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1、第八章 循环水的冷却与处理8-1 概述一、循环水冷却的必要性工业生产过程中往往会产生大量热量，使生产设备或产品的温度升高，必须及时进行冷却，否则影响生产的正常运行、产品的质量和产量。在工业总用水量中冷却水占一半以上。如一个年产30万吨的合成氨厂，每小时冷却水量达23500吨，每天耗水56400吨，如以每人每年用水30吨计，则可供18800人用一年。为了节约水资源，国内外普遍实行冷却水循环使用。二、选用水作为冷却剂的原因水具有热容量大、传热效果好、化学稳定性好、常温下呈液态、便于管道输送、使用方便，且具有价格较低、来源广泛等特点，因此，工业生产中常采用水作为冷却介质。作为冷却介质的水称为冷却水。
2、三、为什么要处理循环冷却水冷却水在每次使用后物理性状变化很小，但长期循环使用后，会因水中某些溶解物浓缩或散失，尘土积累，微生物滋生等原因，造成设备内垢污沉积或金属设备表面腐蚀。四、循环冷却水处理的定义及措施为防止循环冷却水回用系统中垢物沉积或设备腐蚀而对冷却水进行处理的过程，称为循环冷却水处理。循环冷却水处理措施包括：(1) 使升温的冷却水降低到可回用的温度，以保持较好的冷却效果；(2) 调整使循环水水质保持稳定，防止换热设备与管路内微生物滋生、结垢和腐蚀。五、循环冷却水系统1、循环冷却水系统分类直流冷却水系统循环冷却水系统密闭式循环冷却水系统敞开式循环冷却水系统图8-1 直流冷却水系统流程图
3、8-2 密闭式循环冷却水系统流程图8-3 敞开式循环冷却水系统流程1. 风机；2.收水器；3.淋水装置；4.冷却塔集水池；5.水泵；6.换热器表8-1 冷却水系统的特性比较直流式冷却水系统循环冷却水系统封闭式循环冷却水系统敞开式循环冷却水系统冷却方式冷却在换热器中与介质进行热交换后直接排掉水在密闭系统中进行热交换，冷却水升温后不与大气直接接触，而在另一台换热设备中经其他冷却介质换热降温后再回用热水经冷却塔或冷却池与空气直接接触被冷却变为冷水，再返回系统循环使用，包括接触传热和蒸发传热2种方式优点设备简单、投资少、对水质要求不高方法简单，维护较容易，且补充水量极少，有利于水资源的节约节约水，与直
4、流冷却水系统相比，补充的新鲜水一般只是直流水量的1/40左右缺点耗水量大，运行费用高，不符合节水节能的要求，温度升高后的热水排放对环境产生热污染该系统中冷却水不存在蒸发冷却过程，只靠传导散热，冷却效率很低，循环系统基建造价和能耗高(1)因冷却塔的蒸发传热作用，使一部分循环冷却水被空气带走，系统中损失了一部分水，使循环水中溶解固体浓度增加，即为浓缩现象。会改变水的腐蚀结构性质，可能加重水的结垢或腐蚀倾向。(2)水与空气接触失去部分CO2，使水中Ca(HCO3)2沉积在换热器上；溶解空气中O2，使水中DO总是处于饱和状态，增加水的腐蚀倾向。(3)空气中灰尘、微生物、污染气体(SO2、H2S、NH3
5、等)或昆虫进入水系统，引起水污染，可能产生腐蚀、结垢沉积等问题。、应用不提倡采用，不符合可持续发展精神，原有直流式冷却系统也逐步改建成为循环式冷却水系统一般仅应用在热流量较小或有特殊要求的工业生产系统，如空调、内燃机、变压器冷却器、核反应堆的辅助冷却器等普遍应用2、敞开式循环冷却水系统敞开式循环冷却水系统是目前应用最广泛，类型最多的一种冷却系统。根据热水与空气接触的不同方式，冷却系统包括冷却池和冷却塔2大类。(1) 冷却池冷却池是利用天然或人工池塘、水库等构筑物来冷却循环水，这是最早使用的一种冷却系统。它是利用自然蒸发使已吸收热量的水冷却后再循环使用。其特点是：冷却过程缓慢。效率低，冷热水温差
6、小，且需很大的贮水量和占地面积。冷却池分为：天然冷却池和喷射冷却池。(2) 冷却塔混合通风塔式加鼓风式冷却设备自然通风开放式喷水式点滴式风筒式（塔式）薄膜式点滴式点滴薄膜式机械通风抽风式薄膜式点滴式点滴薄膜式鼓风式薄膜式点滴式点滴薄膜式薄膜式点滴式点滴薄膜式冷却塔是将生产过程中经热交换升温后的冷却水，通过与空气直接接触，由蒸发、传导方式散热降温，或隔着换热器器壁与空气间接接触的单纯传导方式散热降温的塔型冷却构筑物。冷却塔内装有填料淋水装置。冷却塔构造：通风筒、配水系统、淋水装置、通风设备、收水器和集水池等部分组成。 配水系统：作用是将待冷却的热水均匀地分布到冷却塔整个淋水面积上。 淋水填料：是
7、冷却塔内水、气两相进行传热、传质的效能核心，是影响冷却塔热力性能的主要组件。其作用是将配水系统溅落下来的热水形成水膜或细小水滴，以增大水和空气接触表面积并延长水在塔中的流程，创造良好的传热传质条件。 风筒：风筒式自然冷却塔靠高大的风筒上下存在的空气密度差所产生的抽力形成稳定的气流，起抽风和送湿热空气的作用，故筒体较高，可达150m以上，且多设计成双曲线型筒壁。风机：机械通风塔中一般用轴流风机。进风口：逆流塔进风口指填料以下到集水池面以上的空间，横流塔进风口高度等于整个淋水填料的高度。风筒、风机和进风口应联合创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，使塔内通风和气流进、出均匀分布。 收水器：是冷却塔
8、防止飞溅损失，减少补充水量，节约用水的重要组件，其作用是回收利用即将出塔的湿空气中夹带的雾状小水滴。 集水池：在冷却塔下方，其贮存和调节冷却水水量的作用。 塔体：起封闭和围护作用。六、循环冷却水水质变化1、溶解固体浓缩在补充水中，含有多种无机盐，主要是钙、镁、钠、钾、铁和锰的碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物等。在开始运行时，循环水质和补充水相同，在运行过程中，因纯水不断蒸发，水中的溶解固体和悬浮物逐渐积累，其程度常用浓缩倍数K来表示：Kc循/c补 （8-1）式中：c循、c补分别为循环水和补充水中溶解离子浓度，mg/L。 浓缩倍数：循环冷却水与补充水中含盐量的比值； 意义：浓缩倍数的大小反映水资
9、源复用率的大小，是衡量循环冷却水系统运行情况的一项重要指标。浓缩倍数不是越高越好！（其值过高，会增加水质、结垢、腐蚀倾向）。 一般从节水的观点出发，也就是使补充水量降到合理的程度，倍数提高到3左右较合适；若从节约药剂的观点出发，也就是从排污水量降到经济合理的程度，倍数在5左右较合适。一般认为，浓缩倍数为35是经济合理的。 浓缩倍数的监测一般选用水中比较稳定的离子来计算倍数，这种离子在浓缩过程中应不受外界条件干扰，不分解，不沉积，投加的药剂中不应含此离子。（a）如果系统中不加氯杀菌，或补充水预处理时不用FeCl3作混凝剂时，用Cl计算的倍数是比较理想的；（b）K+在补充水中比较稳定，用以计算倍数
10、也很准确。（c）还可选用SiO2、电导率等。有时几种离子所测定的K的平均值来作基准。2、CO2散失天然水中含有钙镁的碳酸盐和重碳酸盐，两类盐与CO2存在下述平衡关系：CaCO3CO2H2O Ca(HCO3)2 （8-2）MgCO3CO2H2O Mg(HCO3)2空气中CO2含量很低，只占0.03%0.1%左右。冷却水在冷却塔中与空气充分接触时，水中的CO2被空气吹脱而逸入空气中。试验表明，无论水中原来所含的CO32-和HCO3-量是多少，水滴在空气中降落1.52s后，水中CO2几乎全部散失，剩余含量只与温度有关。因此，水中钙镁的重碳酸盐全部转化为碳酸盐，引起管道结垢。3、DO升高循环水与空气成
11、分接触，水中DO接近平衡浓度。当含氧量接近饱和的水流过换热设备后，由于水温升高，氧的溶解度下降，因此在局部DO达到饱和。使冷却水的相对腐蚀率增大。4、杂质增多循环水在冷却塔中吸收和洗涤了空气中的污染物(如SO2、NOx、NH3等)以及空气携带的泥灰、尘土、植物的绒毛、甚至昆虫等，结果使水中杂质增多。当工艺热介质发生泄漏时，泄漏的工艺流体也会污染循环水。5、微生物滋生循环水中含有的盐类和其他杂质较高，DO充足，温度适宜(一般2545)，许多微生物(包括细菌、真菌和藻类)能够在此条件下生长繁殖，结果在冷却水系统中形成大量粘泥沉淀物，附着在管壁、器壁或填料上，影响水气分布，降低传热效率，加速金属设备
12、的腐蚀。8-2 沉积物的来源、种类及危害一、沉积物分类不同文献对沉积物的分类不完全一致。有的将沉积物统称为污垢，污垢中包括了水垢。有的将沉积物分为污垢和水垢，污垢中不包括水垢。本课本选用前一种分类。水垢(scale)污泥(软垢)(fouling)淤泥(sludge)粘泥(slime)腐蚀产物(corrosion products)沉积物(deposite，污垢)各种沉积物的组成：(1) 水垢：又称硬垢或无机垢。是补充水中代入的难溶或微溶盐在循环水中条件变化时所形成的垢。常见的有CaCO3、Ca3(PO4)2或羟基磷灰石、CaSO4、硅酸钙(镁)等。(2) 污泥：又称软垢。常见的有泥渣、粉尘、砂
13、粒、腐蚀产物、天然有机物、微生物菌落和分泌物、Al2O3、AlPO4、FePO4、一般碎屑等。 淤泥：以泥沙为主的软垢。 粘泥：又称生物沉积物。由微生物及其分泌物和残骸组成，为具有滑腻感的胶状粘泥或黏液。 腐蚀产物：由于设备腐蚀而产生的金属氧化物，主要为Fe2O3、CuO等。二、沉积物的来源(1) 来自补充水；(2) 来自空气；(3) 来自工艺介质泄漏；(4) 来自化学处理药剂；(5) 来自系统腐蚀所形成的腐蚀产物。三、沉积物的危害(1) 影响传热，使换热器效率下降；甚至使换热器堵塞，系统阻力增大，水泵和冷却塔效率下降，生产的能耗增加，产量下降；(2) 软垢会促进垢下腐蚀，比全面腐蚀危害更大。
14、四、污垢的结构、组成的鉴定和分析化学分析法化学组成XRD、TEMSAED、电磁共振、核磁共振、FT-IR晶体结构、物相组成、化合物形态等重量法污垢灼烧失重反映生物粘泥的量8-3 水垢及其控制一、水垢的种类和特点(一) CaCO3水垢CaCO3水垢是循环水系统中最常见、危害最大的水垢，但CaCO3膜对金属又有一定的保护作用，水中CaCO3含量过低会使金属腐蚀。1、CaCO3水垢鉴别特征 主要特征：用酸溶解时产生大量CO2气泡； 800900下灼烧，水垢质量损失40(CO2与化合水分解的缘故)，灼烧后水垢变疏松，溶于水呈碱性； 观察水垢溶解后的少量残渣及注意水垢灼烧后的气味，可了解垢中所含杂质。残渣为白色硅酸盐；褐色腐蚀产物；灼烧闻到焦糊气味有机碳； 腥臭味微生物污泥；2、CaCO3的稳定性判断指标Langelier饱和指数法(SI) 1936年提出Ryznar指数或稳定指数(IR) 1944年Ryznar提出结垢指数(PSI)修正Ryznar指数，1979年帕科拉兹提出临界pH值(pHc)结垢指数1972年法特勒提出极限碳酸盐硬度(1) Langelier饱和指数法(SI)SIpHpHs式中：pH冷却水的实测pH值；pHsCaCO3饱和pH值。pHs计算公式： pHspCa2+pM碱度(pK2pKsp)
