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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，室外气温较高，因此以蒸发散热为主，最炎热的夏季的蒸发散热量可达总热量的90%以上。冬季空气温度较低，接触散热的作用增大，从夏季的10%～20%增加到40%～50%，严寒的天气甚至可增加到70%左右。

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围以避免结垢。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膜。

（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CaCO3的析出。微生物可通过投加杀菌剂来得到控制，一般要氧化性和非氧化性的杀菌剂混合使用。

四.循环冷却水的任务

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围。

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=α（R—B） m3/h

式中α—蒸发损失率，% α=C（T1-T2）% R——系统中循环水量，m3/h B——排污水量，m3/h

E——蒸发水量，m3/h

T1，T2——为循环水冷却水进、出冷却塔的温度，℃

C——损失系数。与季节有关：

夏季（25~30℃）为0.15~0.16

冬季（-15~ -10℃）为0.06~0.08

春秋季（0~10℃）为0.10~0.12

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℃，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/h

D——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。

图3—1循环水系统水量平衡示意图 M=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，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，吸收了空气量的灰尘、泥沙、微生物及其孢子，使系统的污泥增加。冷却塔的光线、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。

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O2 6~10ｍＬ／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，当水的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20ｍg／Ｌ，PH值升高到8时，其临界点浓度为16ｍg ／Ｌ。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。

一般来说，循环冷却水在30℃左右时，溶解氧8~9ｍg／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，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：（1）水中Cl-、SO42-等离子的含量高时，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PO43-、CrO42-、WO42-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-生成难溶的沉淀沉积于金属表面，起到防腐蚀作用。而Ca2+、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10℃，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80℃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4.3~10.0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4~10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CaCO3保护膜，当PH值偏酸性时，则碳刚表面不易形成有保护性的致密的CaCO3垢层，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，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0.6~1m/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的。

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（HCO3）2、Mg（HCO3）2最不稳定，极易分解生成碳酸盐。因此，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（HCO3）2 CaCO3↓+H2O+CO2↑当循环水通过冷却塔，溶解在水中的CO2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（HCO3）2+2OH- CaCO3↓+H2O+CO32-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：

2PO43-+3Ca2+ Ca（PO4）2↓

上述系列反应中生成的CaCO3和Ca3（PO4）2等均属微溶性盐，它们的溶解度比起Ca（HCO3）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，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、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：①系统中的腐蚀产物；②补充水使用凝聚剂后引入的铝盐和铁盐；③使用水处理剂后可能产生的锌盐和磷酸盐污垢；④介质的渗漏，特别是漏油或某些有机物将导致污泥的积聚；⑤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，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CaCO3等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）、膦酸盐（HEDP、ATMP、EDTMP）、磷酸酯（多元醇磷酸酯、单元醇磷酸酯等）、磷羧酸等。

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，把胶体颗粒结成矾花，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Ca2+、Mg2+、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）配制、投加、操作等简单方便；

（6）原料易得，制造简单，价格低廉，易于运输和储备。

十.微生物的危害

微生物是一些细小多为肉眼看不见的生物，在各种水域、空气、土壤中到处都有它们的存在。微生物的种类有细菌、藻类、真菌和原生动物。

1、微生物的生长受下列因素的影响：

（1）温度（对许多微生物来说，20~30℃最适宜）；（2）光照强度（对藻类发生特别重要）；（3）PH值或酸碱度；（4）溶解

氧与溶解硫化物的含量；（5）无机物（SiO2、NO2-N、NH4-N、HCO3-、PO43-、Mn、Fe等）的浓度；（6）有机物（COD或BOD）的浓度；（7）循环水的浓缩倍数。

2、微生物给冷却水系统带来的危害：

微生物在冷却水系统中的大量繁殖，会使冷却水颜色变黑，发生恶臭，污染环境，同时会形成大量粘泥使冷却效果降低，木材变质腐烂。粘泥沉积在换热器，使传热效率迅速降低和水头损失增加，沉积在金属表面的粘泥会引起严重的垢下腐蚀，同时它还隔绝了药剂对金属的作用，使药剂不能发挥应有的缓蚀阻垢效能。所有这些问题导致冷却水系统不能长期安全运转，影响生产，造成严重的经济损失。因此，微生物的危害与水垢、腐蚀对冷却水系统的危害是一样的严重，甚至可以说，三者比较起来控制微生物的危害是首要的。

3、藻类对循环冷却水系统的危害：

（1）冷却塔中是藻类生长的理想环境，它们会在塔壁、水槽中、配水池里繁殖，通过碳的同化作用，借助，使水中的CO2和HCO3-进行光合作用，并吸收碳作营养而放出氧。藻类的大量繁殖，会使水中溶解氧增加，腐蚀性也就随着增大。

（2）许多藻类在其细胞中产生具有恶臭的油类和环醇类，藻类死亡后成为污泥会产生臭味并使水变色。

（3）冷却塔的配水槽和喷嘴上也常因藻类繁殖，堵塞孔口，影响配水的均匀性使塔的冷却效率下降。塔壁上大片藻类脱落也可能造成系统堵塞。

（4）硅藻细胞壁上充满着聚合二氧化硅，将引起硅污垢。