第三講 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)及其水處理概況 3_第1頁
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文檔簡介

第三講循環(huán)冷卻水系統(tǒng)1.課程教學(xué)內(nèi)容(1)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的種類、組成、操作(2)常見的冷卻塔2.課程重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容:循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的組成和操作難點(diǎn)內(nèi)容:冷卻塔的冷卻機(jī)理3.課程教學(xué)要求(1)掌握直流式、敞開式、密閉式冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)(2)了解常見的冷卻塔用水溶液來移走熱量的系統(tǒng)。水溶液是很理想的熱載體;水是普遍存在的,江、河、湖、海等地表水或是地下水,甚至是廢水處理后的回用水,都可以用作冷卻水。

水有比較大的熱容量;在室溫時(shí),lm3的水,溫度升高1℃,可以吸收納2.42×109J的熱量。

水有很大相變熱;當(dāng)水溶液作冷卻介質(zhì)使用時(shí),部分能量較大的表層水分子有可能克服分子間的引力和氫鍵,從而氣化到空氣中,完成相變過程。每蒸發(fā)lkg水、帶走約2.43×106J的熱量。3.1冷卻水系統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)通常有兩種:(一)直流冷卻水系統(tǒng)冷卻水僅僅通過換熱設(shè)備—次,用過后水就被排放掉,如圖3-1所示。因此,它的用水量很大,而排出水的溫升卻很小,水中各種礦物質(zhì)和離子含量基本上保持不變。這種冷卻水系統(tǒng)不需要其他冷卻水構(gòu)筑物,因此投資少、操作簡便,但是冷卻水的操作費(fèi)用大,而且不符合當(dāng)前節(jié)約使用水資源的要求。這種系統(tǒng)(除了用海水的直流冷卻水系統(tǒng)外)在國外已被淘汰,在國內(nèi)一些中、小型老廠仍在采用。隨著國內(nèi)各項(xiàng)節(jié)水政策的制定,這些工廠也都在采取措施,將其列入技術(shù)改造的范圍。3.2冷卻塔

用于水冷卻的塔式構(gòu)筑物簡稱冷卻塔。冷卻塔內(nèi)部裝有濺水裝置或填料,由一排排板條交錯(cuò)排列而成。水順著板條逐排淋降,濺成水滴。也可采用膜式填料,使水在填料表面上以薄膜形式與空氣接觸。填料必須受濕良好,否則形成水流而不是水滴或水膜。在冷卻塔中,熱水由塔頂向下噴淋成水滴或水膜狀,空氣由下而上或水平方向與水滴或水膜進(jìn)行熱交換,使水溫降低。冷卻塔的分類:

按照塔的構(gòu)造,有框架式和玻璃鋼整體成型式;按照塔內(nèi)空氣流動的動力,有自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)之分;機(jī)械通風(fēng)又分抽風(fēng)和鼓風(fēng)式兩種;按照空氣與水在塔內(nèi)相對流動狀態(tài),有逆流式和橫流式;(二)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)又分封閉式和敞開式兩種:1.封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)又稱為密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。在這個(gè)過程中,冷卻水溫度升高而成為熱水,在另一臺換熱設(shè)備中用其他冷卻介質(zhì)來進(jìn)行冷卻熱水,經(jīng)冷卻后循環(huán)使用。如圖3-2所示。特點(diǎn):

冷卻水不暴露于空氣中,水的損耗很少,如果選用密封性能很好的水泵,可以做到基本上不消耗水,水中各種雜質(zhì)的濃度變化很少。由于密閉冷卻水系統(tǒng)一般用量比較少,可以使用純水,但不要使用軟化水因?yàn)檐浕畬饘俚母g性很強(qiáng)。一個(gè)密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由兩部分組成:一個(gè)是冷卻水的循環(huán)部分,另一個(gè)是對冷卻水進(jìn)行冷卻的裝置部分。一般用于發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、或有特殊要求的單臺換熱設(shè)備。2.敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,冷卻水用過后也不是立即排放掉,而是收回循環(huán)再用。水的再冷卻是通過冷卻塔來進(jìn)行的,因此冷卻水在循環(huán)過程中要與空氣接觸,部分水在通過冷卻塔時(shí)還會不斷被蒸發(fā)損失掉,因而水中各種礦物質(zhì)和離子含量也不斷被濃縮增加。為了維持各種礦物質(zhì)和離子含量穩(wěn)定在某一個(gè)定值上,必須對系統(tǒng)補(bǔ)充一定量的冷卻水,通常稱作補(bǔ)充水;并排出一定量的濃縮水,通稱排污水。如圖3-3所示:

圖3-3敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)1-補(bǔ)充水(M);2-冷卻塔;3-冷水池;4-循環(huán)水泵;5-滲漏水(F);6-冷卻水;7-冷卻用換熱器;8-熱水(R);9-排污水(B);10-蒸發(fā)損失(E);11-風(fēng)吹損失(D);12-空氣系統(tǒng)的基本組成:包括補(bǔ)充水的預(yù)處理、循環(huán)水的輸送泵、與工藝介質(zhì)的熱交換、循環(huán)水的冷卻、藥劑的投加、冷卻水的旁濾、排污水的處理、控制檢測網(wǎng)絡(luò)和管道等設(shè)備,構(gòu)筑物,裝置及儀表等組成。與直流冷卻水系統(tǒng)相比,可節(jié)約大量冷卻水,允許的濃縮程度越高,節(jié)約的水量越大,且排污水也相應(yīng)減少。所以這是目前應(yīng)用最廣、類型最多的一種冷卻系統(tǒng)。下面主要介紹這種系統(tǒng)的操作、存在的問題、及解決辦法。1、開放式自然通風(fēng)冷卻塔

在較高的塔型構(gòu)筑物的頂部,水經(jīng)過淋水裝置噴淋而下,與從百葉窗中進(jìn)來的空氣垂直交叉相遇,完成熱交換過程。冷卻效果取決于環(huán)境風(fēng)力和氣溫。只能適用于冷卻水量不大,傳熱要求很低,水溫變化不高的系統(tǒng)。(見教材P7圖1-4a,b)2、風(fēng)筒式冷卻塔有很大很高的風(fēng)筒,因而對空氣有很強(qiáng)的抽吸能力。低溫狀態(tài)的空氣在風(fēng)筒的下部進(jìn)人冷卻塔,在填料內(nèi)與熱水進(jìn)行有效的熱交換。這種構(gòu)造常常用于冷卻水流量很大的系統(tǒng),雖然工程基建投資大,但日常維護(hù)簡易,能耗較小,像發(fā)電廠的冷卻水一般使用風(fēng)筒式冷卻塔。(圖1-4c,d)3、鼓風(fēng)式冷卻塔是由安裝在冷卻塔底部的鼓風(fēng)機(jī)將低溫狀態(tài)的空氣壓入塔中,與熱水逆流通過填料層進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)機(jī)的位置較低,維護(hù)方便;風(fēng)機(jī)的工作不受濕熱空氣的影響,溫度低,使用壽命長,尤其當(dāng)水質(zhì)較差或有腐蝕時(shí),可避免風(fēng)機(jī)的腐蝕。缺點(diǎn)是在相同冷卻效果時(shí),要有更高的塔身高度;塔內(nèi)空氣處于正壓狀態(tài),不利于蒸發(fā),當(dāng)風(fēng)機(jī)的吸入口受濕熱空氣回流影響時(shí),冷卻效果明顯降低。(圖1-4e)4、抽風(fēng)式冷卻塔是機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中應(yīng)用最普遍的。風(fēng)機(jī)安裝在塔頂,根據(jù)水與空氣流動方向,可分為逆流式、橫流式和并流式3種。從熱交換效率來看,逆流式最優(yōu)越。根據(jù)冷幅在4~25℃范圍內(nèi)變化,可以制造成低溫、中溫、高溫不同型號的冷卻塔。單臺冷卻塔處理冷卻水的能力小至3~5m3/h.(圖1-4f,g)優(yōu)點(diǎn):

1)抽風(fēng)時(shí),塔內(nèi)空氣成負(fù)壓,十分有利于水的蒸發(fā)散熱;

2)塔內(nèi)裝填著一定高度的、親水性能很好的波紋或網(wǎng)格形狀的淋水裝置填料,使從上而下的熱水以細(xì)小水珠或極薄的水膜與空氣有最大的接觸面積和最理想的接觸時(shí)間,以達(dá)到好的傳熱效果;

3)允許有較大水溫差,淋水密度遠(yuǎn)大于自然通風(fēng)的冷卻塔,因此占地面積小,工程造價(jià)低,可用于對冷卻后的水溫有確定要求的生產(chǎn)工藝,甚至在氣溫較高、濕度較大的地區(qū)也能很好地使用。缺點(diǎn):1)風(fēng)機(jī)消耗較大的電能;塑料制品有一定的老化期需要定期進(jìn)行維護(hù)檢修

2)塔身較低時(shí),由于風(fēng)機(jī)進(jìn)口的風(fēng)速較大,排出塔頂?shù)臐駸峥諝馊菀自斐刹糠只亓鳎绊懤鋮s的效果,如果能形成理想的塔群分布,可克服這一缺點(diǎn)。5、框架式冷卻塔是機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的一種使用形式。冷卻塔呈矩形結(jié)構(gòu),框架由鋼筋混凝土澆注,設(shè)計(jì)和施工時(shí)往往與水池連接成一體,設(shè)計(jì)的冷卻水溫差可達(dá)10℃以上,單框冷卻水的處理量為500~2000m3/h,多柜組合施工可節(jié)省投資。框架式冷卻塔適宜于冷卻水量較大的使用場合,對北方寒冷地區(qū)有較長的使用壽命;可逐個(gè)檢修和更換填料而不影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行,但造價(jià)高,遇到有腐蝕性的氣體或介質(zhì)進(jìn)入水體時(shí),要在混凝土表面進(jìn)行涂層防護(hù)處理。6、玻璃鋼冷卻塔

殼體由玻璃鋼制作的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔稱玻璃鋼冷卻塔。目前已經(jīng)有系列化產(chǎn)品,由于這類產(chǎn)品規(guī)格齊全,場地安置適應(yīng)性強(qiáng),排列靈活,既可以整體運(yùn)輸安裝,又可以在現(xiàn)場拼裝,價(jià)格相對比較便宜,很適合化工、制冷、輕工、制藥等行業(yè)選用。玻璃鋼冷卻塔適宜組合使用,單框的處理水量約150~600m3/h,可以組合2~12臺,組合后因通風(fēng)條件改變,處理水量應(yīng)重新計(jì)算。廣州菱科冷卻塔廣州菱科冷卻塔結(jié)構(gòu)河北棗強(qiáng)鋼筋混凝土框架逆流式河北棗強(qiáng)方形橫流河北棗強(qiáng)方形橫流結(jié)構(gòu)棗強(qiáng)圓形逆流棗強(qiáng)圓形逆流結(jié)構(gòu)3.3冷卻機(jī)理1、濕空氣的性質(zhì)濕空氣中水蒸汽的分壓一般小于該溫度下的飽和蒸汽壓,相對濕度小于100%。2、干球溫度普通溫度計(jì)測得,真實(shí)溫度。3、濕球溫度普通溫度計(jì)水銀球上包一層濕紗布,叫濕球溫度計(jì)。當(dāng)濕空氣傳遞到紗布表面的熱量等于紗布中水分蒸發(fā)所需的熱量,此溫度為濕球溫度。4、冷卻機(jī)理在冷卻塔內(nèi),熱水下淋過程與周圍空氣存在溫度差和濕度差,發(fā)生兩種傳熱作用,一是蒸發(fā)傳熱,二是接觸傳熱,使水溫降低。蒸發(fā)傳熱是冷卻水在冷卻塔中由于氣化而從液相帶到空氣中的潛熱量。進(jìn)人冷卻塔的空氣相對濕度一般總小于l00%,而在填料處水膜表面的空氣、水蒸氣已達(dá)飽和狀態(tài),水蒸氣就不斷擴(kuò)散到空氣中去。只要水表面的飽和蒸汽壓比空氣中的水蒸氣分壓大,水表面的蒸發(fā)就必然會存在。蒸發(fā)傳熱的過程使一部分冷卻水從液相轉(zhuǎn)移到空氣中,所以是水的傳質(zhì)過程。由于水有很高的汽化潛熱,每蒸發(fā)lkg水、要帶走約2.43×106J的熱量,占冷卻塔中傳熱量的75%~80%。蒸發(fā)傳熱傳遞的熱量q

q汽=γ·Eγ為該溫度下的汽化熱

E(kg)蒸發(fā)水量接觸傳熱是當(dāng)空氣的濕球溫度低于水溫時(shí),熱量從水傳向空氣,使空氣溫度提高而水溫降低,這部分熱量的傳遞通過溫度顯示出來,稱為顯熱,約占冷卻塔中傳熱量的20%~25%。在熱量傳遞的過程中,傳導(dǎo)和對流都在起作用,以傳導(dǎo)為主,冷卻水與空氣之間直接接觸傳遞的熱量qq傳

=k傳·A·Δtk傳由流體的流動狀態(tài)和物料特性所決定,

A為氣液兩相真實(shí)的傳熱面積(m2),

Δt為兩相的溫度差(℃)實(shí)際計(jì)算時(shí)k和A都很難確定,只能相對說,在冬季氣溫低,接觸傳熱的作用占的比例增大;在夏季氣溫高,接觸傳熱作用占的比例減小。3.4敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)操作冷卻水在完成換熱任務(wù)后變成熱水,此循環(huán)水量為R的熱水被送往冷卻塔頂部,由布水管道噴淋到塔內(nèi)填料上??諝鈩t由塔底百頁窗空隙中進(jìn)入塔內(nèi),并被塔頂風(fēng)扇抽吸上升,與落下的水滴和填料上的水膜相遇進(jìn)行熱交換,水滴和水膜則在下降過程中逐漸變冷,當(dāng)?shù)竭_(dá)冷卻水池時(shí),水溫正好下降到符合冷卻水的要求??諝庠谒?nèi)上升過程中則逐漸變熱,最后由塔頂逸出,同時(shí)帶走水蒸氣。這部分水的損失稱蒸發(fā)損失E。熱水由塔頂向下噴濺時(shí),由于外界風(fēng)吹和風(fēng)扇抽吸的影響,循環(huán)水會有一定的飛濺損失和隨空氣帶出的霧沫夾帶損失。這些損失掉的水,統(tǒng)稱為風(fēng)吹損失D。為了維持循環(huán)水中一定的離子濃度,必須不斷向系統(tǒng)中加入補(bǔ)充水量M和向系統(tǒng)外面排出一定的污水。這部分水量稱為排污損失B。操作圖見3-3所示。

圖3-3敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)1-補(bǔ)充水(M);2-冷卻塔;3-冷水池;4-循環(huán)水泵;5-滲漏水(F);6-冷卻水;7-冷卻用換熱器;8-熱水(R);9-排污水(B);10-蒸發(fā)損失(E);11-風(fēng)吹損失(D);12-空氣實(shí)際操作中,這些參數(shù)都需討論確定。(一)濃縮倍數(shù)在敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,由于蒸發(fā)系統(tǒng)中的水會愈來愈少,而水中各種礦物質(zhì)和離子含量就會愈來愈濃,為使水中含鹽量維持在一定的濃度,必須補(bǔ)入新鮮水,排出濃縮水。通常在操作時(shí),用濃縮倍數(shù)來控制水中含鹽的濃度。設(shè)以K表示濃縮倍數(shù),則K的含義就是指循環(huán)水中某物質(zhì)的濃度與補(bǔ)充水中某物質(zhì)的濃度之比。即K=CR/CM式中CR——循環(huán)水中某物質(zhì)的濃度;CM——補(bǔ)充水中某物質(zhì)的濃度。用來計(jì)算濃縮倍數(shù)的物質(zhì),要求它們的濃度除了隨濃縮過程而增加外,不受其他外界條件,如加熱、沉淀、投加藥劑等的干擾。通常選用的物質(zhì)有Cl-、SiO2、K+等物質(zhì)或總?cè)芙夤腆w。濃縮倍率是一個(gè)相對量的概念,不能用濃縮倍率的高低來簡單評定藥劑的性能,但能反映冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行的管理水平.

(如一個(gè)地方地表水的含鹽量很低,運(yùn)行濃縮五倍以后還比另一個(gè)地方的補(bǔ)充水的含鹽量低。)

(二)補(bǔ)充水量M(m3/h)

水在循環(huán)過程中,除因蒸發(fā)損失和維持一定的濃縮倍數(shù)而排掉一定的污水外,還由于空氣流由塔頂溢出時(shí),帶走部分水滴,以及管道滲漏而失去部分水,因此補(bǔ)充水是下列各項(xiàng)損失之和。1、蒸發(fā)損失E(m3/h)

冷卻塔中,循環(huán)冷卻水因蒸發(fā)而損失的水量E與氣候和冷卻幅度有關(guān),通常以蒸失損失率a來表示。進(jìn)入冷卻塔的水量愈大,E也就愈多,以式表示如下:式中a——蒸發(fā)損失率,%;R——系統(tǒng)中循環(huán)水量,m3/h;

B——系統(tǒng)中排污水量,m3/h;

t1,t2——循環(huán)冷卻水進(jìn)、出冷卻塔的溫度,℃;

e——損失系數(shù),與季節(jié)有關(guān),夏季(25~30℃)時(shí)為0.15~0.16;冬季(-15~10℃)時(shí)為0.06~0.08;春秋季(0~10℃)時(shí)為0.10~0.12。2、風(fēng)吹損失(包括飛濺和霧沫夾帶)D(m3/h)

除與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速有關(guān)外,還與冷卻塔的型式和結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般自然通風(fēng)冷卻塔比機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的風(fēng)吹損失要大些。若塔中裝有良好的收水器,其風(fēng)吹損失比不裝收水器的要小些。風(fēng)吹損失通常以占循環(huán)水量R的百分率來估計(jì),D≈(0.2%~0.5%)R3、排污水損失B(m3/h)

由需要控制的濃縮倍數(shù)和冷卻塔的蒸發(fā)量來確定,其計(jì)算下面再討論。4、滲漏損失F(m3/h)

良好的循環(huán)冷卻水系統(tǒng),管道連接處,泵的進(jìn)、出口和水池等地方都不應(yīng)該有滲漏。但因管理不善,安裝不好,則滲漏就不可避免。因此在考慮補(bǔ)充水量時(shí)、應(yīng)視系統(tǒng)具體情況而定。故補(bǔ)充水量M=E+D+B+F(三)排污水量B(m3/h)

B的確定與冷卻塔的蒸發(fā)損失量和濃縮倍數(shù)K有關(guān)。可以通過下列物料衡算的辦法,找出B和E與K的關(guān)系式。

設(shè)循環(huán)系統(tǒng)中,除了有補(bǔ)充水加入和排污、蒸發(fā)、風(fēng)吹、滲漏等損失外,再沒有其他的水流或溶質(zhì)加入或排出系統(tǒng),那么整個(gè)系統(tǒng)在循環(huán)濃縮過程中,就可以對循環(huán)水中某些不受加熱、沉淀等干擾的溶質(zhì)(如Cl-、K+、Na+等)作物料衡算,得到下面的式子:

蒸發(fā)時(shí),溶質(zhì)不會隨水蒸氣逸出,所以實(shí)際cE等于零,故上式可寫成McM=(B+D+F)cR

因?yàn)镵=cR/cM

所以M/(B+D+F)=K或(B+D+E+F)/(B+D+F)=K

則B=[E-(K-1)D-(K-1)F]/(K-1)

當(dāng)系統(tǒng)中管道聯(lián)接緊密,不發(fā)生滲漏時(shí),則F=0;當(dāng)冷卻塔收水器效果較好時(shí),風(fēng)吹損失D很小,如略去不計(jì),則上式可簡化為:B=E/(K-1)

因此循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),只要知道了系統(tǒng)中循環(huán)水量及和濃縮倍數(shù)K,就可以估算出蒸發(fā)量E、排污水量B以及補(bǔ)充水量M等操作參數(shù)??刂坪眠@些參數(shù),循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行也就能正常進(jìn)行。由上述一些關(guān)系還可以看出,在一定的系統(tǒng)中,只要改變補(bǔ)充水量或排污水量,就可以改變循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。(四)操作運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)中離子濃度的變化循環(huán)水系統(tǒng)在操作運(yùn)行時(shí),不斷加入補(bǔ)充水和徘出濃縮水,因此循環(huán)水中的離子濃度隨著運(yùn)行時(shí)間的推移會發(fā)生變化。其變化的規(guī)律將根據(jù)補(bǔ)充水量和排污水量的大小而異,但最終會趨于一個(gè)定值?,F(xiàn)在討論改變運(yùn)行條件時(shí),系統(tǒng)中一些離子濃度的變化規(guī)律。設(shè)補(bǔ)充水中某離子的濃度為cM,而循環(huán)水中某離子濃度c只是隨著補(bǔ)充水量和排污水量的變化而變化,那么對系統(tǒng)中某離子濃度的瞬時(shí)變化可作如下的分析:某離子的瞬時(shí)變化量=d(Vc)

式中v——系統(tǒng)中水的總?cè)萘?,m3;

c——系統(tǒng)中某離子的瞬間濃度,g/m3。某離子隨補(bǔ)充的加入而引起的瞬時(shí)增加量=McMdtcM——補(bǔ)充水中某離子的濃度,g/m3;某離子隨排污水的排出而引起的瞬時(shí)減少量=Bcdtc——排污水中某離子的瞬時(shí)濃度,g/m3;根據(jù)物料衡算,系統(tǒng)中某離子瞬間變化量應(yīng)該等于進(jìn)入該系統(tǒng)的瞬時(shí)量和排除系統(tǒng)的瞬時(shí)量的差值。即設(shè)系統(tǒng)在t0時(shí),某離子的濃度為c0,經(jīng)時(shí)間t后,某離子濃度變?yōu)閏。對上式積分經(jīng)整理后可得下式此式描述了循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí),冷卻水中某離子濃度變化的規(guī)律。見下圖:圖3-4降低濃縮倍數(shù)時(shí)水中某離子濃度變化曲線圖3-5提高濃縮倍數(shù)時(shí)水中離子濃度變化曲線兩個(gè)圖中的McM/B不相等。從圖3—4和圖3—5得知,不論系統(tǒng)中某離子的初始濃度是多少,隨著運(yùn)行時(shí)間的推移,其最終的濃度總是濃縮倍數(shù)和補(bǔ)充水中離子濃度的乘積,由此證明了控制好補(bǔ)水量和排污水量能使系統(tǒng)中某些離子濃度穩(wěn)定在一個(gè)定值上。3.5敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生的問題冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用,由于水的溫度升高,水流速度的變化,水的蒸發(fā),各種無機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)的濃縮,冷卻塔和冷水池在室外受到陽光照射、風(fēng)吹雨淋、灰塵雜物的進(jìn)入,以及設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料等多種因素的綜合作用,會產(chǎn)生比直流系統(tǒng)更為嚴(yán)重的沉積物的附著、設(shè)備腐蝕和菌藻微生物的大量滋生,以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等問題,它們會威脅和破壞工廠長周期地安全生產(chǎn),甚至造成經(jīng)濟(jì)損失,因此不能掉以輕心,在推廣使用敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時(shí),必須要選擇一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的循環(huán)冷卻水處理方案,使上述問題得到解決或改善。腐蝕嚴(yán)重的鍍鋅管結(jié)垢嚴(yán)重的鍍鋅管被堵塞的銅管1、水垢附著

一般天然水中都溶解有重碳酸鹽,這種鹽是冷卻水發(fā)生水垢附著的主要成分。在直流冷卻水系統(tǒng)中,重碳酸鹽的濃度較低。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,重碳酸鹽的濃度隨著蒸發(fā)濃縮而增加,當(dāng)其濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí),或者在經(jīng)過換熱器傳熱表面使水溫升高時(shí),會發(fā)生下列反應(yīng):冷卻水經(jīng)過冷卻塔向下噴淋時(shí),溶解在水中的游離CO2要逸出,這就促使上述反應(yīng)向右方進(jìn)行。CaCO3沉積在換熱器傳熱表面,形成致密的碳酸鈣水垢,它的導(dǎo)熱性能很差。不同的水垢,其導(dǎo)熱系數(shù)不同,但一般不超過1.16w/(m·K),而鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為45w/(m·K),可見水垢形成,必然會影響換熱器的傳熱效率。水垢附著的危害,輕者是降低換熱器的傳熱效率,影響產(chǎn)量,嚴(yán)重時(shí),則管道被堵。2、設(shè)備腐蝕循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,大量的設(shè)備是金屬制造的換熱器。對于碳鋼制成的換熱器用循環(huán)冷卻水,會發(fā)生腐蝕穿孔,其腐蝕的原因是多種因素造成的。1)冷卻水中溶解氧引起的電化學(xué)腐蝕敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,水與空氣能充分地接觸,因此水中溶解的O2可達(dá)飽和狀態(tài)。當(dāng)碳鋼與溶有O2的冷卻水接觸時(shí),由于金屬表面的不均一性和冷卻水的導(dǎo)電性,在碳鋼表面會形成許多腐蝕微電池,微電池的陽極區(qū)和陰極區(qū)分別發(fā)生下列的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng):在陽極區(qū)在陰極區(qū)在水中這些反應(yīng)促使微電池中的陽極區(qū)的金屬不斷溶解而被腐蝕。2)有害離子引起的腐蝕循環(huán)冷卻水在濃縮過程中,除重碳碳鹽濃度隨濃縮倍數(shù)增長而增加外,其他的鹽類如氯化物、硫酸鹽等的濃度也會增加。當(dāng)Cl-和SO42-離子濃度增高時(shí),會加速碳鋼的腐蝕。Cl-和SO42-會使金屬上保護(hù)膜的保護(hù)性能降低,尤其是的氯離子半徑小,穿透性強(qiáng),容易穿過膜層,置換氧原子形成氯化物,加速陽極過程的進(jìn)行,使腐蝕加速,所以氯離子是引起點(diǎn)蝕的原因之一。對于不銹鋼制造的換熱器,Cl-是引起應(yīng)力腐蝕的主要原因,因此冷卻水中Cl-的含量過高,常使設(shè)備上應(yīng)力集中的部分,如換熱器花板上脹管的邊緣迅速受到腐蝕破壞。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中如有不銹鋼制的換熱器時(shí),一般要求Cl-的含量不超過300mg/L。

3)微生物引起的腐蝕微生物的滋生也會使金屬發(fā)生腐蝕。這是由于微生物排出的粘液與無機(jī)垢和泥砂雜物等形成的沉積物附著在金屬表面,形成氧的濃差電池,促使金屬腐蝕。此外,在金屬表面和沉積物之間缺乏氧,因此一些厭氧菌(主要是硫酸鹽還原菌)得以繁殖,當(dāng)溫度為25~30℃時(shí),繁殖更快。它分解水中的硫酸鹽,產(chǎn)生H2S,引起碳鋼腐蝕,其反應(yīng)如下:鐵細(xì)菌是鋼鐵銹瘤產(chǎn)生的主要原因,它能使Fe2+氧化為Fe3+,釋放的能量供細(xì)菌生存

上述各種因素對碳鋼引起的腐蝕常使換熱器管壁被腐蝕穿孔,形成滲漏,或工藝介質(zhì)泄漏入冷卻水中,損失物料,污染水體;或冷卻水滲入工藝介質(zhì)中,使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。當(dāng)被腐蝕穿孔的管子數(shù)目不多時(shí),可采取臨時(shí)堵管的辦法,使換熱器在減少傳熱面的情況下繼續(xù)使用。當(dāng)穿孔的管子過多時(shí),換熱器傳熱面減少得太多,失去冷卻作用,此時(shí)只有停產(chǎn)更換。因此,腐蝕與水垢附著一樣,危害工廠安全生產(chǎn),造成經(jīng)濟(jì)損失。3、微生物的滋生和粘泥冷卻水中的微生物一般是指細(xì)菌和藻類。在新鮮水中,一般來說細(xì)菌和藻類都較少。但在循環(huán)水中,由于養(yǎng)分的濃縮,水溫的升高和日光照射,給細(xì)菌和藻類創(chuàng)造了迅速繁殖的條件。大量細(xì)菌分泌出的粘液像粘合劑一樣,能使水中飄浮的灰塵雜質(zhì)和化學(xué)沉淀物等粘附在一起,形成黏湖糊的沉積物粘附在換熱器的傳熱表面上。這種沉積物有人稱它為生物粘泥,也有人把它叫做軟垢。粘泥積附在換熱器管壁上,除了會引起腐蝕外,還會使冷卻水的流量減少,從而降低換熱器的冷卻效率;嚴(yán)重時(shí),這些生物粘泥會將管子堵死,迫使停產(chǎn)清洗。例如北京某廠因換熱器中菌藻大量繁殖。半月之內(nèi)就使熱負(fù)荷下降到50%,不得不經(jīng)常停產(chǎn)沖洗,使產(chǎn)量減少。六、敞開式循環(huán)冷卻水處理的重要性冷卻水長期循環(huán)使用后,必然會帶來沉積物附著、金屬腐蝕和微生物滋生這三個(gè)問題,而循環(huán)冷卻水處理就是通過水質(zhì)處理的辦法解決這些問題,這樣做法的好處如下。(1)穩(wěn)定生產(chǎn)沒有沉積物附著、腐蝕穿孔和粘泥堵塞等危害,冷卻水系統(tǒng)中的換熱器就可以始終在良好的環(huán)境中工作。除計(jì)劃中的檢修外,意外的停產(chǎn)檢修事故就會減少,從而在循環(huán)冷卻水方面為工廠的長周期安全生產(chǎn)提供廣保證。(2)節(jié)約水資源年產(chǎn)30萬噸合成氨工廠,如果用直流冷卻水系統(tǒng),則每小時(shí)耗水量達(dá)23500m3;如改為循環(huán)冷卻水系統(tǒng),并以1.5倍的濃縮倍數(shù)運(yùn)行,則每小時(shí)耗水量降為1100m3,如果將濃縮倍數(shù)提高到3倍,則每小時(shí)耗水量只需550m3。(3)減少環(huán)境污染直流冷卻水系統(tǒng)除將廢熱帶到水源中形成熱污染外,若也用化學(xué)藥劑處理以消除結(jié)垢、腐蝕,則大量排放的冷卻水將向環(huán)境中帶入很多藥劑,對水源產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。而循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可以大大減少污水的排放量,因此對少量污水通過精心處理,可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),甚至作進(jìn)一步處理后,可收回作系統(tǒng)的補(bǔ)充水用。這樣形成閉路循環(huán),不向外界排

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