循环冷却水基础知识

1、循 环 冷 却 水 基 础 知 识一.循环水工作原理因循环水生产的工艺特点决定，水在循环使用的过程中，会出现水温升高、水体平衡 破坏以及结垢、腐蚀、微生物危害等问题。因此循环水处理需解决两方面的问题：a.要使已升高的水温降低，以保持较好的冷却效果 -称之为循环水冷却。b.要防止因水体平衡破坏和系统特点导致的结垢物沉淀、水质腐蚀及微生物繁殖的危 害，以保持整个循环水系统正常运行，针对这方面进行的水质处理称为循环水处理。二.循环水冷却原理：本装置采用的是敞开式循环冷却水系统，水的冷却主要在冷却塔内完成。循环水 经过换热设备升温后返回至冷却塔与空气直接接触，在蒸发散热、接触散热和辐射散 热三个过程的

2、共同作用下得到冷却。(1)蒸发散热水在冷却设备中形成大小水滴或极薄的水膜，扩大其与空气的接触面积和延长接 触时间，使部分水蒸发，水汽从水中带走汽化所需的热量，从而使水冷却。(2)接触传热水与空气对流接触时，如果空气的温度低于水的温度，则水中的热量会直接传给 空气，使空气温度升高，水温降低。二者温差越大，传热效果越好。(3)辐射传热辐射传热不需要传热介质的作用，而是由一种电磁波的形式来传播热能的现象。辐射传热只是在大面积的冷却池内才起作用。在冷却塔的传热中，辐射散热可以忽略 不计。这三种散热过程在水冷却中所起的作用，随空气的物理性质不同而异。春、夏、 秋三季内，室外气温较高，因此以蒸发散热为主，

3、最炎热的夏季的蒸发散热量可达总 热量的90犯上。冬季空气温度较低，接触散热的作用增大，从夏季的10%-20%曾加到40%-50%严寒的天气甚至可增加到 70%E右。冷却塔一般由通风筒、配水系统、淋水装置、通风设备、收水器和集水池组成， 其中淋水装置也称填料，是冷却设备中的一个关键部分，其作用是将需要冷却的热水 多次溅散成水滴或形成水膜，以增加水和空气的热交换。冷却塔中水的冷却过程主要 是在淋水装置中进行的。三.循环水处理基本概念循环水处理是用物理的或化学的方法使循环水即不产生结垢，也不发生腐蚀，同时 去除循环水中悬浮杂质，杀灭循环水中微生物的过程。(1)阻垢处理针对水垢形成的原因，在循环水处理

4、工艺中，一方面通过排污或补加低硬度水降低 成垢离子的浓度，使其保持在允许的浓度范围内以避免结垢。另一方面，通过投加阻 垢剂，破坏结垢离子的结晶长大而达到阻垢的目的。(2)缓蚀处理在循环水系统中，主要是通过加缓蚀剂在金属表面形成一层致密的保护膜以阻止电 化学反应发生的方法来控制腐蚀，系统开工初期都要投加高浓度的缓蚀剂进行预膜，正常运行后按要求连续投加进行补股。(3)悬浮物、浊度、微生物的控制循环水中悬浮物、浊度等可通过旁滤处理进行去除，同时利用阻垢剂来提高极限碳 酸盐硬度，限制循环水中的CaCO勺析出。微生物可通过投加杀菌剂来得到控制，一般 要求是氧化性和非氧化性的杀菌剂混合使用。四.循环冷却水

5、的任务循环水装置的主要任务是供全厂系统生产冷却用水。将自来水公司提供的新鲜水补充 入循环水池后，用循环水泵加压送合成，尿素等系统做为冷却水，为搞好安全生产，降低 系统腐蚀，结垢在最低程度，使用换热器的换热效果达到最佳状态，必须控制循环水质在 工艺指标范围内。五.冷却水平衡冷却水在循环过程中水量的损失共有四部分水量损失：(1)蒸发水量E:冷却过程中，从冷却水中蒸发逸入大气的水蒸汽量可由下式计算：E= a (R B) m3/h式中a一蒸发损失率，a=C (T1-T2) %R 系统中循环水量，nm/h B 排污水量，nVhE 蒸发水量，m/hTi, T2为循环水冷却水进、出冷却塔的温度，C损失系数。

6、与季节有关:夏季(2530C)为 0.150.16冬季(-15-10 C) 为 0.060.08春秋季(01OC) 为 0.100.12蒸发水量E在实际应用中的粗略计算是以冷却塔进、出水温差5.5 C, E取总循环水量的1%(2)风吹损失水量D由于空气流，被空气带走部分水滴。对于强制通风冷却塔，风吹损失D为总循环水量的0.1%。(3)排污水量B为了控制冷却水循环过程中因蒸发损失而引起的浓缩过程，必须人为地排掉的水量。B=E/(N-1) -D式中 B排污水量，m3/hD风吹损失量，m3/h ;N浓缩倍数。(4)渗漏损失F在管道和储水系统中因渗漏而损失的水量。在敞开式循环冷却水系统，为维持系统的水

7、量平衡，补充水量M应是蒸发水量E、风吹损失水量D排污水量B和渗漏损失F各项水量损失之和，如下图3 1所示。I E I ID一,一一一匚m图3 一 楣环水:大统水里平枷小思图 1BM=E+D+B+F(5)浓缩倍数的计算浓缩倍数的含义是以循环水的含盐量与补充含盐量之比，是微量水稳剂配方与生 产经济运行的重要指标。六.冷却水水质处理原理冷却水在循环使用过程中，水在冷却塔内和空气充分接触，使水中的溶解氧得到补充, 所以循环水中溶解氧总是饱和的。水中溶解氧是造成金属电化学腐蚀的主要原因，这是冷 却水循环使用后易带来的问题之一。水在冷却塔中蒸发，使循环水中含盐量逐渐增加，加上水中二氧化碳在塔中解析逸散，

8、使水中碳酸钙在传热面上结垢析出的倾向增加，这是问题之二。冷却水和空气接触，吸收了空气中大量的灰尘、泥沙、微生物及其抱子，使系统的污 泥增加。冷却塔内的光线、适宜的温度、充足的氧和养分都有利于细菌和藻类的生长，从 而使系统粘泥增加，在换热器内沉积下来，造成了粘泥的危害，这是水循环使用后易带来 的问题之三。循环水及补充水的水质中各种的杂质的最高最低允许含量，下表可提供参考杂质名称最高最低允许含量过量时的危害含盐量（以电导率计）投加缓蚀阻垢剂时，一般不宜3000 S/cm腐蚀或结垢ca+(以CaC加)根据CaCOS和指数和磷酸钙饱和指数进行控制：一M循环水中要求毋00哗/L, >75mg/L;

9、全有机系统150mg/L使用多元醇和木质素磺酸盐分散剂时01000mg/L结垢Mg+(以CaC皿)Mg+ (mg/L) XSiQ (mg/L) <15000产生类似蛇纹石组成、粘性很强的污垢铁和钻（总铁量）补充水中（特别在预膜时）<0.2 mg/L 0.5 mg/L催化结晶过程，本身可成为 粘性很强的污垢，导致局部腐 蚀铜离了补充水中00.1 mg/L （碳刚设备）补充水中040用/L （铝材）产生点腐蚀，导致局部腐蚀铝离子补充水中01 mg/L3 mg/L起粘结作用，促进污泥沉积总碱度（以CaC加）根据CaCOS和指数进行控 制一般不宜超过500nig/L ,磷系需50nig/L

10、,全有机系需100mg/L一情况TF要求COY 5 mg/L、HCOc 15g200mg/L （低PH系统）HC3X300500mg/L （高效分散剂的系统）结垢CL在使用/、锈钢较多的系统中要求0 300nig/L碳刚设备系统中01000mg/L强烈促进腐蚀反应，加速" 部腐蚀，主要是隙缝腐蚀、点 蚀和应力腐蚀开裂SO2-SO2+ CL < 1500m g/LCa+ (mg/L) XS(2-4 (mg/L)(都以 CaC创)<150000PO3-根据磷酸钙饱和指数进行控引起磷酸三钙沉淀，在高温制下会缓慢转化成羟基磷灰石浊度（悬浮物）一般要求020mg/L ,使用板式、翅

11、片式和螺旋式换热器官 10 mg/L污泥沉积SiO2（以SiQ计）W175mg/L, Mg （mg/L,以CaCM） xSiO（mg/L,以 SiO计）15000污泥沉积、硅垢油应05 mg/L污泥沉积细菌总数（异养菌数）循环水中总菌数5X 105个 m/l污泥中的总菌数 10X 105个 m/l微生物繁殖七.腐蚀及影响因素由于和周围介质相互作用，使材质（通常是金属）遭受破坏或是材料性能恶化的过程称之 为腐蚀。1、水中溶解氧对腐蚀的影响：在冷却水中有较丰富的溶解氧，在通常情况下，水中含 Q 610mL/L。氧对钢铁的 腐蚀有两个相反的作用：（1）参加阴极反应，加速腐蚀；（2）在金属表面形成氧化

12、物膜，抑制腐蚀。一般规律是在氧低浓度时起去极化作用，加速腐蚀，随着氧浓度的增加腐蚀速度也增 加。但达到一定值后，腐蚀速度开始下降，这时的溶解氧浓度称之为临界点值。腐蚀速度减小的原因是由于氧使碳钢表面生成氧化膜所致。溶解氧的临界点值与水的PH值有关，当水白PH值为6时，一般不会形成氧化膜。所以溶解氧越多，腐蚀越快。当水的PH值为7左右时，溶解氧的临界点浓度为 20m g/L, PH值升高到8时，其临界点浓度为16m g/ Lo因此，碳钢在中性或微碱性水中时，腐蚀速度起先随溶解氧的浓度增加而增加，但过 了临界点，腐蚀速度随溶解氧的浓度升高而降低，这也是碳刚在碱性水中腐蚀速度比在酸 性水中要低的原因

13、。一般来说，循环冷却水在30c左右时，溶解氧89mg/L,往往不会超过临界点值， 所以溶解氧常是加速腐蚀的主要因素。在热交换器中，当水不能充满整个热交换器时在水 线附近特别容易发生水线腐蚀，这是因为在热交换器中，水温升高，溶解氧逸到上部空间， 在水线附近产生氧的浓差电池，导致加速这种局部腐蚀。2、水中溶解盐类的浓度对腐蚀的影响：水中溶解盐类的浓度对腐蚀的影响，综合起来有以下三个方面：(1)水中溶解盐类的浓度很高时，将使水的导电性增大，容易发生电化学作用，增大 腐蚀电流使腐蚀增加。(2)影响Fe (OH 2的胶体状沉淀物的稳定度，使保护膜质量变差，增大腐蚀。(3)可使氧的溶解度下降，阴极过程减弱

14、，腐蚀速度变小。上面综合作用的结果，一般来说是使腐蚀增加。关于水中不同离子与腐蚀的关系，一般有以下原则性认识:2(1)水中Cl、SO等离子的含量图时，会增加水的腐蚀性。Cl不仅对不锈钢容易造成应力腐蚀，而且还容易破坏金属上的氧化膜，因此，Cl-也是使碳刚产生点蚀的主要原因。(2)水中的PO3-、CrO2-、WO-等离子能钝化钢铁或生成难溶沉淀物覆盖金属表面，起 到抑制腐蚀的作用。(3) Ca2 Zn2+、Fe2+等离子由于能与阴极产物 OH&成难溶的沉淀沉积于金属表面，起 到防腐蚀作用。而Cl、Fe2+等具有氧化性的阳离子，由于能促进阴极去极化作用，因而是 有害的。3、水的温度对腐蚀的

15、影响：象大多数化学反应一样，腐蚀的速率随水温的升高而成比例地增加。一般情况下，水 温每升高10C,钢铁的腐蚀速率约增加30%这是由于当温度升高时：(1)氧扩散系数增 大，使得溶解氧更容易达到阴极表面而发生去极化作用；(2)溶液电导增加，腐蚀电流增大；(3)水的粘度减小，有利于阳极和阴极反应的去极化作用。所有这些将使腐蚀速度加 大。但是另一方面，水温度的提高可使水中溶解氧浓度减小。因此，以上多方面的因素对 实际装置表现也不一样。在开放系统中，起先随温度的上升腐蚀率变大，到80c时，腐蚀率最大。以后即随温度的升高而急剧下降，这是因为温度升高所引起的反应速率的增大不如溶解氧浓度减小所 引起的反应速率

16、的下降来得大。 冷却水中如含有侵蚀性离子 Cl-时，则随温度增加对奥氏体 不锈钢的腐蚀性急剧增大，应力腐蚀开裂的可能性大大增加。4、水的PH值对腐蚀的影响：在自然界，正常温度下，水的 PH值一般在4.310.0之间，碳刚在这样的水溶液中， 它的表面常常形成Fe (OH 2覆盖膜。此时碳钢腐蚀速度主要决定于氧的扩散速度而几乎与PH值无关，在PH值为410之间，腐蚀率几乎是不变的。PH在10以上时，铁表面被钝化， 腐蚀速度继续下降。当PH低于4.0时，铁表面保护膜被溶解，水中H+离子浓度因而发生析 氢反应腐蚀速度将急剧增加。实际上，由于水中钙硬的存在，碳钢表面常有一层CaCO护膜，当PH值偏酸性时

17、，则碳刚表面不易形成有保护性的致密的 CaCO©层，故PH值低时，其腐蚀率要比PH值偏碱 性时高些。5、水流速度对腐蚀的影响碳钢在冷却水中被腐蚀的主要原因是氧的去极化作用，而决定腐蚀速度的又与氧的扩 散速度有关。流速的增加使金属壁和介质接触面的层流层变薄而有利于溶解氧扩散到金属 表面。同时流速较大时，可冲去沉积在金属表面的腐蚀、结垢等生成物，使溶解氧更易向 金属表面扩散，导致腐蚀加速，所以碳刚的腐蚀速度是随水流速度的升高而加大。随着流 速进一步的升高，腐蚀速度会降低，这是因流速过大，向金属表面提供氧量已达到足使金 属表面形成氧化膜，起到缓蚀的作用。如果水流速度继续增加，则会破坏氧化膜

18、，使腐蚀 速度再次增大。当流速很高时（大于 20m/s）,腐蚀类型将转变为以破坏为主的冲蚀。一般来说，水流速度在0.61m/s时，腐蚀速度最小。当然水流速度的选择不能只从腐 蚀角度出发，还要考虑到传热的要求，流速过低会使传热效率降低和出现沉积，故水走管 程的换热器的冷却水流速不宜小于 0.9m/s。水走壳程时，流速无法达到上述要求，故宜尽 量避免采用壳程换热器。如工艺必须采用壳程时，流速不应小于 0.3m/s。当条件限制不能 达到上述流速时，应采取防腐涂层、反向冲洗等措施。八.防腐、添加缓蚀剂原理缓蚀剂又叫腐蚀抑制剂。凡是添加到腐蚀介质中能干扰腐蚀电化学作用，阻止或降低 金属腐蚀速度的一类物质

19、都称为缓蚀剂。其作用均是通过金属表面上形成保护膜来防腐蚀缓蚀剂种类很多，通常有以下三种方法：(1)、按药剂的化学组成分，可分为无机缓蚀剂和有机缓蚀剂两大类。(2)、按药剂对电化学腐蚀过程的作用不同来分，可分阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂以及阴 阳极缓蚀剂三种。(3)、按药剂在金属表面形成各种不同的膜来分，则可分氧化膜型、沉淀膜型、和吸附 膜型。九.结垢原理1 、冷却水系统中的水垢和污垢形成的原因在循环水系统中，水垢是由过饱和的水溶性组分形成的。水中溶解有各种盐类，如重碳酸盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等，其中以溶解的重碳酸盐如Ca (HCQ 2、Mg(HCQ 2最不稳定，极易分解生成碳酸盐。因此，

20、当冷却水中溶解的重碳酸盐较多时，水流通过换热器表面，特别是温度较高的表面，就会受热分解，其反应如下：Ca (HC。2 CaCO 3, +HO+C6当循环水通过冷却塔，溶解在水中的 CO会逸出，水中的PH值升高，此时，重碳酸盐 在碱性条件下也会发生如下的反应：Ca (HCQ 2+2OH-PaCO 3； +HO+CO如水中溶有适量的磷酸盐与钙离子时，也将产生磷酸钙的沉淀:2PO3-+3Ca2Ca （PO） 2；上述系列反应中生成的CaCOf口 Ca （PO） 2等均属微溶性盐，它们的溶解度比起 Ca （ HCO 2来要小得多。同时，它们的溶解度与一般的盐类还不同，其溶解度不是随着温度的升高而 加大

21、，而是随着温度的升高而降低。因此，在换热器传热表面上，这些微溶性盐很容易达 到过饱和状态而从水中结晶析出，尤其当水流速度小或传热面较粗糙时，这些结晶沉淀物 就会沉积在传热表面上，形成了通常所称的水垢。由于这些水垢结晶致密，比较坚硬，又 称为硬垢。常见的水垢组成为：碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、镁盐、硅酸盐。污垢是包括水垢在内的固形物的集合体。常见的污垢有：（1）泥渣及粉尘；（2）沙粒;（3）腐蚀产物；（4）天然有机物；（5）微生物群体；（6） 一般碎屑；（7）氧化铝；（8）磷 酸铝；（9）磷酸铁。冷却水中的污垢来自几个方面：（1）来自补充水的污垢冷却水系统补充水中难溶或微溶盐类易于生成碳酸钙、硫酸钙

22、、硅酸钙和硅酸镁水垢。此外，各种悬浮物、沙子、淤泥、粘土、微生物、甚至油都可以带入系统。（2）来自空气的污垢随空气带入敞开式冷却水系统中的污泥、沙子、粘泥、粘土和微生物系统中产生沉积 物，空气中的氨和硫化氢的引入会导致系统中铜及铜合金、碳刚设备的腐蚀，腐蚀产物的 沉积又形成污垢。（3）来自系统本身的污垢由系统本身产生的污垢主要有：系统中的腐蚀产物；补充水使用凝聚剂后引入的 铝盐和铁盐；使用水处理剂后可能产生的锌盐和磷酸盐污垢；介质的渗漏，特别是漏 油或某些有机物将导致污泥的积聚；系统中微生物繁殖所形成的粘泥。2、防止结水垢的方法一般采用以下几种办法：(1)根据所选用的处理方案和浓缩倍数的要求，

23、控制成垢物质进入冷却水中的量，把 补充水软化到一定程度，控制水中钙离子的含量；(2)在循环水中加酸或二氧化碳降低 PH值，以控制碳酸根离子；(3)使用阻垢剂破坏CaCO?盐类的结晶增长过程，达到控制水垢形成的目的。3、阻垢剂及其阻垢机理、选择原则凡能控制产生泥垢和水垢的药剂称之为阻垢剂。采用的阻垢剂有合成聚合物(聚丙烯 酸、聚甲基丙烯酸、聚马来酸及丙烯酸、马来酸的共聚物)；无机聚合物(三聚磷酸钠、六 偏磷酸钠等)、瞬酸盐(HEDP ATMP EDTMH磷酸酯(多元醇磷酸酯、单元醇磷酸酯等) 磷竣酸等。阻垢剂的机理可以分为下列三种类型：(1)用阴离子型或非离子型的聚合物把胶体颗粒包围起来，使它们稳定在分散状态， 这类药剂称为分散剂。(2)把金属离子变成一种螯合离子或络合离子，这就抑制了它们和阴离子结合产生沉 淀物，这类药剂称为螯合剂和络合剂。(3)利用高分子混凝剂的凝聚架桥作用，把胶体颗粒结成矶花，悬浮在水中，当流经 旁滤池或排污被除去。选择阻垢剂应注意下列几点：(1)阻垢效果好，在水中含 Cf、Mg、SiO32-等量较大时仍有较好的阻垢效果；(2)化学稳定性好，在高浓缩倍数和高温情况下，以及与缓蚀剂、杀生剂并用时，阻 垢效果也不明显下降；(3)与缓蚀剂、杀生剂并用时，不得影响缓蚀效果和杀菌灭藻效果；(4)无毒或低毒，容易被生物降解；(5