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循环水系统的结垢如何防止？

发布时间：2011/4/15 阅读次数：3398 字体大小: 【小】【中】【大】

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2．水质净化法

防止循环水系统结垢的最彻底的方法为进行水质净化，以清除水中成垢物质。此类方法过去不常采用。因为循环水水量大，如进行净化处理，势必费用很大。现在随着净水技术的发展，其经济性有所提高，加之水源供水日趋紧张以及环境保护的需要（减少废水排放量），已使上述观念有所改变，进行循环水水质净化的已多起来。

（1）离子交换。有Na离子交换法处理循环水，以降低水的硬度，可以起防垢作用。此时，宜采用对流式设备和控制较高的出水硬度，以降低净水费用。但对于大型电厂来说，仍因处理水量大、设备众多、运行费用偏高和水中含盐量较大等原因而未能推广。用氢离子交换法处理循环水要比钠离子交换的优越，因为前者除了可去除水的硬度外，还可降低水的碳酸盐含量，与钠离子交换相比，需处理的水量较小。但是，如用强酸性离子交换剂，则因其酸耗较大和交换容量偏小而不经济。所以，在这里宜采用弱酸性阳树脂，此树脂既可除去水中的碳酸氢钙，又具有交换容量大和易再生的优点。

（2）石灰处理。经此法处理的水，虽然碳酸盐硬度可以降低，但它是CaCO₃的过饱和溶液，因此它在循环水系统中仍有可能出现CaCO₃沉淀。为了消除经石灰处理水的不稳定性，可以添加少量H₂SO₄，使水的pH值约为7，这称为水质再稳定处理。

石灰是一种廉价的工业原料，这是其有利条件，但因质纯的石灰不易获得，有加药系统难以正常运行的缺点。当用石灰处理循环水时，因水量大，处理后形成的泥渣较多，难以处置。

（3）零排污系统。最彻底的循环水处理方法是进行除盐处理，将其含盐量降到没有必要进行排污，所以此种处理系统称为零排污系统。此系统适用于水源供水量不足，或因工艺上有要求的场合，如为了防止设备腐蚀和产品污染等。零排污系统一般由软化、过滤和除盐三部分组成，可对部分循环水进行处理。

目前，国外采用的零排污系统多为用石灰苏打、石灰或弱酸性阳树脂进行软化，用反渗透或电渗析进行除盐。

3．水质调整处理

（1）加酸。循环水加酸处理的目的是中和水中的碳酸盐，这是一种改变水中碳酸化合物组成的防垢法。常用于这种处理的酸是硫酸（H₂SO₄），因为它价廉，且浓硫酸（70%~98%）对钢铁的腐蚀很小，易于贮存。至于盐酸（HCl），不仅因为它价格较高和对钢铁的腐蚀性强，而且由于氯离子被引入循环水，会促进铜管的腐蚀，因此不常应用。

硫酸和碳酸氢钙的反应式为

Ca(HCO₃)₂+ H₂SO₄→ CaSO₄+ 2CO₂ + 2H₂O

所以，加酸的作用就是把碳酸氢根的碱性中和掉。但加酸的量并不需要使循环水中的碳酸氢根全部中和，只要使循环水中留下的碳酸氢盐不结垢即可，也就是说要维持循环水中的碳酸盐硬度不超过它的极限碳酸盐硬度。加酸量最好用实验求得。

采用这种方法时的加酸地点，从防垢来说，没有特殊的要求，不论在何处都可以。有时考虑到水中如保留有游离CO₂，使其极限碳酸盐硬度的值有所提高，可将酸加在循环水泵前的补充水水流中。但从减轻凝汽器铜管腐蚀方面考虑，宜将酸加在送入冷水塔（或喷水池）的循环水中。因为游离CO₂对于铜管的腐蚀有促进作用，特别是当循环水的含盐量很大时。所以酸加在冷水塔前，就可使循环水中的游离CO₂在凝汽器前除去。此外，在加酸系统中虽然常设有混合器，但在加酸处还是有出现混凝土和铜管局部酸性腐蚀的可能，这也应加以考虑。

从理论上讲，硫酸处理法可以适用于各种水质，而且无需排污，但实际上，为了防止循环水含盐量过高而引起钢管腐蚀，以及有冷却水漏入凝汽器的蒸汽侧而污染凝结水，有时还是有必要和循环水排污结合起来使用的。

加酸处理时，按理应控制循环水的碱度，但因碱度和pH值有一定的关系，所以在取得一定经验后也可监督pH值，通常它应在7.4~7.8之间。

此外，必须注意，水中SO₄²^—含量过多会发生腐蚀混凝土的问题。运行经验证明，对于已经用不加酸的水运行了很长时间的设备，通常没有这种危险，因为其表面已生成一层碳酸钙。对于新建的厂，可在混凝土壁上加铺化学性稳定的水泥。

4．阻垢处理

某些化学药剂只需少量添加到冷却水中，就可以起到阻止形成水垢的作用，这称为阻垢处理，所用药剂称为阻垢剂。早期采用的阻垢剂有聚磷酸盐和天然的或改性的有机物，如丹宁、木质素和纤维素等。近年来，广泛地使用了人工合成的磷酸和聚羧酸等有机化合物。

（1）阻垢性能。各种阻垢剂虽具有不同的性能，但它们在阻垢方面有许多共性。有许多阻垢剂在其加药量很低时就可稳定水溶液中大量钙离子，在它们之间不存在化学计量关系，而且当它们的剂量增至过大时，其稳定作用使不再有明显的改进。

各种阻垢剂的阻垢效果都随水温的增高而下降，它们各有其临界温度，超过此温度，阻垢作用消失。

被处理水的水质对阻垢剂的阻垢效率有较大影响。大致情况为：水中中性盐、Mg²⁺含量增大时，阻垢效率增高；补充水的碳酸盐硬度增大时，循环水的极限碳酸盐硬度也增大，但循环水的允许浓缩倍率减小；补充水中HCO₃^—或Ca²⁺过多，会使极限碳酸盐硬度降低；各种阻垢剂都有其适用的pH值范围。当循环水中加有阻垢剂时，如其浓缩倍率过大，以致水中碳酸盐硬度超过容许的极限值时，仍然会有CaCO₃沉积物生成，但此沉积物的晶态发生了变化，往往变得疏松，较易除去。

（2）阻垢原理。阻垢处理不是单纯的化学反应，它包括若干物理化学过程，用以解释的有晶格畸变、分散与絮凝等理论。

晶格畸变理论认为，阻垢剂干扰了成垢物质的结晶过程，从而抑制了水垢的形成。如当溶液中CaCO₃的过饱和度很大时，由于其结晶的倾向加大，微晶可以在那些没有吸取阻垢剂的慢发育表面上成长。从而把活性点上的阻垢剂分子上覆盖起来，于是晶体又会增长。但此时生成的晶体受阻垢剂的干扰，会发生空位、错位或镶嵌构造等畸变。

有些阻垢剂在水中会电离。当它们吸附在某些小晶体的表面时，其表面形成新的双电层，使它们稳定地分散在水体中。起这种作用的阻垢剂可称为分散剂。分散剂不仅能吸附于颗粒上，而且也能吸附于换热设备的壁面上，因而阻止了颗粒在壁面上的沉积，而且一旦发生沉积现象，沉积物与接触面也不能紧密相粘，只能形成疏松的沉积层。

有些阻垢剂为链状高分子物质，它们与水中胶体或其他污物形成凝絮。凝絮的密度较小，易被水流带走，因此可阻止它们在冷却水系统中沉积。用作絮凝剂的高分子一般为相对分子质量为10⁶ ~ 10⁷的链状聚合物，在它的长链上有许多具有吸附能力的基团。

（3）常见的阻垢剂。目前使用较广泛的阻垢剂有以下几种：

1) 聚磷酸盐。磷酸盐是一种比较复杂的化合物。其分子内有两个以上的磷原子、碱金属或碱土金属原子和氧原子结合的物质的总称。如三聚磷酸盐和六偏磷酸盐。

其阻垢机理是：其在水中生成的长链—O—P—O—P—阴离子，容易吸附在微小的碳酸钙晶粒上，并与晶粒上的CO₃²^—置换，阻碍碳酸钙晶粒的进一步长大。也有人认为，微量的聚合磷酸盐干扰碳酸钙晶体的正常成长，使晶体在生长过程中被扭曲，把水垢变成疏松、分散的软垢，还有人认为，由于聚合磷酸盐能与钙、镁离子螯合，形成单环或双螯合离子，然后依靠布朗运动或水流作用分散于水中。

微晶吸取水质稳定剂的反应主要发生在其成长的活性点上。只要这些活性点被覆盖，结晶过程便被抑制，所以阻垢剂的加药量不需很多，投加量为2 ~ 3mg/L。此种水质稳定剂具有加药剂量低，价格便宜，使用方便，阻垢性能较好等优点，但其在水中会发生水解，生成正磷酸盐。如三聚磷酸钠：

Na₅P₃O₁₀ + H₂O = Na₄P₂O₇ + NaH₂PO₄

Na₄P₂O₇ + H₂O =2Na₂HPO₄

水解后变成短链的聚合磷酸盐及一部分正磷酸盐，从而降低了阻垢能力。这种水解作用除了与pH值、时间和水温有关外，还与循环冷却水系统中微生物分泌的磷酸酶有关。

2）有机膦酸盐。有机膦酸盐用于工业冷却水系统，与无机聚合磷酸盐相比，具有化学稳定性好，不易水解，加药量低等特点。

有机膦酸盐可看作是磷酸分子中的一个羟基取代的产物，常用的有ATMP（氨基三甲叉膦盐）、EDTMP（乙二胺四甲叉膦酸盐），HEDP（1—羟基乙叉—1.1二膦酸）等。

上述三种物质它们都有较好的化学稳定性，不易被酸碱所破坏，不易水解成正磷酸盐，而且能耐较高的温度，也有一定的耐氧化能力。

其阻垢原理是：能与钙镁等金属离子生成很稳定的络合物，因而可以降低水中钙镁离子的浓度，减少CaCO₃析出的可能性。有机膦酸盐还能与已形成的CaCO₃晶体中的钙离子发生络合作用，使CaCO₃晶核难以形成大的晶体。也有人认为，CaCO₃是一种离子晶格，在一定的条件下可以按严格的次序排列，形成很致密的垢层，当加入有机膦酸盐后，对晶格的生成起着一定的干扰作用，使CaCO₃晶体结构发生很大的畸变而不再继续增长。

有机膦酸盐的加药量与稳定极限间的关系与聚合磷酸盐类似，一般加2 ~ 4mg/L。稳定极限值为7.0 ~ 8.0 mmol/L。

此外，有机膦酸盐对铜和铜合金有一定的侵蚀性，为此，投加有机膦酸盐的同时，还应加入防止铜腐蚀的抑制剂，如MBT或采用FeSO₄镀膜。

3）有机低分子聚合物。这类药剂的性质，主要决定于分子量的大小和官能团的性能，而官能团所具有的电荷则决定于聚合物在水中的电离特性。目前使用较多的是阴离子型，尤其是聚羟酸类最多，主要有以下几种：聚丙烯酸、聚马来酸、聚甲基丙烯酸。

这类化合物对循环水中的胶体颗粒起分散剂作用，其阻垢性能主要与其分子大小、官能团的数量以及相互之间的间隔有关。

分散剂是一种包围胶体颗粒的物质，为了得到较好的包围效果，分散剂应该是一些比胶体颗粒小很多，同时又呈线状结构的物质。分散剂的分子量在聚合物中是属于低分子量的。

高分子聚合物也有较好的阻垢作用。它能把许多胶体颗粒吸附在链上，形成一种低密度的絮凝物，即矾花，矾花的表面积比胶体颗粒小，粘着力大为削弱，从而抑制了结垢过程。

（二）杀菌处理

为了防止冷却水系统中的微生物滋长而形成污泥，必须对冷却水进行抑制微生物的处理，此类处理常简称为杀菌处理。实际上，只要能抑制菌类的繁殖，不让它们附着在器壁上，就无需完全杀死。杀菌的方法很多，如加氯、硫酸铜或臭氧等，其中常用的是氯，称为氯化处理。

二氧化氯处理

二氧化氯是一种黄绿色到橙色的气体，具有类似于氯的刺激性气味。二氧化氯无论是液体（沸点11℃），还是气体，二者都很不稳定，具有爆炸性。

由于二氧化氯容易发生爆炸，而且在强光下易氧化，极不利于运输与贮存，所以必须在现场制备和使用。现场制备的方法有以下几种：

（1）用亚氯酸钠溶液与强氯溶液混合产生。

（2）在小设备中也可以通过混合盐酸、次氯酸和亚氯酸钠来产生。

（3）选用电解装置二氧化氯发生器，电解盐水或海水，在现场制备二氧化氯。随着此项技术的日趋完善，在电厂冷却水处理中将有良好的使用前景。

当用二氧化氯作冷却水的杀菌剂时，与用氯相比，有以下几个优点：

（1）在各种情况下，二氧化氯至少与氯同样有效，且当用作杀孢子和杀病毒的药剂时，它比氯更有效；

（2）由于二氧化氯的杀菌性质与水的pH值无关，所以在pH较高的水中，它比氯有效得多；

（3）与氯不同，二氧化氯既不与氨反应，也不与大多数胺发生作用，即使在有氨的情况下，它仍能杀菌，这对某些工业冷却水处理是相当有利的。