循环冷却水处理技术[1]教学教材

循环冷却水处理技术

第一节 循环冷却水系统

用水来冷却工艺介质的系统称作冷却水系统。冷却水系统通常分为直流冷却水系统和循环冷却水系统两种。

一、直流冷却水系统

在直流冷却水系统中，冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后水就被排放掉，如图1-1所示。因此，它的用水量很大，而排出水的温升却很小，水中各种矿物质和离子含量基本保持不变。这种冷却水系统不需要其它冷却水构筑物，因此投资少、操作简便，但是冷却水操作费用大，而且不符合当前节约使用水资源的要求。这种系统(除了用海水的直流冷却水系统外)在国外已被淘汰，在国内一些中小型老厂仍在采用。随着国内各项节水政策的制定，这些工厂也都在采取措施，积极进行技术改造。

①

②

图1-1 直流冷却水系统

①：冷却水 ②：冷却水泵 ③：冷却工艺介质的热换器 ④：换热后的热水

二、循环冷却水系统

循环冷却水系统又分封闭式和敞开式两种。

1．封闭式循环冷却水系统

封闭式循环冷却水系统又称为密闭式循环冷却水系统。在此系统中，冷却水用过后不是马上排放掉，而是收回再用，循环不止。在循环过程中，冷却水不暴露于空气中，所以水量损失很少。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，用其它冷却介质来进行冷却的，如图1-2所示。这种系统一般用于发电机、内燃机或有特殊要求的单台换热设备。

图1-2 封闭式循环冷却水系统

①：冷却水 ②：冷却水泵 ③：冷却工艺介质的换热器 ④：热水 ⑤：热水泵 ⑥：冷却热水的冷却器 ⑦：冷水

2．敞开式循环冷却水系统

在敞开式循环冷却水系统中，冷却水用过后也不是立即排放掉，而是收回循环使用。水的再冷却是通过冷却塔来进行的，因此，冷却水在循环过程中要与空气接触，部分水在通过冷却塔时还会不断被蒸发损失掉，因而水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。为了维持各种矿物质和离子含量稳定在某一个定值上，必须对系统补充一定量的冷却水，通常称作补充水；并排出一定量的浓缩水，通称排污水，其流程如图1-3所示。

⑾

图1-3 敞开式循环冷却水系统

①补充冷却水；②冷水池；③冷却水泵；④冷却工艺介质的换热器；⑤热水；⑥热水池；⑦热水泵；⑧冷却塔；⑨冷水；⑩排污水；(11)蒸发损失水；(12)空气。

这种敞开式循环冷却水系统，要损失一部分水，但与直流冷却水系统相比，可以节约大量的冷却水，允许的浓缩程度愈高，节约的水量愈可观，且排污水也相应减少。

第二节敞开式循环冷却水处理的重要性

一、敞开式循环冷却水系统产生的问题

冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水的温度升高、水流速度的变化、水的蒸发，各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，会产生比直流系统更为严重的沉积物的附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等问题，它们会威胁和破坏工厂长周期地安全生产，甚至造成经济损失，因此不能掉以轻心，在推广使用敞开式循环冷却水系统时，必须选择一种经济实用的循环冷却水处理方案，使上述问题得到解决或改善。

(一) 沉积物的析出和附着

一般天然水中都溶解有重碳酸盐，这种盐是冷却水发生水垢附着的主要成分。

在直流冷却水系统中，重碳酸盐的浓度较低。在循环冷却水系统中，重碳酸盐的浓度随着蒸发浓缩而增加，当其浓度达到过饱和状态时，或者在经过换热器传热表面使水温升高时，会发生下列反应：

Ca(HCO3)2 = CaCO3↓+ CO2↑+ H2O

冷却水经过冷却塔向下喷淋时，溶解在水中的游离CO2要逸出，这就促使上述反应向右方进行。

CaCO3沉积在换热器传热表面，形成致密的碳酸钙水垢，它的导热性能很差。不同的水垢，其导热系数不同，但一般不超过1.16 w / (m·k)，而钢材的导热系数为45 w / ( m·k)，可见水垢形成必然

会影响换热器的传热效率。

水垢附着的危害，轻者是降低换热器的传热效率，影响产量，严重时，则需停产检修，甚至更换换热器。

(二) 设备腐蚀

循环冷却水系统中，大量的设备是金属制造的换热器。对于碳钢制成的换热器，长期使用循环冷却水会发生腐蚀穿孔，其腐蚀的原因是多种因素造成的。

1．冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀

敞开式循环冷却水系统中，水与空气能充分地接触，因此水中溶解的O2可达饱和状态。当碳钢与溶有O2的冷却水接触时，由于金属表面的不均一性和冷却水的导电性，在碳钢表面会形成许多微电池，微电池的阳极区和阴极区分别发生下列氧化和还原的共轭反应：

在阳极上：Fe = Fe2+ + 2e

在阴极上：1/2 O2 + H2O + 2e = 2OH—

在水中：Fe2+ + 2OH—= Fe (OH)2

3Fe (OH)2O2 2Fe (OH)3

这些反应，促使微电池上的阳极区的金属不断溶解而被腐蚀。

2．有害离子引起的腐蚀

循环冷却水在浓缩过程中，除重碳酸盐浓度随浓缩倍数增长而增加外，其它的盐类，如氯化物、硫酸盐等的浓度也会增加。当Cl—和SO42—离子浓度增高时,会加速碳钢的腐蚀。Cl—和SO42—离子会使金属上保护膜的保护性能降低，尤其是Cl—的离子半径小、穿透性强、容易穿透膜层，置换氧原子形成氯化物，加速阳极过程的进行，使腐蚀加速，所以氯离子是引起点蚀的原因之一。

对于不锈钢制造的换热器，Cl—是引起应力腐蚀的主要原因，因此，冷却水中Cl—离子的含量过高，常使设备上应力集中的部分，如换热器花板上胀管的边缘迅速受到腐蚀破坏。循环冷却水系统中如有不锈钢制的换热器时，一般要求Cl—的含量不超过50mg/L ~ 100mg/L。

3．微生物引起的腐蚀

微生物的滋生也会使金属发生腐蚀。这是由于微生物排出的粘液与无机垢和泥砂杂物等形成的污泥附着在金属表面，形成氧的浓差电池，促使金属腐蚀。此外，在金属表面和沉积物之间缺乏氧，因此一些厌氧菌(主要是硫酸盐还原菌)得以繁殖，当温度为25~30℃时，繁殖更快。它分解水中的硫酸盐，产生H2S，引起碳钢腐蚀，其反应如下：

SO42—+ 8H+ +8e = S2—+ 4H2O + 能量(细菌生存所需)

Fe2+ + S2—= FeS↓

铁细菌是钢铁锈瘤产生的主要原因，它能使Fe2+氧化为Fe3+，释放的能量供细菌生存需要。

Fe2+ 细菌Fe3+ + 能量(细菌生存所需)

上述各种因素对碳钢引起的腐蚀，常使换热器管壁被腐蚀穿孔，形成渗漏，或工艺介质泄漏入冷却水中，损失物料、污染水体；或冷却水渗入工艺介质中，使产品质量受到影响。当被腐蚀穿孔的管子数目不多时，可采取临时堵管的办法，使换热器在减少传热面的情况下继续使用。当穿孔的管子过多时，换热器传热面减少得太多，失去冷却作用，此时只有停产更换。因此，腐蚀与水垢附着一样，危害工厂安全生产，造成经济损失。

(三) 微生物的滋生和粘泥

冷却水中的微生物一般是指细菌和藻类。在新鲜水中，一般来说，细菌和藻类都较少。但在循环水中，由于养分的浓缩，水温的升高和日光照射，给细菌和藻类创造了迅速繁殖的条件。大量的细菌分泌出的粘液像粘合剂一样，能使水中飘浮的灰尘杂质和化学沉淀物等粘附在一起，形成粘糊糊的沉积物粘附在换热器的传热表面上。这种沉积物有人称它为生物粘泥，也有人把它叫做软垢。粘泥积附在传热器管壁上，除了会引起腐蚀外，还会使冷却水的流量减少，从而降低换热器冷却效率，严重时，这些生物粘泥会将管子堵死，迫使停产清洗。

二、敞开式循环冷却水处理的重要性

如前所述，冷却水长期循环使用后，必然会带来沉积物附着、金属腐蚀和微生物滋生这三个问题，而循环冷却水处理就是通过水质处理的办法解决这些问题。这样做法的好处如下：

(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。除计划中的检修外，意外的停产检修事故就会减少，从而在循环冷却水方面为工厂的长期安全生产提供了保证。

(2) 节约水资源

年产30万吨合成氨工厂，如果采用直流冷却水系统，则每小时耗水量达23500M3；如果改为循环冷却水系统，并以1.5倍的浓缩倍数运行，则每小时耗水约为1100M3，如果将浓缩倍数提高到3倍，则每小时耗水量只需550M3。

(3) 减少环境污染

直流冷却水系统直接从水源抽取冷水用于冷却，然后又将温度升高了的热水再排放到水源中去。除了将废热带到水源中形成热污染外，如果对直流冷却水也采用化学药剂处理以消除结垢、腐蚀，那么大量排放的冷却水将向环境中带入很多药剂，对水源产生严重的污染。由于循环冷却水系统可以大大减少冷却污水的排放量。因此，对于排放的少量污水通过精心处理，即可达到所允许的排放标准，甚至作进一步处理后，可收回作系统的补充水用。这样，使循环系统形成闭路循环，不向外界排放污水，也就不会存在污染环境，破坏生态平衡的问题了。

(4) 节约钢材，提高经济效益。

一台换热器是由几十到几百根的金属管子组成，因此一台换热器往往需要成吨的钢材来制作。如果作好了循环冷却水的水质处理工作，就可减少换热器更换的台数，经济效益显著。

第三节循环冷却水系统中常见的微生物

一、微生物的特征

微生物一般是指一些非常微小，肉眼看不见的，必须用显微镜才能观察到其形态、大小的生物。这样微小的生物在自然界无处不有，且种类繁多，从空气、土壤到水中，到处都能生存。它们利用自然界中各种有机物和无机物作养料，迅速繁殖，在几十分钟内就可繁殖一代，如生长条件适宜的话，可以在十几个小时内由一个繁殖到数亿个。

二、冷却水系统中常见的微生物

水源不同，微生物生长的情况也各不相同。如地下井水，微生物就较少，而流经荒滩草原聚集起来的地表水，微生物生长就较多。

在循环冷却水系统中，水的温度和PH 的范围恰好适宜多种微生物的生长。同时，每升水中，微生物的数量和它们生长所需的营养源，如有机物、碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐、铁等，均因循环浓缩而增加。再加上冷却塔、冷水池常年露置室外，阳光充足，因此给微生物的生长提供了良好的条件。这是敞开式循环冷却水系统微生物增多的原因。所以，对循环冷却水系统中微生物的滋生和引起的危害必须给以充分的重视。

工业用水中发生并造成危害的微生物种类很多，表3-1所示为与工业用水关系密切的几种微生物。

表3-1 一般水中常见的微生物 非细胞形态的微生物——病毒

水 蓝 藻

中 藻 类 绿 藻

常 硅 藻

见 球 菌 的 植 物 杆 菌 微 螺 旋 菌 生 细 细 菌 放 线 菌 高 物 胞 铁 细 菌 等 形 菌 类 硫 细 菌 细 态 球衣细菌 菌

的 酵 母 菌

微 真 菌

生 霉 菌

物 肉 足 类

原生动物 鞭 毛 类

动 物 纤 毛 类

轮 虫 严格说来 后生动物 甲 壳 虫 已不属于 线 虫 微生物

低 等 细 菌

水中常见的微生物多数是单细胞的，少数是多细胞的，如部分藻类、高等细菌及霉菌等。

循环冷却水中最常见并能造成危害的微生物，大致有三类，即细菌、真菌和藻类。

(一) 冷却水中常见的细菌

表3-2冷却水系统中常见的细菌及其生长条件

1．好氧性荚膜细菌和芽孢细菌

好氧性荚膜细菌，如气杆菌属、假单孢菌属等在冷却水中能大量生长。这些细菌产生的粘液和芽孢是冷却水系统中形成粘泥(又称软泥)的主要原因。

2．铁细菌

铁细菌，如锈铁细菌属、纤毛铁细菌属和嘉氏铁柄杆菌属等，能使水中的亚铁化合物，如FeCO3氧化成氢氧化铁而沉积下来。它们通过下述反应获得生长所需能量：

4FeCO3 + 6H2O + O2 = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 能量

所分泌出来的氢氧化铁在细菌周围形成大量的棕色粘泥，从而引起管道堵塞，同时它们在铁管管壁上形成锈瘤结节，产生坑蚀。冷却水中有铁细菌繁殖时，常出现浑浊和色度增加，有时PH也发生变化，发出异臭。

3．硫细菌

硫细菌为一种好氧性细菌，它在无氧情况下不能生长，但在氧较多的环境中也不能生长。一般在氧与硫化氢同时存在，且含微量氧的环境中经常能发现。

硫细菌特别是硫杆菌属能把硫、硫化物或者硫代硫酸盐氧化成硫酸。已知在局部区域中，它们能氧化生成相当于10%浓度的硫酸，使PH降到1.0 ~ 1.4，从而对铁管或水泥管产生腐蚀破坏。

H2S + 1/2 O2 = S + H2O