循環(huán)冷卻水現(xiàn)狀及存在問題

1、同時應遵循先易后難、分質(zhì)利用的原則一、技術背景與意義循環(huán)冷卻水是工業(yè)用水中的用水大項,在石油化工、電力、鋼鐵、冶金等行業(yè)，循環(huán)冷卻水的用量占企業(yè)用水總量的50-90%。由于原水中有不同的含鹽量，循環(huán)冷卻水濃縮到一定倍數(shù)必須排出一定的濃水，并補充新水。一臺30萬KW冷凝機組，循環(huán)冷卻水量要達到3.3萬噸/時左右，假定原水中含鹽量為1000mg/L，濃縮倍數(shù)為3，那么循環(huán)冷卻水的濃水排放約在68左右，即198264m3/h，同時需補充的新水等于排水及蒸發(fā)損失等，補充水量大約為循環(huán)水量的22.6%，將為660860m3/h左右，水資源消耗與污水排放的數(shù)量是很大的。循環(huán)冷卻水由于受濃縮倍數(shù)的制約，在運

2、行中必須要排出一定量的濃水和補充一定量的新水。使冷卻水中的含鹽量、PH值、有機物濃度、懸浮物含量控制在一個合理的允許范圍。對這部分濃水排放進行具體處理回用，具有重要的意義。它不但能提高水的重復利用率，節(jié)約水資源，而且能極大的改善循環(huán)冷卻水的整體狀況。二、循環(huán)冷卻水現(xiàn)狀及存在問題循環(huán)冷卻水由泵送往冷卻系統(tǒng)中各用戶，經(jīng)換熱后溫度升高，被送往冷卻塔進行冷卻。在冷卻塔中熱水從塔頂向下噴淋成水滴或水膜狀，空氣則逆向或水平交流流動，在氣水接觸過程中，進行熱交換。水溫降至符合冷卻水要求時，繼續(xù)循環(huán)使用?？諝庥伤斠绯鰰r帶走水蒸氣，使循環(huán)水中離子含量增加，因此必須補充新鮮水，排出濃縮水，以維持含鹽量在一定濃度

3、，從而保證整個系統(tǒng)正常運行。補充水的量應彌補系統(tǒng)蒸發(fā)、風吹（包括飛濺和霧沫夾帶）及排污損失的水量。循環(huán)水與補充水中含鹽量之比，即為該循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。在一定的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，只要改變補充水的含鹽量，就可以改變循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)，而提高濃縮倍數(shù)是保證整個循環(huán)冷卻水系統(tǒng)經(jīng)濟運行的關鍵。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。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

4、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（1.16W/(m.K)，鋼材一般為45W/(m.K)）。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，生產(chǎn)能耗增加，產(chǎn)量下降，加快局部腐蝕，甚至造成非正常停產(chǎn)。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SO42-）引起的腐蝕；微生物（厭氧菌、鐵細菌）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，

5、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)。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。三、循環(huán)冷卻水處理技術現(xiàn)狀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

6、制即是防止碳酸鈣的析出，大致有以下幾類方法。 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)。 加酸或通入CO2氣體，降低PH值，穩(wěn)定重碳酸鹽在循環(huán)水中加酸（通常為硫酸）或通入CO2氣體，降低PH值，使下列平衡左移，重碳酸鹽處于穩(wěn)定狀態(tài)。加酸法目前仍有使用，關鍵是控制好加酸

7、量，否則酸量過多會加速設備腐蝕。通CO2氣體同樣應注意控制好PH值，否則循環(huán)水通過冷卻塔時，由于CO2的溢出，CaCO3在塔內(nèi)結晶，堵塞填料，形成鈣垢轉移現(xiàn)象。該方法在某些化肥廠、化工廠及電廠等有CO2氣體源的企業(yè)仍有推廣使用的價值。 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。2、污垢的控制控制污垢，可從下面幾個方面努力： 對補充水進行預處理，降低濁度 做好循環(huán)水水質(zhì)處理 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

8、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。 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、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)金屬腐蝕的控制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)金屬腐蝕的控制方法常用的主要有以下四種： 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，常用的緩蝕劑有硅酸鹽、鉬酸鹽、鋅鹽、磷酸鹽、聚磷酸鹽、有機多元膦酸、巰基苯并噻唑（MBT）、苯并三唑（

9、BTA）和甲基苯并三唑（TTA）、硫酸亞鐵等，并且為了減輕環(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。 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。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)通常通過在冷卻塔內(nèi)的曝氣提高PH值，當水中和空氣中的CO2達到平衡時，水的PH為8.5左右。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

10、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。 選用耐蝕材料的換熱器例如使用聚丙烯換熱器或石墨改性聚丙烯換熱器，但由于換熱效果差，很少使用。 用防腐涂料涂覆通過防腐涂料的屏蔽、緩蝕、陰極保護及PH緩沖作用來保護設備不受腐蝕。4、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)微生物的控制循環(huán)水系統(tǒng)中微生物引起的腐蝕、粘泥及其生長的控制方法有：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

11、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以及頗有前途的噬菌體法等。除上面所列方法之外，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。殺生劑的種類很多，氧化性殺生劑有：氯、次氯酸鹽、氯化異氰尿酸、二氧化氯、臭氧、溴及溴化物等；非氧化性殺生劑有氯酚類、有機錫化物、季銨鹽、有機胺類、有機硫化物、銅鹽及異噻唑啉銅等。綜上所述，上面介紹的是分類解決循環(huán)水系統(tǒng)問題的各種方法，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

12、，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。但這些傳統(tǒng)處理方法，不能從根本上解決鹽濃縮引起的各種問題，并且投加各種水處理劑的操作系統(tǒng)復雜、藥劑費用高，使循環(huán)水的總體濃縮倍數(shù)不高、運行管理成本很高四、循環(huán)冷卻水處理和“趨零”排放新技術 1、技術目標1 降低循環(huán)水系統(tǒng)運行費用，提高整體管理水平。2 徹底解決水垢附著、設備腐蝕以及微生物的滋生與粘泥問題。3 大量減少循環(huán)水系統(tǒng)排污水量和補充水量，提高濃縮倍數(shù)，實現(xiàn)“趨零”排污或少排污，節(jié)約水資源。2、技術關鍵設計一整套低費用水處理方案，降低循環(huán)水的濁度和總溶解固體，減少系

13、統(tǒng)補水量，提高濃縮倍數(shù)，改善整體循環(huán)水的狀況，降低處理費用，最后實現(xiàn)“趨零”排放和不使用化學藥劑。提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，可降低補充水的用量，節(jié)約水資源，同時可降低排污水量，從而減少其對環(huán)境的污染，進而降低循環(huán)水處理成本。為了更好的說明這一問題，假設一循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)水量為10000m3/h，冷卻塔進出口水溫分別為42和32，風吹損失占循環(huán)水量的0.1%，在不同濃縮倍數(shù)下該系統(tǒng)的運行參數(shù)計算值見下表。目前我國的循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)一般為1.52.5。3、技術路線將原有循環(huán)水系統(tǒng)的排污水、生活污水、污水處理廠出水、工藝過程的假定凈水進行處理，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

14、低于新鮮水（天然水）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)。在石油、化工、電力、鋼鐵等行業(yè)企業(yè)中，既有生產(chǎn)用水，也有生活用水，生產(chǎn)用水又分直接一次性用水和循環(huán)水。而循環(huán)水根據(jù)以上所述，是要有一定濃水排放，還有蒸發(fā)損失、風吹損失等，所以，對循環(huán)水系統(tǒng)要有補充水?，F(xiàn)在多數(shù)企業(yè)的循環(huán)水是用新鮮水補充，生活污水和循環(huán)水濃水以及污水處理廠出水都按排污水排放了。如果把生活污水、循環(huán)水濃水、污水處理廠出水、工藝過程排放的假定凈水進行處理后，用做循環(huán)水的補充水，從而節(jié)

15、約新鮮水，在技術上是可行的，經(jīng)濟上也是有效益的。在電廠中，由于被循環(huán)水冷卻的介質(zhì)是低溫蒸汽，溫度只有50左右，一般來說，在循環(huán)水系統(tǒng)中不會出現(xiàn)結垢現(xiàn)象，在實際運行中，出現(xiàn)較多的問題是含鹽量增多、細菌滋生、灰塵等，只要將循環(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)水的補充水就可以了。我們的技術方案最主要的一條是：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，按我們的方案處理能為企業(yè)取得一定的經(jīng)濟效益，

16、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。在煉油、化工企業(yè)中，由于被冷卻的介質(zhì)品種較多，有的介質(zhì)溫度高達200以上，加之循環(huán)水在換熱系統(tǒng)中流量分配上，不可能設計得十分合理，造成部分換熱器循環(huán)水溫度過高，在換熱器內(nèi)結垢情況嚴重，系統(tǒng)運行中、后期，往往由于嚴重結垢而影響換熱效果，造成部分產(chǎn)品溫度降不下來，影響正常生產(chǎn)。在石油化工生產(chǎn)中，循環(huán)水突出的問題是在部分換熱器中結垢嚴重，另外也存在運行中含鹽量增高，細菌滋生等問題。所以在石油化工生產(chǎn)中，我們的技術路線是：循環(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，

17、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。在回用水的處理中，一次性投資1100元-1500元/噸污水（污水處理場達標廢水），噸水運行費用0.5-0.8元/噸，噸水運行成本約1.2-1.5元/噸（包括設備折舊費、材料消耗費、大修基金等所有取費），但基本解決了結垢以及提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)這個大問題，保證生產(chǎn)的正常性和長周期運行，其間接效益是很大的，何況在濃水、污水回用方面也有一定的經(jīng)濟效益。4、技術分析污水回用項目，關鍵在于流程的可靠性、出水的穩(wěn)定性以及制水成本。就目前我國污水回用技術實際情況而言，對于上述污水進行深度處理以達到回用水質(zhì)標準，有多種處理方

18、法可拱選擇，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。離子交換法主要用于去除水中離子化的物質(zhì)，而生化處理出水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；另外，樹脂抗Cl2、O2等氧化劑氧化性很差，因而不宜采用。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)，但回用率很低（50-60%）且運行成本很高，因此，電滲析法也不宜采用。反滲透法是近20年來發(fā)展起來的膜技術，

19、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。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，相同進水條件下，反滲透法生產(chǎn)一噸淡水的能耗為電滲析法的五分之一至十分之一。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

20、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。一般來說，超濾操作的跨膜壓差為0.2-0.7MPa，遠遠小于反滲透等膜法裝置。但超濾裝置不能脫鹽，實現(xiàn)不了我們污水深度處理的目的。（分類范圍見下圖）壓力推動的膜工藝分類圖（縱：壓差p，橫：微粒大小dp）納濾技術是近幾年來發(fā)展起來的膜技術，采用ESNA系列高性能納濾膜，膜材質(zhì)為芳香族聚酰胺，可脫除污水中的有機物、細菌、病毒、鹽類，操作壓力0.3-1.0MPa。 具體工藝流程如下：5、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效

21、益分析該系統(tǒng)建設投資費用為1100-1500元/噸水日，運行費用在0.5-0.8元/噸水之間，節(jié)省新鮮水和減少排污水可創(chuàng)造價值為1.5-2.5元/噸水。同時循環(huán)水系統(tǒng)總體水質(zhì)逐步好轉，殺菌劑、阻垢劑的用量、設備的清洗和腐蝕折舊費用大大減少，經(jīng)濟效益顯著。由于循環(huán)冷卻水占工業(yè)用水的比例很大，如某些化工企業(yè)的冷卻水占總用水量的（90-95%），所以節(jié)約循環(huán)冷卻水的新鮮水用量，可極大地緩解我國水資源短缺的矛盾，減少污水排放，可減輕周邊環(huán)境的水體污染狀況，這對保證環(huán)境經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，促進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，改善少數(shù)地區(qū)的人居環(huán)境狀況有著重要的意義。工業(yè)用水和污水排放量的減少，可緩解企業(yè)與企業(yè)、企業(yè)與居民之間對水資源的爭奪矛盾和消除企業(yè)排污對農(nóng)作物、居民飲水的不良影響造成的社會矛盾，這對維護社會的安定團結，促進經(jīng)濟發(fā)展和居民生活質(zhì)量的提高，改善人居環(huán)境狀況有舉足輕重的作用。6、技術應用前景該技術在石油、化工、電力和冶金等循環(huán)水用量較大的行業(yè)有著廣泛的應用前景。對某些石化企業(yè)，被冷卻介質(zhì)的溫度較高，換熱設備結垢現(xiàn)象嚴重，是束縛和困擾企業(yè)生產(chǎn)正常發(fā)展的一大障礙，應用此項技術的優(yōu)勢十分明顯。在我國北方大部分地區(qū)，用水水源主要是地下水，原水濁度低但含鹽量較高，給生活和生產(chǎn)用