(1)自动化程度较低，工作人员较多，需要、、减员增效"；(2)设计不合理，例如全系统的贮水量偏大；(6)设备用材的档次偏低，渗漏(漏油、漏氨等)较多；(7)冷却水处理以化学法(水质稳定剂法)为主；(8)化学法又以磷酸盐(包括麟酸盐)系水处理剂为主；(9)磷酸盐系水处理方案乂以不加酸调pH的碱性冷却水处理为多。 结论工业水循环处理对水资源的重复利用均具有重要的意义。该系统己被发展成为一个比较成熟稳定的体系，它的普及将给我国水资源短缺得到缓解。水循环处理过程中出现的问题很多，循环冷却水必须综合解决腐蚀、结垢、黏泥等问题。随着科技的高速发展，我们期待低能耗、高效益、少污染的解决方法应运而生。参考文献[1]陈军，李映川，朱志坤，等.城市中水回用于工业冷却水技术初探[J]・工业水处理，2005,25(7):13-17・[2]唐受印，戴友芝，等•工业循环冷却水处理[M]•北京：化学工业出版社，2003.[3]周本省•工业水处理技术[M]・北京：化学工业出版社，2002.[4]李本高•现代工业水处理技术与应用[M]•北京：中国石化出版社.[5]金熙，项成林，齐东子•工业水处理技术问答[M].北京：化学工业出版社，2003.'