工业给水处理章 水的冷却和循环水水质处理.ppt

第4章水的冷却和循环水水质处理 在工业生产过程中 热力 电力 钢铁 石油 化工 空调等 往往会产生大量热量 使生产设备或产品 气体或液体 温度升高 必须及时冷却 以免影响生产的正常进行和产品质量 从节能 经济 环保三方面考虑 冷却水应该实现循环利用 水是吸收和传递热量的良好介质 常用来冷却生产设备和产品 工业冷却水的供水系统一般可分为直流式 循环式和混合式三种 为了节约水资源 常采用循环冷却水系统 一般流程如下图 敞开式循环冷却水系统 循环水在使用过程中 少量水在冷却塔中蒸发损失 从而盐类浓缩而形成盐垢 水中悬浮物也发生浓缩 循环水可能受到渗漏工艺物料的污染 还有有机物 微生物 藻类进入系统 这些都可使循环水系统出现结垢 污垢 腐蚀和淤塞问题 因此 为了保证循环冷却水系统的可靠运行 必须同时采取以下技术措施 1 采用冷却构筑物以降低水温 2 进行水质处理以控制结垢 污垢 腐蚀和淤塞 一 冷却构筑物类型及构造 第一节冷却构筑物类型 工艺构造 1 水面冷却池 1 水面面积有限的水体 水塘 浅水库 小湖泊 2 水面面积很大的水体 河道 海湾 大型湖泊2 喷水冷却池 压力水喷射后又落回水池 水与空气接触 而蒸发与传导散热 3 冷却塔 湿式 自然通风 机械通风 混合通风干式 即风冷 不需大量水 但费用高 湿式冷却塔按热水与空气流动的方向可分为 逆流式 横流式 混流式 本章主要讲述以水滴水膜形式冷却的湿式冷却塔 1 水面冷却池 2 喷水冷却池 3 湿式冷却塔 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 运行维护方便 机械通风冷却塔 冷却塔水系统 机械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 抽风式机械通风横流钢制冷却塔 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 机械通风逆流冷却塔 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 9 输水设施 10 其它设施 二 冷却塔的组成 1 配水系统 将热水均匀分配在整个淋水面积上 有管式 槽式 池盘式 管式如下图 2 淋水填料是冷却塔的关键部分 其作用 将配水系统溅落的水滴 经多次溅散成微细的小水滴或水膜 增大水和空气的接触面积 延长接触时间 从而保证空气和水的良好热 质交换作用 要求有大的比表面积 使水与空气有大的接触面积 通风阻力小 亲水性强 价格低廉 施工方便 质轻 耐久 分类有 点滴式 薄膜式 点滴薄膜式 点滴式淋水填料 3 通风及空气分配装置 均匀分配空气 有机械通风的风机 风筒 形成风的自然对流流线形 导风装置 4 其他装置除水器 减少水量损失 集水池 收集 储存和调节水量 容积为循环水小时流量的三分之一到五分之一 塔体 支撑作用 收水器 第二节水冷却的基本原理 一 湿空气的性质1 湿空气的热力学参数 1 湿空气的压力P Pg PqPV GRT 10 3Pg gRg 10 3Pq qRqT 10 3Pg Pq 干空气和水蒸汽在其本身分压Rg 干空气的气体常数 Rg 287 145J kg K Rq 水蒸气的气体常数 Rq 461 53J kg K 2 饱和水蒸气分压力当空气在一定温度下 吸湿能力达到最大时 空气中的水蒸气处于饱和状态 水蒸气的分压称为饱和水蒸汽压 Pq 0 Pq Pq 当温度在0 100 及通常的气压范围内时 可按纪利公式计算 T 273 15 为空气的温度从上式可知 湿空气的饱和水蒸气分压只与温度有关 与大气压力无关 空气温度越高 蒸发越快 Pq 越大 在一定温度下已饱和的空气 当温度升高时成为不饱和 反之 不饱和的空气 当温度降低到某一值时 又趋于饱和 冬天结露 夏天空调管结露就剩这个道理 3 绝对湿度绝对湿度 每m3湿空气中所含水蒸汽的质量称为空气的绝对温度 其数值等于水蒸汽在分压Pq和湿空气温度T时的密度 q 4 相对湿度 空气绝对湿度和同温度下饱和空气的绝对湿度之比 表示湿空气接近饱和的程度 其计算公式为 q q Pq Pq Pq Pq Pq Pq 湿空气的干球 湿球温度P P 相当于 和 的饱和水蒸汽压力 5 含湿量 在含有1kg干空气的湿空气混合气体中 其所含水蒸汽的质量x kg 称为湿空气含湿量 也称为比湿 单位为kg kg 干空气 大气压一定时 使湿空气变成饱和空气的温度称为露点 当空气温度低于露点温度时 水蒸汽开始凝结 6 湿空气的密度 湿空气的密度等于1m3湿空气中所含的干空气和水蒸汽在其各自分压下的密度之和 湿空气的密度随大气压力的降低和温度的升高而减小 7 湿空气的比热 Csh 使总质量为 x kg的湿空气 包括 kg干空气和xkg水蒸汽 温度升高 所需的热量 称为湿空气的比热 用Csh表示 Csh g CqxCsh 1 00 1 84xCsh一般采用 kJ kg 8 湿空气的焓 i 表示气体含热量大小的数值叫焓 用i表示 湿空气的焓等于 kg干空气和含湿量x公斤水蒸汽的含热量之和 i ig xig 计算含热量要有一个基点 国际上以 的水的热量为零 水蒸汽的焓以两部分组成 a 汽化热 0 2500kJ kgb 1kg水蒸汽由 升至 所需的热量 2 湿空气的焓湿图湿空气的各项热力学参数都是由试验测得 为了计算方便 一般把湿空气的四项主要热力学参数 相对湿度 压力P 焓i 温度 之间的相应关系绘制成图表 根据已知的参数求焓的图称为焓湿计算图 3 湿球温度 和水的冷却理论极限 干湿球温度是空气的主要热力学参数 干球温度为一般温度计测得的气温 在温度计外包有纱布并将纱布的自由端浸入水中 在毛细管作用下 纱布表面吸收一层水 这就组成湿球温度计 由于纱布表面水的蒸发 使水温下降 当蒸发散热量与空气传回水的传导散热量相等 处于动态平衡时 测得湿球温度 测定湿球温度时 纱布必须完全包住水银球 风速 m s以上 湿球温度代表在当地气温条件下 水可能被冷却的最低温度 也即冷却构筑物出水温度的理论极限值 二 水的冷却原理当热水表面直接与未饱和的空气接触时 热水表面的水分子将不断汽化蒸发 在此过程中 将从热水中吸收热量 达到冷却的效果 这是蒸发传热 与温度无关 是单向的 当热水表面与空气直接接触时 因温度不同 将产生传热过程 最终使温度达到平衡 这是接触传热 与温度差 水温tf 有关 是双向的 水的冷却过程是通过蒸发传热和接触传热实现的 水温的变化则是两者作用的结果 在冷却过程中 冬季接触传热可占50 夏季 蒸发传热占80 90 设计按夏季气候考虑 三 接触传热量和蒸发传热量1 接触传热量接触传热与水和空气的温度差成正比 在单位时间内通过水和空气接触的微元面积dF上的接触传热量为 传热系数 Kw cm2 2 蒸发传热量在微元面积dF上 单位时间内蒸发的水量dQu与水面饱和空气的分压差成正比 也可用含湿量差代替 其蒸发水量为 蒸发传热量等于蒸发水量与水的汽化热的乘积 蒸发热量为 3 总传热量总传热量等于接触传热量和蒸发传热量之和 在冷却塔中 淋水填料邻接触表面积F的总传热量H为 接触面积F确定困难 实际中填料体积以及填料单位体积相应的系数 式中 v 容积传热系数 pv 与蒸汽分压差有关的容积传质系数 xv 与含湿量差有关的淋水填料的容积传质系数 第三节循环冷却水水质处理 一 循环冷却水的水质特点1 浓缩作用冷却水在循环过程中会产生4种水量损失 即 蒸发 风吹 渗漏和排污损失 P总 P蒸发 P风吹 P渗漏 P排污蒸发损失了水分 但盐分仍留在水中 风吹 渗漏和排污所带走的盐量为 S P风吹 P渗漏 P排污 补充水带进系统的盐量为 S补P S补 P蒸发 P风吹 P渗漏 P排污 S 循环水含盐量 S补 补充水含盐量 在系统刚投入运行时 系统中的水质为新鲜的补充水水质 S初 S补 随着运行循环水中含盐量逐渐提高 引起浓缩作用 最终达到平衡 平衡时含盐量S平 S补 P蒸发 P风吹 P渗漏 P排污 S平 P风吹 P渗漏 P排污 令 S平 S补 K 即浓缩系数K P蒸发 P风吹 P渗漏 P排污 P风吹 P渗漏 P排污 P总 P总 P蒸发 1在敞开式中K值永远大于1 密闭式循环冷却水的浓缩倍数 K S平 S补 1浓缩会增加水的导电性加快腐蚀 同时也使某些盐类由于过饱和而沉积出来产生结垢 2 CO2的散失和O2的增加天然水中含有一定量的重碳酸盐和游离CO2 使水质稳定 但在冷却塔内淋漏过程中引起的CO2散失 同中和吹脱 阳床后的吹脱塔 加重了水中碳酸钙的沉淀 另一方面 淋洒如同曝气 使水中O2增加 助长了水的氧化腐蚀性 是造成金属化学腐蚀的主要原因 3 水质污染 1 大气中的多种杂质通过空气接触进入水中 2 塔体 填料 水池和管道的腐蚀剥落物会进入水中 3 循环水水质稳定处理过程中加入药剂会产生沉淀物 4 系统内微生物繁殖及分泌物形成的粘性污垢 以上各种杂质中 微生物繁殖所形成的粘性物称为粘垢 无机盐沉积出来称为结垢 悬浮物 腐蚀剥落物称为污垢 粘垢 结垢 污垢统称为沉积物 4 水温的变化冷却水在换热设备中是升温过程 有结垢倾向 冷却水在冷却塔内是降温过程 CO2散失 O2增加 结垢腐蚀均可能发生 总之 循环冷却水的水质特点 浓缩作用 CO2散失O2增加 水质污染 水温发生变化 产生结垢 污 粘 垢 腐蚀不利影响 二 循环冷却水的基本水质要求通常把冷却水水质按腐蚀和沉积物控制要求作为水质指标 是一种间接指标 见下表 P513 表24 1 给水排水设计手册 二版 第四册 356页 循环冷却水水质标准 18项指标 主要有 SS 20mg L 板式换热器要求10mg LpH值7 0 9 2甲基橙碱度 以碳酸钙计 500mg LCa2 30 200mg LFe2 0 5mg LCl 300mg L电导率 3000us cm 作为循环水补充水的水质应要求高一些 GB50335 2002中再生水用作冷却用水的水质控制指标如下表 敞开式循环冷却系统冷却水主要水质指标标 1 腐蚀率腐蚀率一般以金属每年的平均腐蚀深度表示 单位mm a 可用失重法挂片试验测定 CL 腐蚀率P0 P 腐蚀前后金属重量 金属密度F 金属与水接触面积 t 腐蚀时间缓蚀率 经水质处理后使腐蚀率降低的效果 C0 CL C0 100 C0 循环水未处理时腐蚀率 CL 循环水经处理后的腐蚀率 2 污垢热阻热交换器传热面由于沉积物沉积使传热系数下降 从而使热阻 传热系数的倒数 增加的量称为污垢热阻 交换器的热阻在不同时刻不同 在某一时间的为即时污垢热阻 为经t小时后的传热系数的倒数和开始时的传热系数的倒数之差 Rt 1 Kt 1 K0 1 tK0 1 K0 1 K0 1 t 1 Rt 即时污垢热阻K0 开始时 传热表面清洁所测得的总传热系数Kt 经t时间后所测得的总传热系数 t 积垢后传热效率降低的百分数以Rt和t作曲线 推算出年污垢热阻作为控制指标 三 循环冷却水结垢和腐蚀的判别 1 极限碳酸盐硬度法 当水中碳酸钙浓度超过其饱和浓度时 则会出现沉淀形成结垢 反之对碳酸钙具有溶解能力 为腐蚀性水 2 饱和 朗格利尔 指数法 IL pH0 pHS 3 稳定指数法 IR 2pHS pH0 IL 0稳定 IL 0结垢倾向 IL 0腐蚀倾向 IR 4 0 5 0严重结垢5 0 6 0轻微结垢6 0 7 0基本稳定7 0 7 5显著腐蚀7 5 9 0严重腐蚀 pH0 循环水的实际pH值pHs 碳酸钙平衡时的pH值 四 循环冷却水处理循环水处理的目的及重要性 主要是为了保护换热器免遭损害 稳定生产 节约水资源 减少环境污染 节约成本 提高经济效益 主要是三方面的控制1 沉积物控制 主要是防垢 2 腐蚀控制3 微生物控制还有循环水系统的清洗 预膜 排污处理 闭路循环零排污流程图 1 沉积物控制包括结垢控制和污垢控制 粘垢控制与微生物控制一起考虑 1 结垢控制 1 去除水中产生结垢的成分 如软化和除盐 只有补充水水质很差或必须提高浓缩倍数的情况下采用 2 采用酸化法 将碳酸盐硬度转化为溶解度较高的非碳酸盐硬度 3 向水中投加阻垢剂 聚磷酸盐 六偏磷酸钠和三聚磷酸钠 有机磷酸盐与水中钙金属离子起络合反应生产不易结垢的络合盐 从而提高循环水中允许的极限碳酸盐浓度 也有分散剂作用 防止产生结垢 4 用排污法减小浓缩倍数5 物理水处理 磁水器 电子式水处理器阻垢 2 污垢控制1 尽量减少补充水中悬浮物的含量 2 采用傍滤 防止悬浮物的积累 2 腐蚀控制 1 投加缓蚀剂 缓蚀剂使在金属表面形成一层薄膜将金属表面覆盖起来 从而与腐蚀介质隔绝 防止金属腐蚀 缓蚀剂所形成的膜有氧化膜 铬酸盐亚硝酸盐