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1、7.7.循环冷却水的处理循环冷却水的处理乌海职业技术学院化学工程系主讲教师：王茹主讲教师：王茹环境工程教研室环境工程教研室1教学目的、要求：教学目的、要求：掌握冷却原理、水垢的控制、腐蚀的类型、掌握冷却原理、水垢的控制、腐蚀的类型、微生物控制微生物控制熟悉工业冷却水系统的类型、冷却构筑物、熟悉工业冷却水系统的类型、冷却构筑物、污垢的控制污垢的控制了解工业冷却水循环利用的意义，设备腐蚀了解工业冷却水循环利用的意义，设备腐蚀的影响因素的影响因素27.1 概述概述一、工业循环冷却水循环利用的意义：稳定生产节约用水减少环境污染节约钢材和提高经济效益3二、工业冷却水系统的类型直接冷却水系统冷却水仅仅通过
2、换热设备一次特点：投资少，操作简便，但是冷却水的操作费用大，而且不符合当前节约用水的要求循环冷却水系统循环冷却水系统包括封闭式和敞开式包括封闭式和敞开式封闭式循环冷却水系统封闭式循环冷却水系统：冷却水的水质处理比较简单，：冷却水的水质处理比较简单，维护容易，而且补充水量极少，有利于水资源的节约。维护容易，而且补充水量极少，有利于水资源的节约。但是冷却效率很低，循环系统的基建造价和能耗高，一但是冷却效率很低，循环系统的基建造价和能耗高，一般用于发电机、内燃机或有特殊要求的单台换热设备。般用于发电机、内燃机或有特殊要求的单台换热设备。 4敞开式循环冷却水系统：敞开式循环冷却水系统：与直流冷却水系统
3、相比，补充的与直流冷却水系统相比，补充的新鲜水一般只是直流用水量的新鲜水一般只是直流用水量的10%左右，可节约大量冷却左右，可节约大量冷却水，排污水量也相应减少，是目前应用最广泛的一种循环水，排污水量也相应减少，是目前应用最广泛的一种循环冷却水系统。根据循环水同被冷却物料、工艺介质或装置冷却水系统。根据循环水同被冷却物料、工艺介质或装置是否有接触，可分为清循环、污循环和集尘循环三种类型。是否有接触，可分为清循环、污循环和集尘循环三种类型。浓缩倍数经过浓缩过程的循环水的含盐量与补充水的含盐量之比。51、蒸发损失E：空气在塔内上升过程中则逐渐变热，最后由塔顶逸出，同时带走水蒸气，这部分的损失。 E
4、=a(R-B)2、风吹损失D：热水有塔顶向下喷溅时，由于外界风吹和风扇抽吸的影响，循环水中由一定的飞溅损失和随空气带走的雾沫夹带损失，这些损失的水称为风吹损失。 D=（0.2%-0.5%）R3、排污损失B：向系统外面排除一定的污水。 B=E/(K-1)4、渗漏损失F：渗漏不可避免补充水量 M=E+D+B+F67.2 水的冷却原理与冷却构筑物一、冷却原理一、冷却原理接触传热热传导：单位面积上的热传导速度与导热面的发向温度梯度有关，还与导热介质有关。对流传热：流体本身由于流动把热量从一个地方带到另一个地方的传热方式。7二、 冷却构筑物1. 水面冷却池（1）水面面积有限的水体（2）水面面积很大的水体
5、2. 喷水池3. 冷却塔湿式干式5. 旁滤池4. 集水井81. 1. 水面冷却池水面冷却池92. 2. 喷水冷却池喷水冷却池103.3.湿式冷却塔湿式冷却塔11冷却塔冷却塔12（1）配水系统 （2）淋水填料（3）风机 （4）风筒（5）空气分配装置 （6）除水器（7）集水池 （8）塔体冷却塔的组成部分13自然通风冷却塔自然通风冷却塔自然通风式冷却塔是利用空气自然对流来使水冷却的，水流运动形式有喷淋、溅滴等多种 .主要有进水管、出水管、分配水管、喷头和通风百叶窗等部件组成。 缺点是：占地面积大；冷却效率低；冷却效果不稳定，易受风速和风向的影响，水被吹散的损失大 优点是；构造简单；设备投资少；运行维
6、护方便。14机械通风冷却塔机械通风冷却塔冷却塔水系统通风式冷却塔需要消耗电能，而且维护管理比较复杂。但是它的冷却效率高，结构紧凑，占地面积小，适用范围广 。15抽风式机械通风横流钢制冷却塔抽风式机械通风横流钢制冷却塔16逆流式机械通风冷却塔逆流式机械通风冷却塔在塔内空气和水通过填料时的流动方向是相逆的：热水从上向下淋洒，而空气从下向上流动。冷却效果比较好，横断面积相对较小，其缺点是配水不够均匀，而且塔体高度较大。17三、敞开式循环冷却水系统存在的问题三、敞开式循环冷却水系统存在的问题（1）水垢附着：不仅使传热效率降低，影响冷却效果，严重时使设备堵塞而停工检修。还降低输水能力，增加泵的动力消耗，
7、并促使微生物滋生，间接引起腐蚀（2）设备腐蚀：不仅缩短设备寿命，而且引起工艺过程效率的降低、产品泄漏等问题，在高温高压过程的冷却水系统，还可能发生安全事故。（3）冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀（4）有害离子引起的腐蚀（5）微生物引起的腐蚀（6）微生物的滋生和黏泥 循环冷却水处理的基本任务：循环冷却水处理的基本任务：防止或缓减系统的腐蚀和结垢及微生物的危害，确保冷却水系统高效安全运行。18一、水垢及其控制 冷却水中的水垢一般由CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4、硅酸钙(镁)等微溶盐组成。这些盐的溶解度很小，如在0时，CaCO3的溶解度是20mg/L，Ca3(PO4)2的溶解度只有0.1m
8、g/L，而且它们的溶解度随pH值和水温的升高而降低，因此特别容易在温度高的传热部位达到过饱和状态而结晶析出，当水流速度较小或传热面较粗糙时，这些结晶就容易沉积在传热表面上形成水垢。 7.3 循环水水质控制循环水水质控制19水垢的种类和特点水垢的种类和特点1碳酸钙 在冷却水系统中最常见的水垢。判断CaCO3结晶或溶解倾向的两种方法是饱和指数法和稳定指数法，两种指数协同使用，有助于较正确地判断冷却水的结垢与腐蚀倾向。2磷酸钙 为抑制金属的腐蚀，有时会投加聚磷酸盐作为缓蚀剂。当水温升高时，聚磷酸盐会水解成正磷酸盐。分解率因冷却水的停留时间而异，约1040。结果PO43-与Ca2+可生成溶解度很低的C
9、a3(PO4)2。 20SI=pH-pHSSI=0 稳定SI0 结垢倾向SI0 腐蚀倾向饱和指数法稳定指数法IR=2pHS -pHIR=4.0-5.0严重腐蚀5.0-6.0轻微腐蚀6.0-7.0基本稳定7.0-7.5显著腐蚀7.5-9.0严重腐蚀213硅酸盐垢 循环冷却水中，SiO2含量过高，加上水的硬度较大时，SiO2易与水中的Ca2+或Mg2+生成传热系数很小的硅酸钙或硅酸镁水垢。这类水垢不能用一般的化学清洗法去除，而要用酸碱交替清洗。 4硫酸钙 硫酸钙在98以下是稳定的二水化合物(CaSO42H2O)，其溶解度比碳酸钙大40倍以上。在37以下，溶解度随温度升高而增大，在37以上则相反，随
10、温度升高而减小。硫酸钙垢非常硬，难以用化学清洗法去除。 22水垢的控制方法水垢的控制方法控制冷却水结垢的途径主要有三条：(1)降低水中结垢离子的浓度使其保持在允许的范围内；(2)稳定水中结垢离子的平衡关系；(3)破坏结垢离子的结晶长大。 在选择控制水垢的具体方案时，应综合考虑循环水量大小、使用要求、药剂来源等因素。 231从冷却水中除去成垢离子 对含Ca2+、Mg2+离子较多的补充水。可用离子交换法或石灰软化法预处理。投加石灰的软化反应如下：242加酸或通CO2，降低pH，稳定重碳酸盐 对一些水量较大，而水质要求并不十分严格的循环水系统，一般采用加酸法处理。通常加H2SO4，若加HCl会带入C
11、l-,增强腐蚀性，而加HNO3则会带入NO3-,促使硝化细菌繁殖。加酸后，pH值降低，反应向左进行。使碳酸盐转化成溶解度较大的硫酸盐： 也可向水中通入CO2或净化后的烟道气，稳定重碳酸盐。该法适用于生产过程中有多余的干净CO2气体或有含CO2的废水可以直接利用的情况， 253投加阻垢剂 结垢是水中微溶盐结晶沉淀的结果。在盐类过饱和溶液中，首先产生晶核，再形成少量微晶粒，然后这些微晶粒相互碰撞，并按一种特有的次序排列起来，使小晶粒不断长大，形成大晶体。如果投加某些药剂，破坏或控制结晶的某一进程，水垢就难以形成。具有阻垢性能的药剂包括螯合剂、抑制剂和分散剂。螯合剂与阳离子形成螯合物或络合物，将金属
12、离子封闭起来，阻止其与阴离子反应生成水垢。EDTA是性能良好的螯合剂，几乎能与所有的金属离子螯合。抑制剂能扩大物质结晶的介稳定区，在相当大的过饱和程度上将结垢物质稳定在水中不析出。26二、污垢的控制二、污垢的控制 降低补充水浊度 做好循环冷却水水质处理 投加分散剂 增加旁滤设备27三、腐蚀及其控制 腐蚀机理及其影响因素 冷却水对碳钢的腐蚀是一个电化学过程。由于碳钢组织和表面以及与其接触的溶液状态的不均匀性，表面上会形成许多微小面积的低电位区(阳极)和高电位区(阴极)，每一对阳极和阴极通过金属本体构成一个腐蚀原电池，分别发生氧化和还原反应。在阴极 在水中 在阳极28腐蚀类型 全面腐蚀在整个金属表
13、面均匀进行，腐蚀电流极微小，难以观察辨识阴阳极，腐蚀产物对金属有一定保护作用。 局部腐蚀仅在金属表面局部范围内进行，其余区域不受腐蚀。这类腐蚀速度快；腐蚀产物分布在局部表面；常引起换热设备等早期穿孔。其表观特征是可宏观识别阴阳极和腐蚀电流的方向、可测出电极电位值。 局部腐蚀原因引起：(1)金属本身有缺陷，如表面有切痕、擦伤、缝隙或应力集中的地方；(2)金属表面保护膜或涂料局部脱落；(3)水垢局部剥离；(4)金属表面局部附着砂粒、氧化铁皮、沉积物等。上述这些部位电位比较低，成为阳极，引起局部腐蚀。 （共有5种）29影响金属腐蚀的操作因素 （1）水质：钙硬度高或浓缩倍数大的水容易产生坚硬的CaCO
14、3 水垢，对碳钢起保护作用，软水腐蚀性比硬水严重。 （2）pH值：如图11-8所示。 （3）溶解气体：水中溶解氧在金属表面的去极化作用，是金属腐蚀的主要原因。如图11-9所示。 （4）水温：水温升高能加快氧的扩散速度，从而加速腐蚀。 （5）流速：如图11-10所示。 （6）微生物：冷却水中滋生的微生物直接参与腐蚀反应。 30腐蚀的控制 控制腐蚀的基本方法有三类： (1)通过电镀或浸涂的方法在金属表面形成防腐层使金属和 循环水隔绝； (2)使用电极电位比铁低的镁、锌等牺牲阳极与需要保护碳 钢设备连接，使碳钢设备成为阴极而受到保护。或者将 需要保护的碳钢设备接到直流电源的负极上，并在正极 上再接一
15、个辅助阳极，设备在外加电流作用下转成阴极 而受到保护； (3)向循环水中投加无机或有机缓蚀剂、使金属表面形成一 层均匀致密、不易剥落的保护膜，这是目前国内外普遍 采用的处理方法。 31缓蚀膜类型典型缓蚀剂名称保护膜的持点氧化膜型(钝化膜型)铬酸盐亚硝酸盐钨酸盐钼酸盐致密薄膜(320nm) 与基础金属的结合紧密缓蚀性能好 沉淀膜型水中离子型（与水中钙离子等生成不溶性盐）聚磷酸盐磷酸盐硅酸盐锌盐与基础金属结合不太紧密缓蚀效果不佳多孔，膜厚（金属离子型与缓蚀对象的金属离子生成不溶性盐）琉基苯并噻锉 苯并三氮锉 甲苯基二氮锉 较致密，膜较薄缓蚀性能较好吸附膜型胺类硫醇类表面活性剂木质素 对酸液、非水溶
16、液等，在金属表面清洁的状态下，形成较好的吸附层。在淡水中，对碳钢的非清洁表面，难以形成吸附层表1 缓蚀膜类型及特点32四、微生物及其控制 微生物在冷却水系统中繁殖形成粘泥，使传热效率下降，加速金属腐蚀，影响输水，粘泥腐败后产生臭味，使水质变差。因粘泥引起的故障往往与腐蚀和水垢故障同时发生，按照故障的表现形式，可分为粘泥附着型和淤泥堆积型二类，前者主要是微生物及其代谢物和泥砂等的混合物附着于固体表面上而发生故障，常发生在管道、池壁、冷却塔填料上，后者是水中悬浮物在流速低的部位沉积，生成软泥状物质而发生故障。常发生在水池底部。在换热器壳程和配水池中二类故障都可能发生。 33产生主要危害的几类微生物
17、氨化细菌硝化细菌铁细菌硫细菌硫酸还原菌34冷却水系统中微生物生长繁殖的控制方法 1防止冷却水系统渗入营养物和悬浮物 营养物进入系统主要通过补充水、大气和设备泄漏三条 途径。磷系和胺系药剂的分解也提供部分营养物。对原水进行混凝沉淀和过滤预处理可去除大部分悬浮物和微生物。藻类生长需要日光照射进行光合作用，如能遮断阳光，就可防止藻类繁殖。 2投加杀生剂 在循环冷却水系统中投加杀生剂是目前抑制微生物的通行方法。杀生剂以各种方式杀伤微生物、如重金属可穿透细胞壁进入细胞质中，破坏维持生命的蛋白质基团。 35杀生剂分类及选择1、氧化型杀生剂卤素中的氯、溴碘，氯的化合物，臭氧等工业上常用的是氯、次氯酸钠、次氯酸钙362、非氧化性杀生剂（1)氯代酚类：氯代酚吸附在细胞壁上，并渗透到细胞质 中，与细胞质作用形成胶体溶液，并使蛋白质沉淀，从 而杀死微生物。氯代酚毒性大，对人的眼、鼻等粘膜和 皮肤有刺激，对鱼类和动物也具有较高毒性。 （2）季胺盐类：季胺盐是一种阳离子型表面活性剂，它吸 附到微生物上，与细胞壁上的负电荷部位形成静电键， 产生压力，还能破坏细胞的半透膜组织，引起细胞内代 谢物质和辅酶漏泄，而杀灭细菌。 (3)有机氮硫类：有机氮硫类药剂与蛋白质中的半胱氨酸基 结合，使酶丧失功能，微生物死亡。 37循环冷却水的综合治理确保补充水的质量冷却塔周围的环境优化换热器及选用合理运行参数38
