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循环冷却水处理概要

发布时间：2011/4/16 阅读次数：6277 字体大小: 【小】【中】【大】

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第一章 循环冷却水系统及其水处理概况

第一节循环冷却水系统

一、冷却水系统

用水来冷却工艺介质的系统称作冷却水系统。冷却水系统通常有两种：直流冷却水系统和循环冷却水系统。

（一）直流冷却水系统

在直流冷却水系统中，冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后水就被排放掉。因此，它的用水量很大，而排出水的温升却很小，水中各种矿物质和离子含量基本上保持不变。这种冷却水系统不需要其他冷却水构筑物，因此投资少、操作简便，但是冷却水的操作费用大，而且不符合当前节约使用水资源的要求。随着国内各项节水政策的制定，这种系统会被逐步淘汰。

（二）循环冷却水系统

循环冷却水系统又分封闭式和敞开式两种。

1. 封闭式循环水系统

封闭式循环水系统又称为密闭式循环水系统。在此系统中，冷却水用过后不是马上排放掉，而是回收再用，循环不已。在循环过程中，冷却水不暴露于空气中，所以水量损失很少。水中各种矿物质和离子含量一般不发生变化，而水的再冷却是在另一台换热设备中用其他冷却介质来进行冷却的。这种系统一般用于发电机、内燃机或有特殊要求的单台换热设备。

2. 敞开式循环冷却水系统

在敞开式循环冷却水系统中，冷却水用过后也不是立即排放掉，而是收回循环再用。水的再冷却是通过冷却塔来进行的，因此冷却水在循环过程中要与空气接触，部分水在通过冷却塔时还会不断被蒸发损失掉，因而水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。为了维持各种矿物质和离子含量稳定在某一个定值上，必须对系统补充一定量的冷却水，通常称作补充水；并排出一定量的浓缩水，通称排污水。

这种敞开式循环冷却水系统要损失一部分水，但与直流冷却水系统相比，可以节约大量的冷却水，且排污水也相应减少。

因此不论从节约水资源，还是从经济和保护环境的观点出发，都应设法降低各类工厂的冷却水用量，减少排污水量，限制使用直流冷却水系统，尽可能推广采用敞开式循环冷却水系统。

二、冷却塔

敞开式循环冷却水系统中主要设备之一是冷却塔。冷却塔用来冷却换热器中排出的热水。在冷却塔中，热水从塔顶向下喷淋成水滴或水膜状，空气则由下向上与水滴或水膜逆向流动，或水平方向交流流动，在气水接触过程中，进行热交换，使水温降低。

冷却塔的型式，根据空气进入塔内的情况分为自然通风和机械通风两大类。自然通风型最常见的是风筒式冷却塔；而机械通风型又分抽风式和鼓风式两种。根据空气流动方向机械通风型又可分为横流式和逆流式。目前最常见的机械通风型的冷却塔是抽风逆流或横流式冷却塔。

冷却塔内部装有溅水装置或填料，由一排排板条交错排列而成。水顺着板条逐排淋降，溅成水滴。也可采用膜式填料，使水在填料表面上以薄膜形式与空气接触。填料可由木材、水泥板或聚乙烯板等制成。

在冷却塔中，热水与空气之间发生两种传热作用，一是蒸发传热，二是接触传热。蒸发传热是当水在其表面温度的饱和蒸汽压大于空气中水蒸气分压时，水滴表面的水分子克服液态水分子之间的吸引力而汽化逸入空气中，并带走汽化潜热，使液态水的温度下降。蒸发传热带走的热量约占冷却塔中传热量的75％～80％。接触传热是当空气的湿球温度低于水温时，热量从水传向空气，使空气温度提高而水温降低，带走的热量是显热，约占冷却塔中传热量的20％～25％。

三、敞开式循环冷却水系统

敞开式循环冷却水系统如前图所示。冷却水由循环泵送往系统中各换热器，以冷却工艺热介质，冷却水本身温度升高，变成热水，此循环水量为R的热水被送往冷却塔顶部，由布水管道喷淋到塔内填料上。空气由塔底百叶窗空隙进入塔内，并被塔顶风扇抽吸上升，与落下的水滴和填料上的水膜相遇进行热交换，水滴和水膜则在下降过程中逐渐变冷，当达到冷却水池时，水温刚好下降到符合冷却水的要求。空气在塔内上升过程中则逐渐变热，最好由塔顶逸出，同时带走水蒸气。这部分水的损失称为蒸发损失E。热水由塔顶向下喷溅时，由于外界风吹和风扇抽吸的影响，循环水会有一定得飞溅损失和随空气带出的雾沫夹带损失。这些损失掉的水，通称为风吹损失D。为了维持循环水中一定的离子浓度，必须不断向系统中加入补充水量M和向系统外面排出一定的污水。这部分水量称为排污损失B。

（一）浓缩倍数

在敞开式循环冷却水系统中，由于蒸发，系统中的水会愈来愈少，而水中各种矿物质和离子含量就会愈来愈浓。为了使水中含盐量维持在一定的浓度，必须补入新鲜水，排出浓缩水。通常在操作时，用浓缩倍数来控制水中含盐的浓度。设以K表示浓缩倍数，则K的含意就是指循环水中某物质的浓度与补充水中某物质的浓度之比。即

式中 c_R—循环水中某物质的浓度

c_M—补充水中某物质的浓度

（二）补充水量

水在循环过程中，除因蒸发损失和维持一定得浓缩倍数而排掉一定的污水外，还由于空气流由塔顶逸出时，带走部分水滴，以及管道渗漏而失去部分水，因此补充水是下列各项损失之和。补充水量用M（m³/h）表示。

M=E+D+B+F

式中 E蒸发损失，m³/h—

D—风吹损失，m³/h

B—排污水损失，m³/h

F—渗漏损失，m³/h

（三）排污水量

排污水量B（m³/h）的确定与冷却塔的蒸发损失E和浓缩倍数K有关。当系统中管道连接紧密不发生渗漏且冷却塔收水器效果较好时，

因此循环冷却水系统运行时，只要知道了系统中循环水量R和浓缩倍数K，就可以估算出蒸发量E、排污水量B以及补充水量M等操作参数。控制好这些参数，循环冷却水系统的运行也就能正常进行。由上述一些关系还可以看出，在一定得系统中，只要改变补充水量或排污水量，就可以改变循环水系统的浓缩倍数。

（四）运行条件改变时系统中离子浓度的变化

不论系统中某离子的初始浓度是多少，随着运行时间的推移，其最终的浓度总是浓缩倍数和补充水中离子浓度的乘积。控制好补水量和排污水量能使系统中某些离子浓度稳定在某一定值上。

第二节敞开式循环冷却水处理的重要性

一、敞开式循环冷却水系统产生的问题

冷却水在循环冷却水系统中不断循环使用，由于水的温度升高，水流速度的变化，水的蒸发，各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，会产生比直流系统更为严重的沉积物的附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，以及由此形成的黏泥污垢堵塞管道等问题，它们会威胁和破坏工厂长周期地安全生产，甚至造成经济损失，因此不能掉以轻心，在推广使用敞开式循环冷却水系统时，必须要选择一种经济实用的循环冷却水处理方案，使上述问题得到解决或改善。

（一）沉积物的析出和附着

一般天然水中都溶解有重碳酸盐，这种盐是冷却水发生水垢附着的主要成分。

在直流冷却水系统中，重碳酸盐的浓度较低。在循环冷却水系统中，重碳酸盐的浓度随着蒸发浓缩而增加，当其浓度达到过饱和状态时，或者在经过换热器传热表面使水温升高时，会发生下列反应

↓↑

冷却水经过冷却塔向下喷淋时，溶解在水中的游离CO₂要逸出，这就促使上述反应向右方进行。

CaCO₃沉积在换热器传热表面，形成之谜的碳酸钙水垢，它的导热性能很差。不同的水垢，其导热系数不同，但一般不超过1.16W/(m•K)，而钢材的导热系数为46.4～52.2 W/(m•K)，可见水垢形成，必然会影响换热器的传热效率。

水垢附着的危害，轻者是降低换热器的传热效率，影响产量；严重时，则管道被堵。

（二）设备腐蚀

循环冷却水系统中，大量的设备是金属制造的换热器。对于碳钢制成的换热器，长期使用循环冷却水，会引发腐蚀穿孔，其腐蚀的原因是多种因素造成的。

1. 冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀

敞开式循环冷却水系统中，水与空气能充分的接触，因此水中溶解的O₂可达饱和状态。当碳钢与溶有O₂冷却水接触时，由于金属表面的不均一性和冷却水的电导性，在碳钢表面会形成许多腐蚀微电池，微电池的阳极区和阴极区分别发生下列氧化反应和还原反应

在阳极区

在阴极区

在水中

这些反应，促使微电池中阳极区的金属不断溶解而被腐蚀。

2. 有害离子引起的腐蚀

循环冷却水在浓缩过程中，除重碳酸盐浓度随浓缩倍数增长而增加外，其他的盐类如氯化物、硫酸盐等的浓度也会增加。当和离子浓度增高时，会加速碳钢的腐蚀。和会使金属上的保护膜的保护性能降低，尤其是的离子半径小，穿透性强，容易穿过膜层，置换氧原子形成氯化物，加速阳极过程的进行，使腐蚀加速，所以氯离子是引起点蚀的原因之一。

对于不锈钢制造的换热器，是引起应力腐蚀的主要原因，因此冷却水中的含量过高，常使设备上应力集中的部分，如换热器花板上胀管的边缘迅速受到腐蚀破坏。循环冷却水系统中如有不锈钢制的换热器时，一般要求的含量不超过300mg/L。

3. 微生物引起的腐蚀

微生物的滋生也会使金属发生腐蚀。这是由于微生物排出的黏液与无机垢和泥砂杂物等形成的沉积物附着在金属表面，形成氧的浓差电池，促使金属腐蚀。此外，在金属表面和沉积物之间缺乏氧，因此一些厌氧菌（主要是硫酸盐还原菌）得以繁殖，当温度为25～30℃时，繁殖更快。它分解水中的硫酸盐，产生 ,引起碳钢腐蚀，其反应如下

能量（细菌生存所需）

↓

铁细菌是钢铁锈瘤产生的主要原因，它能使氧化为，释放的能量供细菌生存需要。

能量（细菌生存所需）

上述各种因素对碳钢引起的腐蚀常使换热器管壁被腐蚀穿孔，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中，使产品质量受到影响。因此，腐蚀和水垢附着一样，危害工厂安全生产，造成经济损失。

（三）微生物的滋生和黏泥

冷却水中的微生物一般是指细菌和藻类。在新鲜水中，一般来说细菌和藻类都较少。但在循环水中，由于养分的浓缩，水温升高和日光照射，给细菌和藻类创造了迅速繁殖的条件。大量细菌分泌出的黏液像粘合剂一样，能使水中漂浮的灰尘杂质和化学沉淀物等黏附在一起，形成黏糊糊的沉积物黏附在换热器的传热表面上。这种沉积物称为生物黏泥或者软垢。

黏泥积附在换热器管壁上，除了会引起腐蚀外，还会使冷却水的流量减少，从而降低换热器的冷却效率；严重时，这些生物黏泥会将管子堵死，迫使停产清洗。

二、敞开式循环冷却水处理的重要性

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