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      水處理設備技術在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的應用探討

      2015-09-01 17:47:33馮小麗
      科技視界 2015年25期
      關鍵詞:水處理技術反滲透

      馮小麗

      【摘 要】通過對工業(yè)企業(yè)循環(huán)冷卻水冷卻原理及運行障礙產(chǎn)生的三類危害分析,結合水處理技術的現(xiàn)狀,對水垢控制、污垢控制、腐蝕控制、微生物控制常見方法進行了闡述,提出循環(huán)水化學處理應重視化學清洗、預膜處理及日常水處理工作,并說明了工作原理和工作重點。針對循環(huán)水系統(tǒng)排污水近零排放技術及循環(huán)利用技術進行了論述,探討了利用反滲透法將排污水脫鹽處理后,與新鮮水共同作為循環(huán)水系統(tǒng)補充水的方法,有助于提高循環(huán)水濃縮倍率,降低耗水量,實現(xiàn)廢水零排放,減少環(huán)境污染,提高經(jīng)濟效益。

      【關鍵詞】循環(huán)冷卻水;水處理技術;阻垢緩蝕劑;反滲透;趨零排放

      1 循環(huán)冷卻水的概念及原理

      1.1 循環(huán)冷卻水的概念

      循環(huán)冷卻水是指通過換熱器交換熱量或直接接觸換熱方式來交換介質(zhì)熱量并經(jīng)冷卻塔涼水后循環(huán)使用,以節(jié)約水資源。一般情況下,循環(huán)水是中性和弱堿性的,pH值控制在7~9之間[1]。在與介質(zhì)直接接觸的循環(huán)冷卻水具有酸性或堿性(pH>10.0)的情況,一般較少。

      1.2 循環(huán)水的冷卻原理

      循環(huán)水的冷卻是通過水與空氣接觸,由蒸發(fā)散熱、接觸散熱和輻射散熱三個過程共同作用的結果。

      1)蒸發(fā)散熱:水在冷卻設備中形成大大小小的水滴或極薄的水膜,擴大其與空氣的接觸面積和延長接觸時間加強水的蒸發(fā),使水汽從水中帶走氣化所需的熱量從而使水冷卻。

      2)接觸散熱:水與較低溫度的空氣接觸,由于溫差使熱水中的熱量傳到空氣中,水溫得到降低。

      3)輻射散熱:不需要傳熱介質(zhì)的作用,而是由一種電磁波的形式來傳播熱能的現(xiàn)象。

      這三種散熱過程在水冷卻中所起的作用,隨空氣的物理性質(zhì)不同而異。春、夏、秋三季,室外氣溫較高,表面蒸發(fā)起主要作用,在冬季,由于氣溫降低,接觸散熱的作用增大。

      2 循環(huán)冷卻水運行障礙產(chǎn)生的危害

      冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用,由于水溫升高、流速變化、蒸發(fā)、各種無機離子和有機物質(zhì)的濃縮,冷卻塔和冷卻水池在室外受到陽光照射、風吹雨淋、灰塵雜物的進入,以及設備的結構和材料等多種因素的綜合作用,會產(chǎn)生很多問題。

      2.1 水垢附著

      在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,碳酸氫鹽的濃度隨蒸發(fā)濃縮而增加。當其濃度達到過飽和狀態(tài),或經(jīng)過傳熱表面水溫升高時,會分解生成碳酸鹽沉積在傳熱表面,形成致密的微溶性鹽類水垢,其導熱性能很差。因此,水垢附著,輕則降低換熱器傳熱效率,嚴重時,使換熱器堵塞,系統(tǒng)阻力增大,水泵和冷卻塔效率下降,加快局部腐蝕,甚至造成非正常停產(chǎn)。

      2.2 設備腐蝕

      循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,大量設備是由金屬制造,長期使用循環(huán)冷卻水,會發(fā)生腐蝕穿孔。這是由多種因素造成的,主要有:冷卻水中溶解氧引起的電化學腐蝕;有害離子(Cl-和SO)引起的腐蝕;微生物引起的腐蝕等。設備管壁腐蝕穿孔,會形成滲漏,或工藝介質(zhì)泄露入冷卻水中,損失物料,污染水體;或冷卻水滲入工藝介質(zhì),影響產(chǎn)品質(zhì)量,造成經(jīng)濟損失,影響安全生產(chǎn)。

      2.3 微生物的滋生與粘泥

      在循環(huán)水中,由于養(yǎng)分的濃縮,水溫升高和日光照射,給細菌和藻類的迅速繁殖創(chuàng)造了條件。細菌分泌的黏液使水中漂浮的灰塵雜質(zhì)和化學沉淀物等黏附在一起,形成沉積物附著在傳熱表面,即生物粘泥或軟垢。粘泥附著會引起腐蝕,冷卻水流量減少,進而降低冷卻效率;嚴重時會堵死管道,迫使停產(chǎn)清洗。

      綜上所述,冷卻水長期循環(huán)使用后,必然會帶來結垢、腐蝕和微生物滋生問題。解決好這三個問題才能穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)約資源與能源,從而減少環(huán)境污染,提高經(jīng)濟效益。

      3 循環(huán)冷卻水處理技術現(xiàn)狀

      3.1 水垢的控制

      循環(huán)水系統(tǒng)中最易生成的水垢是碳酸鈣垢,水垢控制即是防止碳酸鈣的析出,大致有以下幾類方法。

      1)從補充冷卻水中除去成垢的鈣、鎂離子

      在補充水進入循環(huán)水系統(tǒng)之前進行軟化處理,除去Ca2+、Mg2+,也就形不成水垢。目前常用的軟化方法有兩種:一是離子交換樹脂法,該法適于補充水量小的循環(huán)水系統(tǒng)間或采用;二是石灰軟化法,即投加石灰,使Ca(HCO3)2反應生成CaCO3沉淀提前析出。該方法成本低,適于原水(尤其是暫時硬度大的結垢型原水)鈣含量高,補充水量較大的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

      2)加酸降低pH值,穩(wěn)定重碳酸鹽

      在循環(huán)水中加酸(通常為硫酸),降低PH值,使重碳酸鹽處于穩(wěn)定狀態(tài)。加酸法的關鍵是控制好加酸量,否則酸量過多會加速設備腐蝕。

      3)投加阻垢劑

      在循環(huán)水中投加阻垢劑,破壞CaCO3的結晶增長過程,以達到控制水垢形成的目的。目前常用的阻垢劑有聚磷酸鹽、有機多元膦酸、有機磷酸脂、聚丙烯酸鹽等,這也是目前應用最廣的控制水垢的方法。

      3.2 污垢的控制

      (1)對補充水進行預處理,降低濁度;(2)做好循環(huán)水水質(zhì)處理;(3)投加分散劑,可將粘合在一起的泥團雜質(zhì)等分散成微粒懸浮于水中,隨水流流動而不沉積,從而減少污垢對傳熱的影響,部分懸浮物還可隨排污排出;(4)增加旁濾設備,如果在系統(tǒng)中增設旁濾設備,控制好旁流量和進、出旁流設備的濁度,就可保持系統(tǒng)長時間運行下的濁度在控制指標內(nèi),減少污垢形成。

      3.3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)金屬腐蝕的控制

      1)添加緩蝕劑

      緩蝕劑是一種用于腐蝕介質(zhì)中抑制金屬腐蝕的添加劑,它用量少,不會改變腐蝕介質(zhì)的性質(zhì),不需特殊投加設備,也不需對設備表面進行處理。因此,使用緩蝕劑是一種經(jīng)濟效益較高且適應性較強的金屬防護措施。在敞開式循環(huán)水系統(tǒng)中,為了減輕環(huán)境富營養(yǎng)化的壓力,目前更趨向于使用后面幾種有機膦酸鹽和低磷緩蝕劑。

      2)提高循環(huán)水的pH值

      提高循環(huán)水的pH值,使金屬表面生成氧化性保護膜的傾向增大,易于鈍化,從而有利于控制設備腐蝕。提高循環(huán)水的pH值后,不可避免的帶來一些問題:循環(huán)水結垢傾向增大;設備腐蝕速度下降,但還不能滿足要求;某些常用緩蝕劑失效。目前可通過添加專門為堿性冷卻水處理開發(fā)的復合緩蝕劑來解決,例如:聚磷酸鹽-鋅鹽-膦酸鹽-分散劑、聚磷酸鹽-正磷酸鹽-膦酸鹽-三元共聚物、有機多元膦酸-聚合物分散劑-唑類、多元醇磷酸酯-丙烯酸系聚合物、HEDP-PMA等。這些水處理劑的復合配方可發(fā)揮出除垢和防腐的綜合作用,由于協(xié)同或增效作用,它比單一藥劑的單一作用,效果更顯著,這也是緩蝕劑的發(fā)展趨勢。

      3)選用耐蝕材料的換熱器。

      4)用防腐涂料涂覆。

      3.4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)微生物的控制

      設備選用耐蝕材料;控制循環(huán)水中的氧含量、PH值、懸浮物和微生物的養(yǎng)料等水質(zhì)指標;在防腐涂料中添加殺生劑,抑制微生物的生長;采取在冷卻水水池加蓋、冷卻塔的進風口加裝百葉窗等措施,防止陽光照射;設置旁流過濾設備;對補充水進行混凝沉淀預處理。目前最有效和最常用的方法則是向循環(huán)水中添加殺生劑。

      總之,解決循環(huán)水系統(tǒng)問題的方法,在實際應用中需要根據(jù)原水水質(zhì)、循環(huán)水水量及溫升、補水水質(zhì)和價格、使用循環(huán)水的換熱設備材質(zhì)和型式以及其他工況條件等實際情況,綜合考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,選擇適宜的除垢、防腐、控制微生物的方法結合在一起,制定出經(jīng)濟、實用、可行的循環(huán)水處理方案才能實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟合理運行。

      4 循環(huán)冷卻水的化學處理程序

      化學處理技術是針對不同的水質(zhì)、設備、材質(zhì)和工藝條件等因素,選擇合理的緩蝕阻垢藥劑來抑制腐蝕、水垢和粘泥等危害的產(chǎn)生,使水質(zhì)穩(wěn)定,以達到預期的效果。完整地實施水處理技術,是保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)科學、經(jīng)濟、高效運行的關鍵。如果補充水水質(zhì)較差,又要求循環(huán)水高濃縮倍數(shù)運行,就必須對循環(huán)水的補充水進行處理。在循環(huán)水水質(zhì)較差時,循環(huán)水補充水可選用“部分弱酸樹脂和穩(wěn)定劑聯(lián)合處理系統(tǒng)”。

      4.1 化學清洗

      在采用水處理技術,投加水處理劑之前,應對循環(huán)水系統(tǒng)的換熱設備和管道進行剝離和清洗,特別是已經(jīng)運行的老系統(tǒng),在粘泥沉積、菌藻滋生嚴重的狀況下,清洗尤為重要?;瘜W清洗主要機理為通過滲透、疏松、剝離、溶解、分散、整合、晶格畸變等作用,除去水側表面的粘附物、水垢等雜物,以達到凈化設備金屬表面的目的,為水處理的預膜和日常處理創(chuàng)造條件。

      4.2 預膜處理

      預膜是在系統(tǒng)剝離清洗之后、正常運行之前水處理的一個步驟。預膜處理是在系統(tǒng)清洗之后,向系統(tǒng)中投加一定濃度的高效預膜劑,在設定條件下循環(huán)運行,使之在設備金屬表面形成一層均勻致密的保護膜,達到不易成垢和緩蝕的目的,對系統(tǒng)設備和管道起到良好的保護作用。

      4.3 日常水處理工作

      當預膜結束后,水處理劑由高濃度轉入低濃度。日常水處理工作包括:日常加藥和分析監(jiān)測,投加緩蝕阻垢劑以延緩腐蝕和阻止結垢,投加殺菌滅藻劑控制菌藻滋生及粘泥的粘附。日常加藥的目的是維持水中藥劑濃度,以保持膜的完整性,并起到緩蝕阻垢作用和控制微生物的生長。在操作時按照規(guī)定的水穩(wěn)劑配方并控制好指標,在循環(huán)水系統(tǒng)正常運行中,需要進行處理效果的監(jiān)測,以了解水質(zhì)處理的效果,并根據(jù)每天水質(zhì)分析化驗結果,對排污水量、補充水量及加藥量進行必要的調(diào)整,使之達到要求指標,并控制合理的濃縮倍數(shù)。

      5 循環(huán)冷卻水排污水近零排放技術

      5.1 實現(xiàn)目的

      降低循環(huán)水系統(tǒng)運行費用,提高設備系統(tǒng)整體管理水平;有效解決水垢附著、設備腐蝕以及微生物的滋生與粘泥問題;減少循環(huán)水系統(tǒng)排污水量和補充水量,提高濃縮倍數(shù),實現(xiàn)近零排污或少排污,節(jié)約水資源。

      5.2 解決辦法探討

      將原有循環(huán)水系統(tǒng)的排污水進行處理,去除水的濁度,降低水的硬度和鹽含量,并使處理出水的硬度低于新鮮水的硬度,二者混合后作為進入冷卻水池的補充水。運行一段時間后,循環(huán)水總體的鹽含量和硬度降低,系統(tǒng)濃縮倍數(shù)可逐步提高,循環(huán)水水質(zhì)逐漸變好,新鮮水用量和排污水量不斷減少,形成系統(tǒng)的良性循環(huán)。

      對于發(fā)電廠,將循環(huán)水排放的濃水進行脫鹽處理,生活污水進行生化處理和過濾,再混入部分新鮮水作為循環(huán)水的補充水。循環(huán)水濃水經(jīng)過脫鹽處理后,可以全部脫去硬度,含鹽量低于新鮮水,濁度小于新鮮水,處理運行費用低于當?shù)氐男迈r水價格。生活污水生化處理和過濾后作為循環(huán)水補充水的運行費用也低于當?shù)氐男迈r水價格,從而在循環(huán)水系統(tǒng)中,為企業(yè)取得一定的經(jīng)濟效益,而且隨著國家對水資源價格和污水排放的控制,經(jīng)濟效益會越來越顯著。

      對于化工企業(yè),由于被冷卻的介質(zhì)品種較多,介質(zhì)溫度高,循環(huán)水突出的問題是在部分換熱器中結垢嚴重,也存在運行中含鹽量增高、細菌滋生等問題??商接憣⒀h(huán)水系統(tǒng)的濃水、生活污水生化處理和污水處理場達標排放廢水過濾脫鹽后回用,對補充的部分新鮮水也進行脫鹽、除硬度后使用,使整個循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)大大提高,并且由于循環(huán)水的硬度較低,可大大降低換熱器的結垢速率,保證生產(chǎn)的正常性和長周期運行。

      污水處理有多種方法可選擇,包括離子交換、電滲析法、反滲透法、納濾、超濾和微濾、過濾以及絮凝、氧化等。

      反滲透法是近20年來發(fā)展起來的膜技術,現(xiàn)己被廣泛地用于水質(zhì)除鹽和污水治理等方面。該法專門用以分離水中的分子態(tài)和離子態(tài)溶解物質(zhì),其實質(zhì)是向水溶液中施加巨大的壓力,使溶劑水透過反滲透膜成為淡水,而溶質(zhì)被阻留成為濃水,由此可達到兩個目的,一是從含鹽水中制取淡水;二是濃縮污水中的溶解態(tài)污染物質(zhì),處理后的污水或直接排放或重復利用[3]。反滲透裝置是以分子擴散膜為介質(zhì)。以靜壓差為推動力來分離水溶液中的物質(zhì),與電滲析法相比,在經(jīng)濟上具有顯著的優(yōu)越性,電能效率較高、能耗低。離子交換法主要用于去除水中離子化物質(zhì),生化處理出水COD值相對較高,且大部分為非離子型有機物,污水中的有機物與樹脂活性基團的固定離子結合力很大,一旦結合就很難進行再生,嚴重影響再生效率和交換能力,樹脂抗氧化劑氧化性很差。電滲析法以離子交換膜為介質(zhì),靠離子的選擇透過性來分離水溶液中的某些物質(zhì)。它是在離子交換技術的基礎上發(fā)展起來的一項新技術,它去除的也是一些電解質(zhì)物質(zhì),但回用率較低且運行成本很高。超濾和微濾亦屬于壓力推動的膜工藝系列,就分離范圍而言,它補充了反滲透、納濾和普通過濾之間的空隙。超過濾是對料液施加一定壓力后,高分子物質(zhì)、膠體、蛋白質(zhì)、微粒等被半透膜所截留,而溶劑和低分子物質(zhì)則透過膜。超過濾的分離機理主要是膜表面孔徑篩分機理、膜孔阻塞的阻滯機理和膜面以及膜孔對粒子的一次吸附機理。但超濾裝置不能脫鹽,實現(xiàn)不了污水深度處理的目的。

      6 水處理運行效果及其評定

      6.1 水處理后的表現(xiàn)效果

      (1)換熱設備和管道不再產(chǎn)生新垢,老垢在一定程度上逐步減少,管道阻力減小,泵壓降低,冷卻水流量增大,換熱器效率上升,工藝條件改善,生產(chǎn)能力提高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,產(chǎn)量增加。

      (2)設備及管道的腐蝕得到有效的控制,不僅延長了設備的使用壽命和運行投入周期,而且降低了設備腐蝕穿孔引發(fā)泄漏事故的可能性,為生產(chǎn)的長周期安全平穩(wěn)運行提供了強有力的保障。

      (3)系統(tǒng)不再產(chǎn)生新菌藻,老菌藻逐步脫落。同時,附著在換熱器、冷卻塔、水槽壁、池底、管道上的微生物粘泥、軟垢也逐漸被疏松、剝離和分散,隨排污水一起排掉。這有效地剿滅了微生物的滋生繁殖,阻斷了粘泥污物對系統(tǒng)的侵害。

      (4)涼水塔噴嘴、填料無堵塞現(xiàn)象,冷卻水量增大,噴水均勻,水流暢通,冷卻效率提高,冷卻水進、出塔溫差變大,為工藝介質(zhì)的冷卻達到設計要求提供了充足的低溫水量。

      (5)系統(tǒng)結垢、腐蝕和微生物等危害得到有效控制,生產(chǎn)穩(wěn)定,循環(huán)水系統(tǒng)始終在良好的環(huán)境中安全運轉。

      (6)濃縮倍數(shù)提高,不僅節(jié)約了大量的冷卻用水,而且大大減少了冷卻污水的排放量,減輕了對環(huán)境的污染,為企業(yè)贏得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

      6.2 水處理運行效果的評定

      循環(huán)冷卻水經(jīng)化學處理后,腐蝕率、污垢沉積率、異養(yǎng)菌總數(shù)等指標應達到國家《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》GB50050-2007標準中的要求。

      7 結論

      7.1 循環(huán)冷卻水運行障礙可產(chǎn)生水垢附著、設備腐蝕、滋生微生物等危害,解決好這三個問題才能穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)約資源與能源,從而減少環(huán)境污染,提高經(jīng)濟效益。

      7.2 解決循環(huán)水系統(tǒng)問題的各種方法,需要選擇適宜的除垢、防腐、控制微生物的方法,并綜合考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,制定出經(jīng)濟、實用、可行的循環(huán)水處理方案,才能實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟合理運行。

      7.3 針對不同的水質(zhì)、設備、材質(zhì)和工藝條件等因素,選擇合理的緩蝕阻垢配方和優(yōu)良高效的藥劑來抑制腐蝕、水垢和粘泥等危害的產(chǎn)生,使水質(zhì)穩(wěn)定,以達到預期的效果,為生產(chǎn)服務。做好設備化學清洗、預膜和日常水處理管理工作是化學處理技術的重要環(huán)節(jié)。

      7.4 利用反滲透等物理方法將循環(huán)冷卻水排污水脫鹽處理后,可作為補充水循環(huán)利用,實現(xiàn)廢水近零排放。

      【參考文獻】

      [1]唐受印.戴友芝,等.工業(yè)循環(huán)冷卻水處理[M].化學工業(yè)出版社,2003.

      [2]周本省.工業(yè)水處理技術[M].化學工業(yè)出版社,2002.

      [3]龍荷云,等.循環(huán)冷卻水處理[M].江蘇科學技術出版社,2001.

      [4]葉文玉.水處理化學品[M].化學工業(yè)出版,2002.

      [責任編輯:鄧麗麗]

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