水处理专题讲座PPT.ppt

2019 12 20 一 循环冷却水处理任务 冷却水按系统划分为直流冷却水和循环冷却水 冷却水的分类 2019 12 20 2 一 循环冷却水处理任务 在20世纪初 随着工业的迅速发展 工业用水愈来愈多 但是 几乎没有一家工厂用循环水 到了40年代 人们生活用水 农田用水和工业用水出现了争夺 直流水系统已受到了水资源的限制 于是另觅用水的出路而发展了循环水系统 为什么工业用水有采用循环冷却水系统 争 夺 争 争 夺 夺 2019 12 20 3 循环冷却水处理任务 2019 12 20 3 在直流水系统中 冷却水只经换热器一次利用后就被排掉了 所以直流水又称为一次利用水 由于用水量很大 因此在水量丰富的地区也不提倡采用直流水系统 直流水系统示意图 直流水系统的定义 在循环水系统中 冷却水可以反复使用 水经换热器后温度升高 由冷却塔或其他冷却设备将水温降低下来 再由泵将水送往用户 水如此不断的进行重复使用 2019 12 20 4 水泵 换热器 循环水系统示意图 冷却设备 循环冷却水处理任务 循环水系统的定义 冷却塔 补充水 1 封闭式循环冷却水系统冷却水收回利用 循环不已 因此 水量损失很少 水中各种矿物质和离子含量一般不发生变化 而水的再冷却是在另一台换热设备中用其他冷却介质来进行冷却的 二 循环冷却水系统 2 敞开式循环冷却水系统冷却水循环再用 水的再冷却是通过冷却塔来进行的 水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加 1 循环冷却水四种水量损失 1 蒸发损失 2 风吹损失 3 渗漏损失 4 排污损失 三 敞开式循环冷却水的水质特点 敞开式循环冷却水的水质特点 2 循环冷却水中的co2散失和o2的增加天然水中含有一定数量的重碳酸盐和游离co2 水在冷却塔淋洒过程中 相当于曝气 将使co2散失和o2增加 敞开式循环冷却水的水质特点 3 循环冷却水的水质污染 1 大气中杂物进入冷却系统 2 冷却塔风机漏油及塔体的腐蚀剥落物进入冷却水中 3 冷却水处理中加入药剂产生沉淀 4 微生物繁殖及分泌物形成的粘性污垢 一 水垢附着碳酸钙沉淀在换热器表面即为结垢 影响换热器的效率 堵塞水流 四 敞开式循环冷却水系统产生的问题 水浓缩后 成垢离子成倍增加 特别由于碳酸氢盐是很不稳定的盐类 它在换热器表面上受热会分解为碳酸盐和二氧化碳 碳酸钙的溶解度很低 在传热表面上结碳酸钙水垢的倾向增加 这是问题之一 ca hco3 2 caco3 h2o co2 四 敞开式循环冷却水系统产生的问题 二 设备腐蚀1 冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀由于水与空气能充分地接触 因此水中溶解的o2可达到饱和状态 当碳钢与溶有o2的冷却水接触时 碳钢的表面会形成许多腐蚀微电池 其阳极区和阴极区会发生系列氧化还原反应 阳极区fe fe2 2e阴极区1 2o2 h2o 2e 2oh 水中fe2 2oh fe oh 2fe oh 2 fe oh 3上述反应使金属不断溶解而被腐蚀 四 敞开式循环冷却水系统产生的问题 二 设备腐蚀2 有害离子引起腐蚀当cl 和so42 离子浓度增加时 会加速碳钢的腐蚀 cl 和so42 会使金属上的保护膜的保护性能降低 尤其是cl 的离子半径小 穿透力强 容易穿过膜层 fe3o4 置换氧原子形成氯化物 加速阳极过程的进行 使腐蚀加速 对不锈钢制成的换热器 一般要求cl 的含量不超过50 100mg l 四 敞开式循环冷却水系统产生的问题 三 微生物的滋生和粘泥冷却水的微生物一般是细菌和藻类 在循环水中 由于养分的浓缩 水温的升高和日光和日光照射 给细菌和藻类创造了迅速繁殖的条件 大量细菌分泌出的粘液像粘合剂一样 能使水中漂浮的灰尘杂质和化学沉淀物等粘附在一起 这种沉积物有人称它为生物粘泥 也有人把它叫做软垢 四 敞开式循环冷却水系统产生的问题 三 微生物的滋生和粘泥粘泥积附的危害性 管道腐蚀冷却水的流量减少降低换热器的冷却效率将管孔堵死 迫使停产清洗例如 北京某厂因换热器中菌藻大量繁殖 半月之内就使热交换效率下降到50 四 敞开式循环冷却水系统产生的问题 问题那么多 怎么办 沉积物附着 金属腐蚀和微生物滋生可通过水质处理的方法解决 五 敞开式循环冷却水处理的重要性 1 稳定生产没有沉积物附着 腐蚀穿孔和粘泥堵塞等危害 冷却水系统中的换热器就可以始终在良好的环境中工作 2 节约水资源年产30万吨合成氨工厂 直流冷却系统需要23000m3 循环冷却水系统每小时的耗水量为1100m3 3 节约钢材 提高经济效益循环冷却水可减少换热器更换的台数 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 一 循环冷却水系统中的沉积物1 沉积物的分类主要由水垢 淤泥 腐蚀产物和生物沉积物构成 淤泥 腐蚀产物和生物沉积物三者统称为污垢 1 水垢使用含重碳酸盐较多的水作为冷却水 当它通过换热器传热表面时 会受热分解 ca hco3 2 caco3 h2o co2 加热 重碳酸盐在碱性条件下也会发生如下的反应 ca hco3 2 2oh caco3 2h2o co32 当水中溶有氯化钙时 会产生置换反应 cacl2 co32 caco3 2cl 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 一 循环冷却水系统中的沉积物 水中溶有适量的磷酸盐时 磷酸盐将与钙离子生成磷酸钙 2po43 3ca2 ca3 po4 2 水中溶解的硫酸钙 硅酸钙 硅酸镁等 当其阴 阳离子浓度的乘积超过其本身溶度积时 也会生成沉淀沉积在传热表面上 形成水垢 有时水垢也称钙垢 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 一 循环冷却水系统中的沉积物 2 污垢污垢一般是由颗粒细小的泥砂 尘土 不溶性盐类的泥状物 胶状氢氧化物 杂物碎屑 腐蚀产物 油污 特别是菌藻的尸体及其粘性分泌物等组成 污垢体积较大 质地疏松稀软 故又称为软垢 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 一 循环冷却水系统中的沉积物 污垢是引起垢下腐蚀的主要原因 也是某些细菌 如厌氧菌 生存和繁殖的温床 污垢在传热表面上粘附不紧 容易被清洗 但在运行中 污垢和水垢一样 也会影响换热器的传热效率 锈瘤状腐蚀产物形成的沉积物 除了影响传热外 更严重的是将助长某些细菌如铁细菌的繁殖 最终导致管壁腐蚀穿孔而泄漏 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 一 循环冷却水系统中的沉积物 二 水垢的控制的方法有 1 从冷却水中除去成垢的钙离子2 投加阻垢剂 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 1 从冷却水中除去成垢的钙离子 1 离子交换树脂法 离子交换树脂法就是让水通过离子交换树脂 将ca2 mg2 从水中置换出来并结合在树脂上 达到从水中除去ca2 mg2 目的 用不同性质的离子交换树脂 可以很简便的从硬水中除去ca2 mg2 等离子 使水软化 na型树脂软化法 氢型树脂软化 强酸型氢型树脂软化法 弱酸型氢型树脂软化法 氢钠型树脂软化法 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 2 石灰软化法 补充水未进入循环冷却水系统之前 在预处理时就投加适当的石灰 让水中的碳酸氢钙与石灰在澄清池中预先反应 生成碳酸钙沉淀析出 从而除去水中的ca2 反应式 ca hco3 2 ca oh 2 2caco3 2h2o 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 1 从冷却水中除去成垢的钙离子 2 投加阻垢剂 caco3结晶过程示意图 结晶动力学观点 钙垢析出的过程就是微溶性盐从溶液中结晶沉淀的过程 其首先要生成晶核 形成少量的微晶粒 这些微晶粒在溶液中通过热运动发生相互碰撞和金属器壁碰撞 小晶体变成大晶体 并在金属器壁形成覆盖传热面的垢层 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 无机垢晶体在成长时 是按照一定晶格排列的 结晶致密 比较坚硬 当水中含有聚羧酸等阻垢剂时 由于聚羧酸等有机酸基团具有对金属离子的螯合能力 因而对无机垢的结晶形成了干扰 使晶格发生了歪曲 成为不规则的晶体 这个过程称之为晶格畸变作用 晶格畸变使硬垢变为无定型软垢 这种垢的结晶长不大 垢层中有大量空隙 几乎无粘结力 易被水流冲走排出 2 投加阻垢剂 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 聚磷酸盐等药剂在水中能夺取钙镁离子 形成稳定的络合物 这样实际上就降低了水中钙镁离子的浓度 减少了ca2 与co32 结合形成caco3机会 换言之 就是提高了循环水中钙镁离子的允许浓度 增大了钙镁盐的溶解度 络合增溶的作用可以使更多的碳酸钙稳定在水中不析出 2 投加阻垢剂 六 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 一 金属的腐蚀的概念金属的腐蚀指的是金属在周围介质 液体和气体 的作用下 由于化学反应 电化学反应或物理作用而使金属受到破坏或性能恶化的现象 在循环冷却水中 腐蚀与污垢是影响系统正常运行的两大主要障碍 腐蚀与污垢是互相联系制约 腐蚀产物会形成污垢 污垢又会引起腐蚀 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 金属的电化学腐蚀过程在冷却水中 金属的腐蚀过程主要是电化学腐蚀过程 即金属表面与导电介质 冷却水 因电化学作用而产生破坏的过程 碳钢在含氧中性水中的腐蚀机理示意图 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 1 如果水中的溶解氧比较充足 则fe oh 2会进一步氧化 生成黄色的锈 feo oh和fe2o3 h2o 而不是fe oh 3 2 如果水中的氧不充足 则fe oh 2进一步氧化为绿色的水合四氧化三铁或黑色的无水四氧化三铁 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 腐蚀速度的表示方法1 质量变化表示法用单位时间单位面积上质量的变化来表示腐蚀速度 常用单位有 mg dm2 d 简写为mdd或g m2 h和g m2 d 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 腐蚀速度的表示方法2 腐蚀深度表示法用单位时间内的腐蚀深度来表示腐蚀速度 常用单位有 毫米 年 mm a 欧美常用 密耳 年 mpy 也即毫英寸 年 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 冷却水中金属腐蚀的影响因素冷却中金属换热设备腐蚀的影响很多 概括起来可以分为物理因素 化学因素和微生物因素等 本课程仅讨论其中的一些化学因素和物理因素 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 1 ph值冷却水中ph值对金属腐蚀的影响往往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 1 如果金属的氧化物溶于酸性水溶液而不溶于碱性水溶液 则该类金属在低ph值时就腐蚀得快一些 而在高ph值时腐蚀就慢 如 镍 镁 铁等金属 2 两性金属的氧化物既溶于酸性水溶液 又溶于碱性水溶液 这类金属在中间的ph值范围内具有最高的腐蚀稳定性 如 铝 锌 铅和锡等 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 例 水溶液中ph值对铝腐蚀速度的影响如图2 图2铝的腐蚀速度与ph值的关系1mpy 0 025mm a 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 2 阴离子水中不同的阴离子在增加金属腐蚀速度上的顺序 no3 ch3coo so42 cl clo4 冷却水中的cl br 等活性离子能破坏碳钢 不锈钢和铝等金属或合金表面的钝化膜 增快阳极腐蚀反应的速度 引起金属的局部腐蚀 水中的络酸根 亚硝酸根 硅酸根和磷酸根等阴离子对钢有缓蚀作用 相应的盐类是一些常用的冷却水缓蚀剂 七 循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制 3 络合剂络合剂能与水中的金属离子生成可溶性络离子 使水中金属离子的游离浓度降低 从而使金属的腐蚀速度增加 冷却水中常用的络合剂有 nh3 cn edta 和atmp等 如 冷却水中有氨存在时 氨能与铜离子生成稳定的四氨合铜络离子cu nh3 42 从而促进铜的加速腐蚀 4 硬度钙 镁离子浓度过高时 会与水中的碳酸根 磷酸根或硅酸根作用 生成碳酸钙 磷酸钙和硅酸钙垢 从而引起垢下腐蚀 5 金属离子冷却水中的碱金属离子 如na k 对金属和合金的腐蚀速度没有明显的或直接的影响 铜 银 铅等重金属离子在冷却水中对钢 铝 镁 锌等几种常用金属有害 在酸性溶液中 fe3 是一种阴极反应加速剂 在中性溶液中 fe2 可以抑制铜和铜合金的腐蚀 锌离子在冷却水中对钢有缓蚀作用 6 溶解的气体 1 氧在中性水中 在腐蚀着的金属表面上 氧起着阴极去极化剂的作用 促进金属的腐蚀 除去水中的氧后 冷却水就没有腐蚀性 某些情况下 氧又可能是一种氧化性钝化剂 能使金属钝化 免于腐蚀 2 二氧化碳二氧化碳溶于冷却水中 生成碳酸或碳酸氢盐 使水的ph值下降 水的酸性增加 将有助于氢的析出和金属表面膜的溶解破坏 无氧存在时 溶解状态的二氧碳的存在也会引起钢和铜的腐蚀 3 氨氨往往在工艺系统泄漏时进入冷却水中 当冷却水中存在氧化剂时 氨就选择性的腐蚀铜 生成可溶性的四氨合铜络合离子cu nh3 42 冷却水中的氨对铝和碳钢没有腐蚀性 4 硫化氢硫化氢是能够进入冷却水系统中的最有害的气体之一 硫化氢会加速铜 钢和合金钢的腐蚀 尤其是对加速凝汽器合金管的点蚀 5 二氧化硫循环冷却水系统中的喷淋式冷却塔在运行过程中 会收集工业性大气中的二氧化硫 溶于水中的二氧化硫会降低循环冷却水的ph值 增加其对金属的腐蚀性 6 氯氯进入水中后 水解生成盐酸和次氯酸 氯的水解会降低冷却水的ph值 增加水对金属的腐蚀性 水解生成的氯离子会促进碳钢 不锈钢和铝等金属或合金的局部腐蚀 7 浓度大多数金属在非氧化性酸中 随着酸浓度的增加 腐蚀加剧 在氧化性酸中 随着浓度的增加 腐蚀速度有一个最高值 当酸的浓度超过一定的数值以后 金属表面生成保护膜 腐蚀速度下降 铁在稀碱溶液中的腐蚀产物为不易溶解的氢氧化物 对金属有保护作用 但如果碱的浓度增加或温度升高 则铁的氢氧化物将溶解生成铁酸盐 腐蚀速度增大 8 悬浮固体当冷却水的流速降低时 进入系统的悬浮物容易在换热器部件的表面生成疏松的沉积物 引起垢下腐蚀 当冷却水的流速过高时 悬浮物的颗粒又容易对硬度较低的金属或合金产生磨损腐蚀 9 流速当流速较低的时候 金属的腐蚀速度随水流速的增加而增加 当水的流速足够高时 足量的氧到达金属表面 使金属部分或全部钝化 钝化发生后 金属的腐蚀将下降 如果水流速度继续增加 水对金属表面上钝化膜的冲击腐蚀将使金属的腐蚀速度重新增大 图5 超高速的流体设备中 还会引起空泡腐蚀 淡水的流速对碳钢腐蚀速度的影响 流速对碳钢腐蚀速度的影响 10 电偶在冷却水系统中 常有不同金属或合金间的接触或连接 发生连接的金属或合金 如果彼此的腐蚀电位相差较大 再与冷却水相接触 就会形成一个腐蚀大电池或电偶而发生电偶腐蚀 11 温度一般来讲 金属的腐蚀速度随温度的增加而增加 这是由于温度升高会引起1 水中物质的扩散系数增大 2 氧在水中的溶解度降低如果在同一温度和合金上存在温度差 则温度高的那一部分将会成为腐蚀电池的阳极而腐蚀 温度低的那一部分则会成为阴极 在温度升高的过程中 某些金属或合金之间的相对电位会发生明显的电位极性逆转 使相应部位发生腐蚀或失去保护能力 五 冷却水中金属腐蚀的控制方法添加缓蚀剂适当提高冷却水的ph值选用耐蚀材料的换热器用防腐涂料涂覆阴极保护法 1 添加缓蚀剂 1 缓蚀剂定义 缓蚀剂是一种用于腐蚀介质中抑制金属腐蚀的添加剂 使用特点 1 用量少 2 使用浓度低 3 不需特殊的附加设备 4 不需改变金属设备或构件的材质或进行表面处理 5 经济效益高且适应性强 2 基本要求 1 在经济上是有利的 2 其飞溅 泄漏 排放及处理后的排放 在环保上是容许的 3 与冷却水中存在的各种物质及加入的阻垢剂等药剂是相容的 甚至有协同作用 4 对系统中各种金属的缓蚀效果都是可以接受的 5 不会造成换热金属表面传热系数降低 6 在冷却水运行的ph值范围内 有较好的缓蚀作用 3 常用的冷却水缓蚀剂1 铬酸盐 2 亚硝酸盐铬酸盐的优点 不仅钢铁 而且对铜