循环冷却水处理

循环冷却水处理第一节循环冷却水处理概况第二节循环冷却水中金属的腐蚀及其控制第三节循环冷却水系统中的沉积物及其控制第四节循环冷却水系统中的微生物及其控制第五节冷却水系统的清洗和预膜第六节循环冷却水系统的日常运行第一节循环冷却水处理概况一、冷却系统的类型1.直流冷却水系统冷却水仅通过换热设备一次，用过后就排放掉。不需要其他冷却水构筑物，因而投资少、操作简单，但是冷却水的操作费用大，且不符合节水的要求。图3-1直流冷却水系统2.密闭式循环冷却水系统冷却水密闭循环，并交替冷却和加热，而不与空气接触。水的再冷通常通过另一台换热设备用其他冷却介质冷却的。一般用于发动机、内燃机或有特殊要求的单台换热设备。图3-2封闭式循环冷却水系统密闭系统的优点（1）水温易控制；（2）水质问题的控制简单化：补充水量少；（3）补充水仅用于补偿水泵填料的泄露水量或因检修而排放的水量；（4）水的蒸发很少；（5）结垢程度较轻：一般用软化水或去离子水。（6）腐蚀问题不严重：氧不是处于饱和状态。3.敞开式蒸发系统冷却水通过热交换器后，水温提高成为热水，热水经冷却塔曝气与空气接触，由于水的蒸发散热和接触散热使水温降低，冷却后的水再循环利用。又称为冷却塔系统。图3-3敞开式循环冷却水系统1-补充水（M）；2-冷却塔；3-冷水池；4-循环水泵；5-渗漏水（F）；6-冷却水；7-冷却用换热器；8-热水（R）；9-排污水（B）；10-蒸发损失（E）；11-风吹损失（D）；12-空气水的蒸发散热水在冷却设备中形成大小水滴或极薄水膜，扩大其与空气的接触面积和延长接触时间，加强水的蒸发，使水汽从水中带走汽化所需的热量，从而使水冷却。水的接触传热水面与较低温度的空气接触，由于温差使热水中的热量传到空气中去，水温得到降低。温差愈大，传热效果愈好。水的辐射传热不需要传热介质的作用，而是由一种电磁波的形式来传播热能的现象。水冷却的原理冷却水系统中，用来降低水温的构筑物或设备成为冷却构筑物或冷却设备。按其热水与空气接触方式的不同，可分为：水面冷却构筑物又称凉水池，需要冷却的水流入池内，通过自然蒸发、辐射和对流传热逐渐将水冷却到适当再用的温度。冷却过程缓慢，效率低，温差小。且需要很大的贮水池。喷水池池内装有水管、喷嘴或电动喷水组件，由喷嘴把水喷到大气中，从而增加了蒸发量，即使在较小的水池也能加速冷却。水的消耗大，约为循环水量的1.0-5.0%。易带入周围的杂质。冷却塔是一个塔型建筑，水气热交换在塔内进行，可以人工控制空气流量来加强空气与水的对流作用来提高冷却效果。占地面积小、冷却效果好。有自然通风式和机械通风式。冷却塔包括通风筒、配水系统、淋水装置、通风设备、收水器、集水池等部分冷却设备的种类与结构图3-4自然通风冷却塔图3-5机械通风冷却塔1-配水系统；2-填料；3-百叶窗；1-配水系统；2-填料；3-百叶窗；4-集水池；5-空气分配区；6-风筒；4-集水池；5-空气分配区；6-风机；7-热空气和水蒸汽；8-冷水7-风筒；8-热空气和水蒸汽；9-冷水图3-6玻璃钢冷却塔1-玻璃钢塔体；2-淋水装置；3-填料；4-空气；5-接水盘；6-冷却水；7-热水；8-排风扇；9-热空气和水蒸汽冷却塔效率的衡量指标冷却幅高（也称湿球温差）冷却水温和空气湿球温度的差值T2-τ。τ代表该地热水冷却所能达到的极限值。T2-τ越小，效能越高。冷却幅宽冷却塔的回水和出水温度的差值，T1-T2。淋水密度指冷却塔单位面积上的热水喷洒负荷，m3/(m2h)。淋水密度与冷却幅宽、水的比热的乘积称为冷却构筑物单位面积的热负荷。敞开式冷却水的工况冷却过程中的三种损失:蒸发损失、风吹损失、排污量补充水量M=E+D+B+F，（1）蒸发损失EE=a(R-B),a=e(t2-t1)（2）风吹损失DD=(0.2%-0.5%)R（3）排污损失BB=E/(K-1)（4）渗漏损失FM、E、D、B分别代表补充水量、蒸发损失、风吹损失、排污量，R为系统中循环水量，e为损失系数，K为浓缩倍数。离子浓度的改变图3-7降低浓缩倍数时水中图3-8提高浓缩倍数时水中离子浓度变化曲线离子浓度变化曲线不论系统中某离子的初始浓度为多少，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。由此证明了控制好补充水量和排污量能使系统中某些离子浓度稳定在一个定值。浓缩倍数指循环水中某物质的浓度和补充水中某物质的浓度之比。用来计算浓缩倍数的物质要求他们的浓度除了随浓缩过程增加外不受其他条件干扰。二、敞开式循环冷却水系统产生的问题沉积物的析出和附着重碳酸盐分解产生碳酸钙水垢，轻者降低换热器的传热效率，重者堵塞管道。有害离子引起的腐蚀溶解氧引起电化学腐蚀有害离子引起腐蚀微生物的滋生和粘泥细菌和藻类繁殖，生成生物粘泥而引起腐蚀、管道堵塞三、敞开式循环冷却水处理的重要性•稳定生产•节约水资源•减少环境污染•节约钢材第二节循环冷却水系统中金属的腐蚀及其控制一、冷却水中金属腐蚀的机理造成金属腐蚀的是金属的阳极溶解反应。因此，金属的腐蚀破坏仅出现在腐蚀电池中的阳极区，而阴极区是不腐蚀的。孤立的金属腐蚀时，在金属表面上同时以相等速度进行着一个阳极反应和一个阴极反应的现象，称为电极反应的耦合。互相耦合的反应称为共轭反应，而相应的腐蚀体系则称为共轭体系。在共扼体系中，总的阳极反应速度与总的阴极反应速度相等。此时，阳极反应释放出的电子恰好为阴极反应所消耗，金属表面没有电荷的积累，故其电极电位也不随时间而变化。从以上的讨论中可以看到，在腐蚀控制中，只要控制腐蚀过程中的阳极反应和阴极反应两者中的任意—个电极反应的速度，则另一个电极反应的速度也会随之而受到控制，从而使整个腐蚀过程的速度受到控制。二、影响腐蚀的因素（一）化学因素（二）物理因素（三）微生物1.pH值1.温度2.溶解盐2.金属相对面积3.溶解气体3.流速4.悬浮物4.不同金属5.冶金学方面（一）化学因素•pH值pH值对金属腐蚀速度的影响取决于该金属的氧化物在水中的溶解度对pH值的依赖关系。•溶解盐溶液电导率的升高使初期腐蚀速度也升高；像Cl-、SO42-等腐蚀性离子，可以破坏金属的阳极氧化保护膜，从而进一步加速腐蚀；构成硬度和碱度的离子对腐蚀却有抑制作用；在电解质浓度高的水中，氧的溶解度下降，所以含盐量高时腐蚀速度降低。pH值对腐蚀速度的影响溶解固体对腐蚀速率的影响不同温度时氧含量对腐蚀的影响•溶解气体(1)溶解氧起去极化作用，会促进腐蚀。当水中含氧不一致时，会形成氧浓差充气电池，表现形式为垢下腐蚀。在某些情况下氧是氧化性钝化剂，能使金属钝化而免于腐蚀，如在铝的腐蚀过程中(2)二氧化碳溶于水后形成碳酸，增大水的酸性，从而有利于氢的逸出和金属表面膜的溶解破坏。(3)氨会选择性地腐蚀铜：NH3+H2O=NH4OHNH4OH+Cu2+=Cu(NH3)2++H2O(4)硫化氢导致pH降低；和铁反应生成硫化铁（阴极），与铁形成电偶腐蚀•悬浮物主要是易沉积在换热器表面引起垢下腐蚀。当冷却水流速过高时，颗粒容易对硬度较低的金属或合金产生磨损腐蚀。温度温度升高，腐蚀的化学反应速度就提高。温度与扩散速度成正比，与过电压、粘度成反比。增加扩散量能使更多氧到达金属表面，导致腐蚀电池去极化；过电压下降时，因析氧而导致去极化；粘度下降有利于阴阳极去极化，即有利与大气中氧的溶解和加速氢气的逸出。在金属相邻的区域内，温度不同，就会加剧点蚀，热的部位为阳极，冷的部位为阴极。温度对腐蚀速率的影响温差产生的A-敞开系统；B-密闭系统自发电池（二）物理因素•金属相对面积（面积效应）腐蚀速率与阴极和阳极面积的比例成正比关系。不同金属：镍-钢结合时，镍为阴极。采用管-管板连接，钢-镍则腐蚀加剧镍-钢增腐蚀小得多。同一金属：钝化膜破坏。（点蚀）•流速一般情况下流速增加使腐蚀速度增加。在高流速区域，层流区的厚度减少，氧容易达到金属表面，氧的去极化作用导致腐蚀加速进行。高速流水会冲走可能成为钝化层的腐蚀产物，从而加剧腐蚀。•不同金属不同金属的接触而引起的腐蚀称为电偶腐蚀。电偶腐蚀的驱动力是金属间的电位差，电偶中的阳极腐蚀。（阴极保护）•冶金学方面金属的均匀性：非均相金属的夹杂区、晶粒结构的金属化合物上的夹杂区金属表面状况：表面总有缺陷，如划痕、裂纹等；静态应力：交变应力。微生物的粘泥引起垢下腐蚀。一些微生物的新陈代谢过程参与了电化学过程，促使腐蚀加速。如，厌氧菌会形成浓差电池，加快局部腐蚀；某些种类的细菌还会产生酸性化合物；去磺弧菌属是硫酸盐还原菌，可使硫酸盐生成硫化氢；硫杆菌属把硫酸盐氧化成硫酸。（三）微生物三、腐蚀的形态腐蚀常见的形态有均匀腐蚀、点蚀、侵蚀、选择性腐蚀、垢下腐蚀、缝隙腐蚀、水线腐蚀、开裂腐蚀（应力腐蚀开裂）。均匀腐蚀（全面腐蚀）是循环冷却水中遇到的最普遍的问题。均匀腐蚀指在腐蚀介质的作用下，金属整个表面发生的腐蚀破坏，基本按相同的腐蚀速度进行。这是因为金属表面的阴阳极交叉分布，大量的微阴极微阳极反应同时发生，金属具有相同的腐蚀电流，腐蚀产物在整个金属表面形成。均匀腐蚀是在金属正常的腐蚀允许范围内，一般在设计时纳入设计寿命之中。点蚀最常见的一种腐蚀形态，通常其腐蚀深度大于其孔径。点蚀深度与大阴极和小阳极的面积比率成正比关系。在含活性阴离子的介质中，钝化膜的平衡破坏，溶解占优势，形成孔蚀核，蚀核长大成为蚀孔，蚀孔发展形成氧浓差电池，最后形成闭塞电池，在酸化自催化作用下造成腐蚀加速。（1）冲击腐蚀在湍流水中，含溶解固形物和悬浮物或所携带的气体含量较高的水中氧化物的钝化膜常遭受破坏，使金属设备产生严重的局部腐蚀。如换热器管束的入口、节流区、直角弯管及弯头处受水侵蚀最严重。铜及其合金。海军黄铜、铝黄铜和铜镍合金较能抗冲击腐蚀。受冲击腐蚀的金属断面侵蚀是在高流速条件下形成的。分为冲击腐蚀和气蚀两种。（2）气蚀（空泡腐蚀）在流速高、压力变化大，且含溶解气体或渗入气体的水中易发生，如泵叶轮的吸水侧、管网系统的直角弯管、球阀或闸阀的出水侧。当水流到较高压力时，低压区形成的气泡发生破裂，产生很高的冲击压力，可以到达几十到几百Mpa,导致金属表面被腐蚀成为蚀坑、裂纹和穿孔。气蚀外表往往是又深又圆的麻坑，但无锈瘤。溶解氮含量高时会加剧气蚀。合金中的某一种元素首先被侵蚀，从合金主体中被浸提出。（1）脱锌腐蚀锌从黄铜中侵蚀下来，使铜的结构变成脆弱的孔状体，表面呈淡红色，而不是黄色。当存在氧的浓度差、低流速、高温、酸性和碱性介质和曝气的水，会加剧这种侵蚀。脱锌有两种：塞式（在高盐水中，涉及面积小，但穿透很深）和层式（面积大且均匀，沿整个金属表面发生）（2）石墨化作用铸铁会选择性地失铁。金属保持一个弱石墨和氧化铁结构，石墨的过电压很低，会由于氧的放出而导致侵蚀蔓延。通常情况下，晶粒边界首先受到侵蚀，然后逐步蔓延。在低pH值、高含量溶解固体、硫化氢气体之类的酸性污染物会加速石墨化作用。选择性腐蚀垢下腐蚀垢下腐蚀属于氧的浓差电池腐蚀。沉积物控制不善，会引起垢下腐蚀。一旦发生，腐蚀会循环加剧，药剂也无济于事。低流速区域易发生。防止垢下腐蚀的措施：加大流速减少沉积物，加强对微生物的控制，减少微生物粘泥。缝隙腐蚀氧浓差电池的形成对腐蚀的开始起促进作用，酸化自催化作用是造成腐蚀加速的根本原因。侵蚀程度与阳极缝隙的面积和周围的阴极面积的比率成正比关系。水线侵蚀在未充满水的配水系统或热交换器以及各种容器内都有一个三相区：上部是空气，下部是冷却水和金属本身。三相的存在会同时产生充气浓差电池和缝隙腐蚀。在金属和交界的弯月面部分容易发生氧的去极化，这一充满气体的部分成为阴极，而紧挨着它的金属区则为阳极。一般用阴极抑制剂来克服水线侵蚀，但剂量要适当。应力腐蚀开裂（1）晶间开裂腐蚀晶间开裂腐蚀产生于晶粒边界之间；一般出现在阳极晶粒的边界。如奥氏体和马氏体不锈钢的应力腐蚀。金属在制造过程中常处于应力状态，会在垂直于应力方向上开裂。在高温、高氯化物浓度或腐蚀条件的存在，都会促使晶间腐蚀开裂。（2）穿晶开裂腐蚀穿晶开裂腐蚀表现为穿过晶粒。发生在反复承受应力的条件下发生