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循环冷却水处理技术与水质管理 目录 一 循环冷却水系统出现哪些问题 二 这些问题为什么会出现 三 怎样解决这些问题 四 水质管理的依据是什么 五 物料泄漏对水处理有哪些危害 六 技术与管理的关系如何 七 日常运行需要注意哪些问题 一 循环冷却水系统出现哪些问题 热交换器热效率下降 热交换器泄漏 材质强度下降 热交换器堵塞 泵压上升 流量下降 促进腐蚀 浪费药剂 腐蚀 冷却塔效率下降 冷却塔填料变型下陷 视觉污染 淤泥堆积 结垢 粘泥 淤泥沉积 二 这些问题为什么会出现 二 这些问题为什么会出现 1 水质特性2 金属腐蚀3 水垢沉积4 微生物繁殖 1 水质特性表1我国较典型的地下水主要水质 水中离子的作用 1 主要阳离子H K Ca2 Mg2 Fe2 Zn2 2 主要阴离子OH HCO3 CO32 SiO32 PO43 Cl SO42 HS S2 水质特性判据 1 饱和指数 L S I Ca HCO3 2 Ca2 2HCO3 HCO3 H CO32 CaCO3 Ca2 CO32 L S I pH pHs 0结垢L S I pH pHs 0不结垢 不腐蚀L S I pH pHs 0腐蚀 水质特性判据 2 稳定指数 R S I R S I 2pHs pH 6结垢R S I 2pHs pH 6不结垢 不腐蚀R S I 2pHs pH 6腐蚀 水质特性判据 3 结垢指数 P S I P S I 2pHs pHeq 6结垢P S I 2pHs pHeq 6不结垢 不腐蚀P S I 2pHs pHeq 6腐蚀pHeq 1 465lgM 4 54 2 金属腐蚀原理 金属表面在微观上是不均匀的 当它与水介质接触时 会形成许多微小的腐蚀电池 简称微电池 其中活泼部位成为阳极 不活泼部位成为阴极 金属在阳极发生氧化反应 释放出电子 自身被氧化成高价态的金属离子从金属基体上溶解到水中 反应如下 Fe Fe2 2e溶解氧或氢离子在阴极发生还原反应 得到电子 自身被还原成低价态的离子或分子 在中碱性冷却水中 主要发生溶解氧被还原反应 反应如下 1 2O2 H2O 2e 2OH 当亚铁离子与氢氧根相遇时 生成氢氧化铁沉淀 反应式如下 Fe2 2OH Fe OH 2 氢氧化铁的产生即是腐蚀的开始 金属离子在阳极进入水溶液及其水化的过程 称为阳极过程 而水中的溶解氧和氢离子在阴极不断获得电子被还原的过程 称为阴极过程 如果没有阴极过程 阳极过程就不能进行 反之 没有阳极过程 阴极过程也不能进行 因此 只有当阳极过程和阴极过程同时存在并进行时 腐蚀才能发生 影响腐蚀的主要因素 1 pH值 2 氯离子和硫酸根 3 悬浮物 4 溶解氧 5 微生物 6 水流速与温度 冷却水系统金属主要腐蚀形态 1 均匀腐蚀 2 垢下腐蚀 3 电偶腐蚀 4 缝隙腐蚀 5 孔蚀 6 汽蚀 空泡腐蚀 7 磨蚀 8 微生物腐蚀 1 均匀腐蚀 定义 在腐蚀介质作用下 金属整个表面发生的腐蚀破坏 基本按照相同腐蚀速率进行的腐蚀现象叫均匀腐蚀 1 均匀腐蚀 影响均匀腐蚀的主要因素 a 溶解氧浓度b pHc 温度d 流速e 含盐量 2 垢下腐蚀 定义 由于水垢的形成 氧的扩散受阻 垢下金属表面的氧浓度随腐蚀的进行不断降低 与垢外金属表面的氧浓度形成浓度差 使垢下缺氧区金属表面成为阳极而被加速腐蚀的现象叫垢下腐蚀 2 垢下腐蚀 主要影响因素 a 流速b 生物粘泥 3 电偶腐蚀 定义 两种金属在同一电解质中接触 由于二者腐蚀电位不相等存在电位差 有电流流动 使电位较低的金属腐蚀速率加速 形成接触区的局部腐蚀 而电位较高的金属腐蚀速率降低 这一现象称为电偶腐蚀 3 电偶腐蚀 主要影响因素 a 阴 阳极面积比b 距离c 介质的电导率防止措施 a 选材b 结构c 结合部d 涂料 4 缝隙腐蚀 定义 在腐蚀介质的作用下 金属与金属或金属与非金属覆盖物之间存在缝隙时 缝隙内腐蚀介质因滞流而缺氧 缝隙内金属成为腐蚀阳极而加速腐蚀的现象叫缝隙腐蚀 4 缝隙腐蚀 产生条件 a 危害性阴离子存在b 缝隙 0 025 0 3mm 影响因素 a 金属自身的钝化性质b 氯离子浓度 大于0 1 c 溶解氧浓度 大于0 5mg L d 温度 5 孔蚀 定义 在金属表面的局部部位 出现向金属深处发展的腐蚀小孔 其余部位不腐蚀或腐蚀很轻微的现象叫空蚀或点蚀 孔蚀和一般局部腐蚀的区分 蚀孔深度 蚀孔宽度 1孔蚀 1局部腐蚀 5 孔蚀 特点 a 蚀孔小 一般只有几十微米b 重量损失小c 开始侧孔径小 穿孔侧孔径大d 蚀孔一般朝重力侧发展e 大阴极小阳极f 蚀孔多数有腐蚀产物覆盖g 具有诱导期 6 汽蚀 空泡腐蚀 定义 流体和金属构件高速相对运动 在金属表面局部产生涡流并伴有汽泡生成和破灭 当汽泡破灭时产生的强大冲击力和介质对金属的腐蚀联合作用造成金属的损坏 这类腐蚀叫汽蚀 又称空泡腐蚀或空隙腐蚀 6 汽蚀 空泡腐蚀 汽蚀产生过程 a 金属表面膜上生成汽泡 b 汽泡破灭 冲击力使金属产生塑性变形 破坏表面膜 c 裸露金属表面被腐蚀 重新生成保护膜 d 在同一地点重新生成汽泡 e 汽泡再次破裂 膜被再次破坏 f 裸露表面被进一步腐蚀 重新生成保护膜 7 磨蚀 定义 高速流体产生的机械冲刷作用破坏金属表面已形成的保护膜 使新裸露的金属表面加速腐蚀的现象 7 磨蚀 防止磨蚀的措施 a 选择耐磨材料 b 合理设计 避免湍流 涡流 c 降低流速 不超过材料的临界流速 8 微生物腐蚀 定义 微生物的代谢产物粘附或沉积在金属表面上引起的金属腐蚀 叫微生物腐蚀 3 水垢沉积原理 冷却水中溶解有各种盐类 如碳酸盐 碳酸氢盐 硫酸盐 硅酸盐 磷酸盐和氯化物等 它们的一价金属盐的溶解度很大 一般难以从冷却水中结晶析出 但它们的两价金属盐 氯化物除外 的溶解度很小 并且是负的温度系数 随浓度和温度的升高很容易形成难溶性结晶从水中析出 附着在水冷器传热面上成为水垢 如冷却水中的碳酸氢根离子浓度较高 当冷却水经过水冷器的换热面时 受热发生分解 发生如下反应 Ca HCO3 2 CaCO3 H2O CO2 当冷却水通过冷却塔时 溶解于水中的二氧化碳溢出 水的pH值升高 碳酸氢钙在碱性条件下发生如下反应 Ca HCO3 2 2OH CaCO3 2H2O CO32 难溶性碳酸钙可以是无定型碳酸钙 六水碳酸钙 一水碳酸钙 六方碳酸钙 文石和方解石 方解石属三方晶系 是热力学最稳定的碳酸钙晶型 也是各种碳酸钙晶型在水中转变的终态产物 当冷却水中有适量磷酸根离子时 发生如下反应 Ca2 PO43 Ca3 PO4 2 沉积物主要类型 1 难溶盐碳酸盐 磷酸盐 锌盐 硅酸盐 2 腐蚀产物铁的氧化物 铜的氧化物 铝的氧化物 3 悬浮物 4 生物粘泥 影响水垢沉积主要因素 1 水质 2 水温 3 水流速度 4 工艺条件 4 微生物繁殖 微生物的主要特点 1 体积小 新陈代谢旺盛 微米级 2 繁殖快 20 30min一代 3 易变异 种类多 细菌200属 1500余种 真菌500属 10万余种 藻类3万余种 4 数量多 分布广 4 微生物繁殖 微生物生长条件 1 温度 10 55C 2 pH 细菌6 5 8 5 霉菌3 0 6 0 藻类5 5 8 9 3 氧气 4 营养 循环水系统主要危害菌 1 异养菌 2 真菌 3 硫酸盐还原菌 4 铁细菌 1 异养菌 定义 必须要有机物作为碳源才能生长的细菌 通常说的异养菌是指在普通肉汁胨培养基上能够生长的细菌 2 真菌 定义 有细胞壁 不含叶绿素 无根茎叶 以寄生或腐生方式生存 仅少数类群为单细胞 其它都有分枝或不分枝的丝状体 能进行有性或无性繁殖的一类生物 3 硫酸盐还原菌 定义 在厌氧条件下还原硫酸盐生成硫化氢的细菌 4 铁细菌 定义 能氧化铁 沉积铁 包括自养或兼性自养的一类细菌 影响因素 1 温度 2 pH值 3 氧气 4 营养物质 三 怎样解决这些问题 1 添加缓蚀剂抑制腐蚀2 添加阻垢分散剂抑制水垢3 添加杀生剂控制微生物 1 添加缓蚀剂抑制腐蚀 缓蚀剂作用原理 1 形成钝化膜铬酸盐 亚硝酸盐 钼酸盐 2 形成沉积膜磷酸盐 聚磷酸盐 正磷酸盐 有机磷酸盐 锌盐 3 形成吸附膜铜缓剂 有机胺类 1 形成钝化膜 钝化膜 具有氧化作用的某些缓蚀剂 可直接或间接地氧化金属 在表面上形成致密的金属氧化物保护膜 使金属的腐蚀电位向正方向移动 从而抑制金属阳极反应而降低金属的腐蚀速率 2 形成沉积膜 沉积膜 当聚磷酸盐或磷酸盐的负离子与水中一定浓度的两价金属离子作用时 络合形成一个带正电荷的聚磷酸钙络合离子 以胶溶状态存在于水中 当与金属阳极反应生成的亚铁离子在金属表面上作用时 生成以聚磷酸亚铁钙为主要成分的络合离子 依靠腐蚀电流的作用沉积于阴极 形成致密的电沉积膜 阻滞溶解氧向金属表面扩散 从而抑制腐蚀反应速率 3 形成吸附膜 吸附膜 以化学键的形式与金属表面作用形成保护膜 从而抑制金属的腐蚀 缓蚀剂的主要类型 a 磷 膦酸盐b 锌盐c 钼酸盐d 唑类 影响缓蚀剂效果的主要因素 a pH 碱度 b 硬度c 盐类d 浊度e 水温f 流速 阻垢分散剂作用原理 a 螯合增溶b 晶格畸变c 分散d 溶限效应 a 螯合增溶 定义 某些物质可与水中钙镁等成垢金属离子形成稳定的螯合物溶解于水中 从而减少微溶盐达到饱和的可能性 使更多的成垢离子稳定于水中 这个现象称之为螯合增溶 b 晶格畸变 定义 在碳酸钙过饱和溶液中 一旦出现晶核 晶体就会迅速生长 在晶体生长过程中 晶体界面若有螯合物存在 螯合物占据晶体错位处 随晶体继续长大螯合物被镶嵌在晶体中 这种晶体存在弹性应力而不稳定 当环境条件如温度变化时 晶体在弹性应力作用下而碎裂 形成外形不规则的小晶体 这个现象叫晶格畸变 c 分散 定义 吸附分散剂的悬浮颗粒在水中形成双电层 静电作用使颗粒相互排斥 从而避免因颗粒碰撞而长大 使微小粒子稳定于水中的过程叫分散 d 溶限效应 定义 很低的浓度可以使远远大于按化学计量的钙镁等金属离子浓度稳定于水中的现象 在低浓度时 随阻垢剂浓度增加阻垢效果增加 当达到一定浓度后 阻垢效果不再增加或增加幅度大大降低 阻垢分散剂的主要类型 a 低分子阻垢剂b 高分子阻垢分散剂 影响阻垢分散剂的主要因素 a 硬度b 碱度c 铁离子浓度d 水温e 流速 四 水质管理的依据是什么 表2循环水运行考核指标 新水 表3循环水浓缩倍数与节水减排及运行费用的关系 影响浓缩倍数的主要因素 a 水质b 水处理方案c 系统情况d 管理 影响浓缩倍数的主要因素 a 水质 表4水质分类与特性 影响浓缩倍数的主要因素 b 水处理方案 a 自然pH运行 b 加酸运行 c 预处理运行 表11不同氯离子溶液中碳钢的腐蚀 表12SO42 离子浓度对磷系复合剂缓蚀效果的影响 影响复合缓蚀阻垢剂的主要因素 f 铁离子 影响复合缓蚀阻垢剂的主要因素 g 硫化物 表15S2 对碳钢的腐蚀 表16S2 对磷系复合剂缓蚀效果的影响 表17某炼油厂循环水硫化物对设备腐蚀情况 影响复合缓蚀阻垢剂的主要因素 h 浊度 表18浊度对不同类型药剂的腐蚀速率影响 mm a 除第1类药剂浓度为400mg L外 其它类型的药剂浓度均为50mg L 表19不同浊度下药剂的阻垢分散效果 表20几类杀菌剂对8类水处理剂的缓蚀效果影响结果 mm a 表6中1 杀菌剂主要成分是异噻唑啉酮 2 杀菌剂主要成分是聚季铵盐 3 杀菌剂主要成分是洁而灭 4 杀菌剂主要成分是二硫氰基甲烷 5 杀菌剂主要成分是次氯酸盐 表21杀菌剂对药剂阻垢分散效果的影响 杀菌剂1主要成分是异噻唑啉酮 杀菌剂2的主要成分是聚季铵盐 杀菌剂3的主要成分是次氯酸盐 杀菌剂4的主要成分是二硫氰基甲烷 影响浓缩倍数的主要因素 c 系统情况 c 系统情况 浓缩倍数 循环水中某中稳定的物质浓度与该物质在补充水中的浓度比值 常用K表示 即 K CR CM式中CR为循环水中某物质的浓度CM为补充水中某物质的浓度 c 系统情况 蒸发水量 E 在凉水塔经过热质交换后由液态变为气态的水量 E R t2 t1 580式中R为循环水量 单位为m3 ht2为回水温度 单位为0Ct1为给水温度 单位为0C 为季节校正系数 c 系统情况 补充水量 为保持循环水系统运行中一定的水位而补加到循环水系统的水 常用M表示 单位为m3 h 即 M E D B F式中E为蒸发水量 单位为m3 hD为风吹损失量 单位为m3 hB为排污水量 单位为m3 hF为渗漏水量 单位为m3 h c 系统情况 排污水量 B 为保持循环水中某种物质的浓度在给定值而需要排出的循环水量 它与蒸发水量和浓缩倍数的关系如下 B E K 1 c 系统情况 a 系统的封闭性 b 温差 c V R比值 d 收水器效果 e 物料泄漏 影响浓缩倍数的主要因素 d 管理 4 管理 a 严格考核 b 适时监督 c 杜绝跑冒滴漏 d 制止乱排乱补 五 物料泄漏对水处理产生哪些危害 1 促进微生物迅速繁殖2 引起生物粘泥大量滋生3 导致设备严重腐蚀4 加快水垢沉积速度5 严重堵塞隔栅和喷淋头6 水耗 药剂和运行费用增加 五 物料泄漏对水处理产生哪些危害 解决办法 1 加强日常管理 及时堵漏2 增加杀菌力度 控制微生物3 及时清洗和置换4 提高水处理剂浓度5 采用抗污染能力强的配方 六 技术与管理的关系如何 三分药剂七分管理 还是五分药剂五分管理 还是 六 技术与管理的关系如何 技术是关键 管理是保证 两者密不可分 为什么 六 技术与管理的关系如何 技术特性 1 技术的有限性2 技术的发展性3 技术的两面性 六 技术与管理的关系如何 管理的作用 1 导向作用2 服务作用3 规范作用4 监督作用5 强制作用 七 日常管理需要注意哪些问题 1 补充水和循环水水质变化2 关键水冷器的温差变化3 监测换热器的结果4 微生物繁殖与生物粘泥滋生情况5 物料泄漏6 水处理剂的质量与性能7 杀生剂的使用8 水冷器的制造和检修质量 1 补充水和循环水水质变化 1 补充水地下水 硬度和碱度地表水 浊度 COD 菌藻 盐含量回用污水 pH COD BOD 微生物 悬浮物 盐含量 1 补充水和循环水水质变化 2 循环水pH 碱度 硬度 浊度 色度 盐含量 微生物 生物粘泥 泄漏物料 铁离子 硫化物 亚硝酸根 表26正常运行期间分析项目和频率 2