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作者： 来源： 日期：2009-10-21 点击：2086
电力、冶金工业循环冷却水水质分析及循环工艺优化设计，目前电力、冶金企业内冶炼炉等电力、冶金设备的循环冷却水在使用之后，水中的Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-等离子，溶解固体和悬浮物相应增加，空气中污染物如灰尘、杂物、可溶性气体以及换热器物料泄露等，均可进入循环冷却水，使循环冷却水系统中的设备和管道 腐蚀、结垢，造成换热器传热效率降低，过水断面减少，甚至使设备管道腐蚀穿孔。 循环冷却水系统中结垢、腐蚀和微生物繁殖是相互关联的，污垢和微生物粘泥可以引起垢下腐蚀，而腐蚀产品又形成污垢，要解决循环冷却水系统中的这些问题，必须进行综合治理。 采用水质稳定技术，用物理与化学处理相结合的办法控制和改善水质，使循环冷却水系统中的腐蚀、结垢、生物污垢得到有效的解决，从而取得节水、节能的良好效益。笔者将通过这几年从事工业循环冷却水设计的经验，从循环冷却水系统的水质分析以及相关的水处理技术方面进行阐述，并通过设计实例从循环冷却水系统的循环方式选择、设备选型、水处理技术的选用等方面进行剖析。
循环冷却水是工业用水中的用水大项,在电力、冶金行业，循环冷却水的用量占企业用水总量的 50-90%。循环冷却水工艺设计是否合理直接影响整个系统的安全可靠运行、工程投资、维护运行费用、冷却水补水量和排污量。前些年，有些电力、冶金企业不太重视水资源的节约，在循环冷却水工艺设计时，采用市政自来水或地下水来冷却设备，冷却之后的水用于职工洗澡或直接排入下水道，虽然这种工艺简单，也很容易满足设备对水温的要求，但在水资源短缺的今天，这种陈旧的工艺造成水资源的极大浪费，其将慢慢被新的工艺来代替以满足节能的要求。 笔者将通过这几年从事工业循环冷却水设计的经验，从循环冷却水系统的水质分析以及相关的水处理技术方面进行阐述，并通过设计实例从循环冷却水系统的循环方式选择、设备选型、水处理技术的选用等方面进行剖析。尽量做到系统的优化设计。 电力、冶金企业内冶炼炉等电力、冶金设备的循环冷却水在使用之后，水中的Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-等离子，溶解固体和悬浮物相应增加，空气中污染物如灰尘、杂物、可溶性气体以及换热器物料泄露等，均可进入循环冷却水，使循环冷却水系统中的设备和管道 腐蚀、结垢，造成换热器传热效率降低，过水断面减少，甚至使设备管道腐蚀穿孔。 循环冷却水系统中结垢、腐蚀和微生物繁殖是相互关联的，污垢和微生物粘泥可以引起垢下腐蚀，而腐蚀产品又形成污垢，要解决循环冷却水系统中的这些问题，必须进行综合治理。 采用水质稳定技术，用物理与化学处理相结合的办法控制和改善水质，使循环冷却水系统中的腐蚀、结垢、生物污垢得到有效的解决，从而取得节水、节能的良好效益。。 循环冷却水由泵送往冷却系统中各用户，经换热后温度升高，被送往冷却塔进行冷却。在冷却塔中热水从塔顶向下喷淋成水滴或水膜状，空气则逆向或水平交流流动，在气水接触过程中，进行热交换。水温降至符合冷却水要求时，继续循环使用。空气由塔顶溢出时带走水蒸气，使循环水中离子含量增加，因此必须补充新鲜水，排出浓缩水，以维持含盐量在一定浓度，从而保证整个系统正常运行。补充水的量应弥补系统蒸发、风吹（包括飞溅和雾沫夹带）及排污损失的水量。循环水与补充水中含盐量之比，即为该循环水系统的浓缩倍数。在一定的循环冷却水系统中，只要改变补充水的含盐量，就可以改变循环水系统的浓缩倍数，而提高浓缩倍数是保证整个循环冷却水系统经济运行的关键。 冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水温升高、流速变化、蒸发、各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷却水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备的结构和材料等多种因素的综合作用，会产生很多问题。 3.1 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（≤1.16W/(m.K)，钢材一般为45W/(m.K)）。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。 3 3.2 设备腐蚀 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。 3.3 微生物的滋生与粘泥 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。综上所述，冷却水长期循环使用后，必然会带来结垢、腐蚀和微生物滋生问题。解决好这三个问题才能稳定生产、节约资源与能源，从而减少环境污染，提高经济效益。 4.1 水垢的控制 循环水系统中最易生成的水垢是碳酸钙垢，水垢控制即是防止碳酸钙的析出，大致有以下几类方法。 1.从补充冷却水中除去成垢的钙、镁离子在补充水进入循环水系统之前进行软化处理，除去 Ca2+、 Mg2+，也就形不成水垢。目前常用的软化方法有两种： 一是离子交换树脂法，该法适于补充水量小的循环水系统间或采用；二是石灰软化法，即投加石灰，使Ca(HCO3)2 反应生成CaCO3 沉淀提前析出。该方法成本低，适于原水（尤其是暂时硬度大的结垢型原水）钙含量高，补充水量较大的循环冷却水系统。 2.加酸或通入CO2 气体，降低PH 值，稳定重碳酸盐 在循环水中加酸（通常为硫酸）或通入CO2 气体，降低PH 值，使下列平衡左移，重碳酸盐处于稳定状态。 Ca(HCO3)2=======CaCO3＋H2O＋CO2 3.投加阻垢剂 在循环水中投加阻垢剂，破坏CaCO3 的结晶增长过程，以达到控制水垢形成的目的。目前常用的阻垢剂有聚磷酸盐、有机多元膦酸、有机磷酸脂、聚丙烯酸盐等，这也是目前应用最广的控制水垢的方法。 4.2 污垢的控制 控制污垢，可从下面几个方面努力： ⑴ 对补充水进行预处理，降低浊度 ⑵ 做好循环水水质处理 ⑶ 投加分散剂可将粘合在一起的泥团杂质等分散成微粒悬浮于水中，随水流流动而不沉积，从而减少污垢对传热的影响，部分悬浮物还可随排污排出。 ⑷ 增加旁滤设备如果在系统中增设旁滤设备，控制好旁流量和进、出旁流设备的浊度，就可保持系统长时间运行下的浊度在控制指标内，减少污垢形成。 4.3 循环冷却水系统金属腐蚀的控制 循环冷却水系统金属腐蚀的控制方法常用的主要有以下四种： 1.添加缓蚀剂是一种用于腐蚀介质中抑制金属腐蚀的添加剂，它用量少，不会改变腐蚀介质的性质，不需特殊投加设备，也不需对设备表面进行处理。因此，使用缓蚀剂是一种经济效益较高且适应性较强的金属防护措施。在敞开式循环水系统中，常用的KLW-401、KLW-403等，并且为了减轻环境富营养化的压力，目前更趋向于使用后面几种有机膦酸盐和低磷缓蚀剂。 2. 提高循环水的PH 值，使金属表面生成氧化性保护膜的倾向增大，易于钝化，从而有利于控制设备腐蚀。敞开式循环冷却水系统通常通过在冷却塔内的曝气提高PH 值，当水中和空气中的CO2 达到平衡时，水的PH 为8.5 左右。提高循环水的PH 值后，不可避免的带来一些问题：循环水结垢倾向增大；设备腐蚀速度下降，但还不能满足要求；某些常用缓蚀剂失效。目前可通过添加专门为碱性冷却水处理开发的复合缓蚀剂来解决，例如：KLW-401B、KLW-403B等。这些水处理剂的复合配方可发挥出除垢和防腐的综合作用，由于协同或增效作用，它比单一药剂的单一作用，效果更显著，这也是缓蚀剂的发展趋势。 3. 用防腐涂料涂覆通过防腐涂料的屏蔽、缓蚀、阴极保护及PH 缓冲作用来保护设备不受腐蚀。 4.4 循环冷却水系统微生物的控制 循环水系统中微生物引起的腐蚀、粘泥及其生长的控制方法有：设备选用耐 蚀材料；控制循环水中的氧含量、PH 值、悬浮物和微生物的养料等水质指标；在防腐涂料中添加杀生剂，抑制微生物的生长；采取在冷却水水池加盖、冷却塔的进风口加装百叶窗等措施，防止阳光照射；设置旁流过滤设备；对补充水进行混凝沉淀预处理以及颇有前途的噬菌体法等。 除上面所列方法之外，目前最有效和最常用的方法则是向循环水中添加杀生剂。杀生剂的种类很多，分为两大系列1、为氧化型；2、为非氧化型。 综上所述，上面介绍的是分类解决循环水系统问题的各种方法，在实际应用中需要根据原水水质、循环水水量及温升、补水水质和价格、使用循环水的换热设备材质和型式以及其他工况条件等实际情况，综合考虑经济效益和环境效益，选择适宜的除垢、防腐、控制微生物的方法结合在一起，制定出经济、实用、可行的循环水处理方案才能实现循环水系统的经济合理运行。 冷却循环水系统，关键在于流程的可靠性、出水的稳定性以及制水成本。就目前我国冷却循环水系统技术实际情况而言，有多种处理方法可拱选择，包括离子交换、电渗析法、反渗透法、纳滤、超滤和微滤、过滤以及絮凝、氧化等。 离子交换法主要用于去除水中离子化的物质。电渗析法以离子交换膜为介质，靠离子的选择透过性来分离水溶液中的某些物质。它是在离子交换技术的基础上发展起来的一项新技术，它去除的也是一些电解质物质。 反渗透法是近20 年来发展起来的膜技术，现己被广泛地用于水质除盐和污水治理等方面。该法专门用以分离水中的分子态和离子态溶解物质，其实质是向水溶液中施加巨大的压力，使溶剂水透过反渗透膜成为淡水，而溶质被阻留成为浓水，由此可达到两个目的，一是从含盐水中制取淡水；二是浓缩污水中的溶解态污染物质，处理后的水直接重复利用。反渗透装置是以分子扩散膜为介质。以静压差为推动力来分离水溶液中的物质，与电渗析法相比，在经济上具有显著的优越性，电能效率较高、能耗低，相同进水条件下，反渗透法生产一吨淡水的能耗为电渗析法的五分之一至十分之一。 超滤和微滤亦属于压力推动的膜工艺系列，就分离范围而言，它补充了反渗透、纳滤和普通过滤之间的空隙。超过滤是对料液施加一定压力后，高分子物质、胶体、蛋白质、微粒等被半透膜所截留，而溶剂和低分子物质则透过膜。超过滤的分离机理主要是膜表面孔径筛分机理、膜孔阻塞的阻滞机理和膜面以及膜孔对粒子的一次吸附机理。一般来说，超滤操作的跨膜压差为0.2-0.7MPa，远远小于反渗透等膜法装置。但超滤装置不能脱盐，实现不了我们污水深度处理的目的。 5 真空感应熔炼炉（简称 500kg 真空炉）的水冷系统分为三大部分组成。中频电源冷却系统、炉子冷却系统、真空机组冷却系统。三大系统中，中频电源是采用独立密闭式水冷通过循环机组来冷却，内装蒸馏水，炉体、线圈、真空机组等采用不锈钢板式热交换器冷却塔凉水冷却方式，内装电渗析处理水。各部分对冷却水水质、流量、水压、热负荷、供回水温度的参数要求都比较严格，其中任何一个参数出了问题，都会影响设备的正常运行。因此500kg 真空炉冷却水系统的工艺设计和参数设计都非常重要。 我院以前在运行的一些设备的冷却水系统都属于直接冷却，这种工艺方式很容易满足设备对流量、水压、供回水温度的要求，冷却效果也不错，但是必须在设备对水质无严格要求的情况下才能使用。500kg 真空炉对水质的要求相当严格，由于循环冷却水在使用之后，水中的 Ca2+、Mg2+、Cl-等离子，溶解固体和悬浮物相应增加，空气中污染物如灰尘、杂物、可溶性气体等，均可进入循环冷却水，使循环冷却水系统中的设备和管道腐蚀、结垢，造成冷却效率降低，过水断面减少，甚至使设备管道腐蚀穿孔，仪器仪表寿命降低。考虑到这个因素，并且基于前人设计的经验，我采取了以板式换热器作热量交换的内外封闭冷却循环系统以达到真空炉冷却工艺。 6.1 电力、冶金设备对冷却循环水的工艺要求 1.水压：≥0.3 Mpa 2.供水温度：≤38℃ 3.回水温度：≤45℃ 4.水质：自来水经电渗析处理，电阻率≥10 (MΩ •cm，25℃) 6.2 冷却循环水系统工艺方案确定 6 凉水池 循环水池冷却塔板式交换器真空炉循环水箱反渗透器循环机组电源柜水池补水水箱排水系统排水真空炉冷却循环水原理（图一）事故水 为了达到真空炉冷却循环水的要求，延长冷却水管路的寿命，并且摆脱高程对回水的束缚，采取了以板式 换热器作热量交换的内密闭外敞开式冷却循环系统方案，此系统分为内外两个循环系统。外循环系统包括： 冷却塔，凉水泵，外循环水泵，循环水池（中间有隔断和连通孔），水池补水系统，过滤器，相应管路阀 件；内循环水系统包括：内循环泵，循环水箱，水箱补水系统，电渗器，过滤器，相关管路阀件；另外还 包括内外循环系统的热交换设备——板式热交换器。内循环系统补水水源采用电渗析处理水，外循环系统 补水水源采用地下水。为了节约投资，内循环系统的设备安装在房间内，外循环系统的设备安装在室外， 为了保证冬季系统的正常运行，外循环水池做在地下，外循环泵选用潜水泵，安装在水池内，地面上的管 道做好防冻措施。 6.3 设备选型 1.系统热负荷及循环水量计算 真空炉装机总功率：500kw 热负荷估算 [8] ： Q=W*30%=500kw*30%=150kw=129000kcal/h 7 设在夏季最不利条件下 t 热进=43℃（真空炉回水温度），t 热出=38℃（真空炉进水温度） t 冷进=37℃（冷却塔出水温度），t 冷出=40℃（冷却塔进水温度） 内循环系统： 由热力学定律Q=C*m* t ? 得m= t C Q ? C=1kcal/kg•℃( 水的20℃的比热容) m= c c kg kcal） （ 38 43 * / 1 / 129000 =25800kg/h=25.8m 3 /h（内循环水量） 外循环系统： 考虑到热传递效率Q 外=Q 内*1.3=167700kcal/h m= c c kg kcal）第一，考虑用水点的压力和流量要求，参照《给排水设计手册》第一册管道水力计算表来考虑管道局部水头损失和管道沿程水头损失；第二，水泵的安装方式和运行条件。通过这两点对水泵进行选型。 内循环泵选型： 内循环系统水流量和水压要求为：压力≥0.4Mpa，流量Q≥30 m 3 /h 内循环水泵的型号：QPG65-200（I） 内循环水泵主要参数：扬程H=53.5 mH2O，流量Q=35 m 3 /h，电机功率W=15kw 额定电流I=33A，噪音=63 分贝 9 内循环水泵选择的是QPG 型屏蔽泵，这种泵噪音小、使用寿命长。 外循环泵选型 外循环系统水流量水压要求：压力≥0.4Mpa，流量Q≥56 m 3 /h 外循环泵型号：200QJ80-44/4 外循环泵主要参数：扬程H=44 mH2O，流量Q=80 m 3 /h，电机功率W=15kw 外循环泵选择的是石家庄潜水电泵厂的潜水多级泵，这种型号的水泵主要的优点有 1.电机和水泵直联一体，潜入水中工作，对水质无污染，安全可靠。2.机组效率高，材质优良，寿命长，噪音小。3.与普通卧式泵相比，潜水泵安装、使用、维护方便，占地面积小，不需要建造泵房，启动时不需要预先往系统中充水。 凉水泵选型： 凉水系统水流量水压要求：压力≥0.2Mpa，流量Q≥80 m 3 /h 凉水泵型号：250QJ100-36/2（潜水多级泵） 凉水泵主要参数：扬程H=36mH2O，流量Q=100 m 3 /h，电机功率W=15kw 4.冷却塔选型 选塔要求： 冷却水量Q=100 m 3 /h 进出塔温差40℃-37℃ 北方湿球温度为：27℃ （湿球温度--将温度计的温泡扎上润湿的纱布，并将纱布的下端浸于充水容器中，就成为湿球温度计了。将湿球温度计置于通风处，使空气不断流通，此时该温度计读数为--湿球温度） 选塔冷却水量=Q*1.15=115 m 3 /h 根据现场条件及工艺要求 冷却塔主要技术参数 冷却塔型号：机械通风横流冷却塔CDBHZ3-125（玻璃钢） 循环水量：125 m 3 /h 风机功率：3kw 塔长：2300mm；塔宽：3200mm；塔高4200mm 6.4 循环冷却系统水质稳定及水处理措施 1. 内循环冷却系统运行水质稳定措施确定 电源柜采用密闭式独立循环冷却冷却系统 [8] ，由于循环量小，采用蒸馏水，管道为不锈钢管道、铝塑管、铜管，水质稳定，不做水质处理。 冶炼炉其他部分需冷却的部位都与内循环冷却系统水和直接接触，因此在水质方面，经过全面分析决定，将补水水源（地下水）采用反渗透水处理设备进行处理，系统管道采用内衬防腐层钢管，系统运行前，进行冲洗、预膜；并在系统运行过程中，定期定量加入缓蚀剂、杀菌灭藻剂来保证水质要求。 2. 循环冷却系统运行水质稳定措施确定 外循环冷却系统的补水水源也为厂区地下水，根据以往循环系统运行经验，在系统水质不做处理的情况下，单凭排污和补水来保证循环系统的水质浓缩倍数，不但造成水的浪费，而且水质改观不大，造成冷却塔维修费用很高。因此决定定期加入阻垢剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂来对运行中的水质进行处理。并定期检验循环水水质使其达到循环冷却水的水质指标。 10 循环冷却水的水质指标 [2] 项目 单位 要求和使用条件 允许值 悬浮物 mg/L 根据生产工艺要求确定 ≤20 换热设备为板式、翅片管式、螺旋板式 ≤10 PH 值 根据药剂配方确定 7.0~9.2 甲基橙碱度 mg/L 根据药剂配方及工况条件确定 ≤500 Ca2+ mg/L 根据药剂配方及工况条件确定 30-200 Fe2+ mg/L ≤0.5 Cl - mg/L 碳钢换热设备 ≤1000 不锈钢换热设备 ≤300 SO4 2- mg/L [SO4 2- ]与[Cl - ]之和 ≤1500 对系统中混凝土材质的的要求按现行的《岩土工程规范》GB50021-94 的规定执行 硅酸 mg/L ≤175 [Mg2+]与[SiO2]的乘积 <15000 游离氯 mg/L 在回水总管处 0.5~1.0 石油类 mg/L <5（此值不应超过） 炼油企业 <10（此值不应超过） 注：①甲基橙碱度CaCO3 ②硅酸以SiO2 计 ③ Mg2+以CaCO3 在水资源日益紧缺的今天，节约用水已成为当今社会的重中之中，循环水系统是生活和生产用水工艺中节约用水的一项合理有效的措施。因此循环水系统工艺的研究意义深远。
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