循環冷卻水運用狀況
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我國水資源總量占世界水資源總量的7%,居第6位。但人均占有量僅有2400m3,為世界人均水占有量的25%,居世界第119位,是全球13個貧水國之一。我國是一個貧水國家,按國際標準,每人每年水供應量在1000t以下就是缺水國家。目前,中國缺水在千億立方米以上。不少地區人均水資源已同世界聞名的缺水國家以色列相近。黃土高原地區情況就是這樣。我國被列為世界上貧水的國家之一。特別是北方、西部廣大地區缺水特別嚴重。我國東南地區由于地面水資源污染引起水質性缺水情況也很嚴重。在全國670座大中城市中,有400座城市不同程度地缺水。其中110座城市嚴重缺水。面對如此缺水的嚴峻形勢,我國工業用水量卻浪費驚人。主要是工業用水重復利用率低。工業用水重復利用率只有20%~30%。僅為發達國家的1/3。一般的冷卻系統均采用敞開式循環冷卻水系統,冷卻水用過后不是立即被排放掉,而是收回循環再用。水的再冷是通過冷卻塔或其他冷卻設備來進行的。由于敞開式循環冷卻水系統水的再冷卻是通過冷卻塔來進行的,因此冷卻水在循環過程中要與空氣接觸,部分水在通過冷卻塔時還會不斷被蒸發損失掉,因而水中各種礦物質和離子含量也不斷被濃縮增高。為了維持各種礦物質和離子含量穩定在某一個定值上,必須對系統補充一定量的冷卻水(補充水)。并排出一定量的冷卻水(排污量)。這種敞開式循環冷卻水系統要損失一部分水,但與直流冷卻水系統相比,可以節省大量的冷卻水,且排污水也相應減少,而且減少系統對外界的熱污染。因此不論從節約水資源,還是從經濟和保護環境的觀點出發,都應設法降低各類工廠的冷卻水用量,減少排污水量。工業冷卻水占工業用水的80%以上,對冷卻水實行循環利用,具有顯著的環境效益、經濟效益和社會效益。如果循環水平均濃縮倍數由2.2提高到4.0,每1萬立方米循環水可以減少70~80m3的循環水補充水。同時還可以減少排放70~80m3的污水。因此,如何提高工業水的重復利用率,并合理、科學地使用工業水就顯得極為重要。
2循環水系統中存在的問題
循環冷卻水處理,最重要的是解決換熱設備的結垢和腐蝕問題。結垢要影響換熱效率,多耗能源,影響工藝操作。腐蝕會降低設備使用壽命,并存在安全隱患。
2.1腐蝕
水在冷卻塔內和空氣充分接觸,循環水中的溶解氧得到補充,所以循環冷卻水中溶解氧總是飽和的。水中溶解氧是造成金屬電化學腐蝕的主要原因,這是冷卻水循環使用后易帶來的一大問題。
2.2沉積(含水垢及污垢)
水在冷卻塔中蒸發,使循環水中鹽含量逐漸增加,加上水中二氧化碳在塔中解析逸散,使水中碳酸鈣在傳熱面上結垢析出的傾向增加,這是問題之二。2.3微生物黏泥冷卻水和空氣接觸,吸收了空氣中大量的灰塵、泥沙、微生物及孢子,使系統的污泥增加。冷卻塔內的光照、適宜的溫度、充足的氧和養分都有利于細菌和藻類的生長,從而使系統黏泥增加,在換熱器內沉積下來,造成黏泥的危害,這是水循環使用后帶來的問題之三。
3產生問題的原因
3.1換熱器的材質
根據實踐經驗,不同材質組合雖然有利于提高換熱效率,但帶來的電偶腐蝕和水質處理上的難度也是不可忽視的。例如化肥廠的水系統,在碳化塔工段使用鋁合金換熱水箱,就存在鋁管與鋼鐵連接處的電偶腐蝕問題,循環水也難以回用高堿度廢水(鋁對Cl-、Na+、K+等耐受能力較弱)。同時,碳化水箱設計為U形管,管徑較細,冷卻水在其中流速慢,碳化液溫度高,易結垢和沉積污垢。
3.2運行工藝的影響
3.2.1水垢附著
在循環冷卻水系統中,碳酸氫鹽的濃度隨蒸發濃縮而增加。當其濃度達到過飽和狀態,或經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(≤1.6W/(m•K),鋼材一般為45W/(m•K))。
3.2.2設備腐蝕
循環冷卻水系統中,大量設備是由金屬制造,長期使用循環冷卻水,會發生腐蝕穿孔。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SO2-4)引起的腐蝕;微生物(厭氧菌、鐵細菌)引起的腐蝕等。從大量垢下腐蝕的情況分析,有兩種情況:一種是銹垢。這種垢大多為瘤狀,瘤周為黑色,主要是水質pH值偏低,鐵細菌和硫酸鹽還原菌繁殖的后果;另一類是污垢與金屬接觸部位細菌繁殖的后果。主要是水的流速慢,換熱面上或系統設備上積存雜質和污垢所造成。
3•2•3微生物的滋生與黏泥
在循環水中,由于養分的濃縮,水溫升高和日光照射,給細菌藻類的迅速繁殖創造了條件。細菌分泌的黏液使水中漂浮的灰塵雜質和化學沉淀物等黏附在一起,形成沉積物附著在傳熱設備表面,即生物黏泥或軟垢。
3•2•4污垢沉積
污垢沉積主要是冷卻水流速偏低造成的,特別是夏季水溫高,膦系水處理系統微生物黏泥大量滋生,流速慢的地方,緊貼管壁的生物黏泥更減緩了本來就緩慢的水流,結果是惡性循環。提高冷卻水流速不利于污垢存留,一般大于0•9m/s的水流,污垢或黏泥難以在循環水系統中管道和設備上附著。
4水質指標
根據裝置長周期運行對水質的要求,以及國標《石油化工給水排水水質標準》(SH3099-2000)的規定,循環冷卻水水質指標如下。
4•1污垢熱阻
所有循環水均存在污垢沉積影響換熱的問題。污垢熱阻值的規范指標規定為(1•72~3.44)×10-4m2•k/w。由于現行大多是采用磷系配方(包括聚磷和復合配方),其污垢是否附著換熱器而影響換熱,除了水的流速、流量、藥劑濃度外,菌藻微生物繁衍滋生也是重要的因素。當加了殺菌滅藻劑后,微生物黏泥少,污垢就少,換熱就好。菌藻微生物隨時都在繁殖,污垢熱阻值也在不斷變動之中。所以,污垢熱阻這一指標難以準確反映實際情況,很多流于形式。
4•2懸浮物和濁度
其允許值低于或等于30mg/L。由于新鮮水水質問題或者旁濾池的運行情況不好以及微生物的繁衍滋生等原因,造成循環冷卻水的懸浮物和濁度經常超標。
4•3pH值
指標為8•0~8•6。根據實踐運行情況,循環冷卻水在較高pH值條件下運行,可有效防治系統腐蝕。優良的藥劑與垢離子絡合成不溶物,在旁流處理或沉積池中沉積而不斷與循環水分離,循環水的堿度和pH值不僅不會隨循環水的濃縮而提高,反而會降低或平衡在一個相對穩定的范圍內。
4•4堿度
指標為≤500mg/L。使用磷系的最高允許指標為500mg/L,一般動物中不能超出此指標,否則將產生磷酸鈣結垢,廢氨廢堿更不敢回收入循環水中使用。為了防止堿度升高,曾有加酸處理。但磷酸鹽本身要增加堿度,只有不斷排放循環水或控制低濃縮倍數,才能正常運行,很不利于節水和環保。
4•5鈣離子
指標為≤600mg/L。循環水中有一定鈣離子有利于緩蝕。高分子聚合物使鈣鎂離子成為膠體絡合物再轉化非離子泥垢。實際運行中,鈣離子濃度與堿度、pH值和藥劑二者之間存在聯動關系。在規定的加藥量、pH值、堿度指標內,鈣離子也自動平衡在一個相對穩定的范圍。
4•6鐵離子
循環水中如果有鐵離子存在,是循環水系統出現腐蝕的一個信號,一般在低pH值條件下出現。
4•7氯離子(以Cl-計)
循環水系統是鋼鐵材質,循環水中Cl-≤1000mg/L,有銅、不銹鋼材質Cl-≤400mg/L。氯離子是造成金屬腐蝕的重要因素。
4•8石油類(COD)
指標為<10mg/L。聚合物能使水體中油類聚集,只要設計好集油池,油類會自動上浮并與循環水分離。
4•9濃縮倍數
濃縮倍數是循環冷卻水處理上常用的術語。是循環水中的含鹽量與補充水中的含鹽量的比值。縮倍數受補充水水質和循環冷卻水水質標準制約。由于我國大部分水處理采用的是磷系(含聚磷)配方。因此,濃縮倍數實際上成了循環水運行中一項重要的硬指標。按照國標《石油化工給水排水水質標準》(SH3099-2000)的規定,化工行業的濃縮倍數應當大于3•0。煉油系統的濃縮倍數應當大于2•5。由于有機磷藥劑存在水解的問題,它與鈣鎂離子的絡合狀態隨時存在于動態變化之中。循環水濃縮過程中,這種絡合平衡指數不斷被打碎,水的pH值升高,堿度增加,就會出現有磷酸鈣垢或含磷、鋅污垢的問題。解決這一問題的出路,就是要不斷排放一部分循環水,并補充新鮮水和藥劑。實現這一過程的關鍵措施就是控制水的濃縮倍數。濃縮倍數事實上是控制了磷系藥劑在循環水系統中的停留時間。但排放的一部分廢水,必然含有尚未失去功能的有效藥劑。這些含磷廢水不僅浪費大量的水資源,而且對環境有害,是水域富營養化,赤潮頻發的重要因素。
5水質管理
5•1冷卻水閉路循環盡量不排放
循環冷卻水系統屬于閉路循環系統,水池內的水通過泵送到各用戶處,從用戶處回來的水通過冷卻塔進行冷卻,并同時投加緩蝕阻垢劑。經過冷卻塔冷卻處理的水回到水池,供用戶重復使用。正常情況下,系統根據所要控制的濃縮倍數,會產生一些排污水。但大部分冷卻水是循環使用的。冷卻水的循環使用要注意兩點:①冷卻塔集水池應設置一定容積的積存污物和淤泥之處,便于污物沉積,并設置便于清除淤泥的設施。集水池出口處和循環水泵吸水井應設計攔截雜物的攔物網。②密閉式循環冷卻水系統的管道底點處應設置一定容積的積污罐或過濾器,便于污物沉積和排出。管道高處應設排氣閥。
5•2清洗和預膜
清洗和預膜是工業循環水系統開車時的慣例,通過清洗可以很快去處銹垢,通過預膜可以保護設備減輕腐蝕。但是,清洗和承膜帶來的負面效應也是不容忽視的。清洗和預膜過程中要浪費大量的水,所有清洗、預膜藥劑均隨著置換廢水進入環境水域,這里邊有大量酸類、磷酸鹽和高濃度鋅及其化合物等,均屬污染環境的物質。
5•3日常水質管理
貫徹執行國家、省、市及有關部門頒發的有關法律、法規和規章,貫徹執行股份公司和蘭州石化分公司下發的有關水質管理文件。認真做好日常的水質指標的管理。
5•3•1腐蝕速度
由于冷卻循環水中富有氧,碳鋼的金屬表面并不是均勻的。當它與冷卻水接觸時,會形成許多微電池,產生氧化還原反應,繼而對金屬產生腐蝕。為了有效控制腐蝕,按照國標《石油化工給水排水水質標準》(SH3099-2000)的規定要求碳鋼腐蝕速率≤0•075mm/a,不銹鋼的腐蝕速率≤0•010mm/a。
5•3•2黏附速率
黏泥主要是指微生物黏泥,在冷卻水中由于水中溶解的營養源而引起細菌、霉菌、藻類等微生物群的增殖,并以這些微生物為主體,混有泥沙、無機物和塵土等,形成附著的或堆積的軟泥性沉積物。冷卻水系統中的微生物黏泥不僅會降低換熱器和冷卻塔的冷卻作用、惡化水質,而且還會引起冷卻水系統中設備的腐蝕和降低水質穩定的緩蝕、阻垢和殺生作用。為了減少微生物黏泥,按照國標《石油化工給水排水水質標準》(SH3099-2000)的規定,要求化工系統碳鋼管黏附速率≤15mg/(cm2•月),煉油系統的碳鋼管黏附速率≤20mg/(cm2•月)。
5•3•3微生物數量控制
含有微生物的補充水不斷進入循環冷卻水系統,與此同時,冷卻塔中從上面噴淋下來的冷卻水又從逆流相遇的空氣中捕集了大量的微生物進入冷卻水系統。冷卻水系統中充沛的水量為這些進入的微生物的生長提供了可靠的保障。冷卻水的水溫通常被設計在32~42℃之間(平均溫度為37℃),這一溫度范圍又特別有利于某些微生物的生長。因此,有些冷卻水系統成了一些微生物的一個巨大的捕集器和培養器。為了控制微生物數量,按照國標《石油化工給水排水水質標準》(SH3099-2000)的規定,要求異養菌總數≤1×10E+5個/mL。
6結語
工業水管理工作任重道遠,雖然很平凡,但功在千秋。讓我們為了企業和國家的利益,腳踏實地,科學、合理地利用好每一滴水。
