劉 俊

(廣州合成材料研究院有限公司,廣東廣州,510665)

改性塑料生產裝置的中、小型循環冷卻水系統工藝

劉 俊

(廣州合成材料研究院有限公司,廣東廣州,510665)

綜述了改性塑料生產中的中、小型循環冷卻水系統工藝,循環冷卻水水質處理的方法。該工藝使整個系統提高生產效率,延長設備使用壽命,節能降耗。

循環冷卻水;旁流處理;纖維過濾 -控釋投藥工藝;水處理技術

循環冷卻水系統是以水作為冷卻介質,并循環使用的一種冷卻水系統。主要由冷卻設備、水泵和管道組成。冷水流過需要降溫的生產設備 (常稱換熱設備,如換熱器、冷凝器、反應器)后,溫度上升,如果即行排放,冷水只用一次 (稱直流冷卻水系統);使升溫水流過冷卻設備則水溫回降,可用泵送回生產設備再次使用,冷水的用量大大降低,常可節約 95%以上。冷卻水占工業用水量的 70%左右,因此,循環冷卻水系統起了節約大量工業用水的作用。

冷卻設備有敞開式和封閉式之分,因而循環冷卻水系統也分為敞開式和封閉式兩類。敞開式系統的設計和運行較為復雜。

敞開式 冷卻設備有冷卻池和冷卻塔兩類,都主要依靠水的蒸發降低水溫。再者,冷卻塔常用風機促進蒸發,冷卻水常被吹失。故敞開式循環冷卻水系統 (圖 1)必須補給新鮮水。由于蒸發,循環水濃縮,濃縮過程將促進鹽分結垢。補充水有稀釋作用,其流量常根據循環水濃度限值確定。通常補充水量超過蒸發與風吹的損失水量,因此必須排放一些循環水 (稱排污水)以維持水量的平衡。

圖1 敞開式循環冷卻水系統Fig.1 Wide circulation cooling water system

在敞開式系統中,因水流與大氣接觸,灰塵、微生物等進入循環水;此外,二氧化碳的逸散和換熱設備中物料的泄漏,也改變循環水的水質。為此,循環冷卻水常需處理,包括沉積物控制、腐蝕控制和微生物控制。處理方法的確定常與補給水的水量和水質相關,與生產設備的性能也有關。當采用多種藥劑時,要避免藥劑間可能存在的化學反應。

封閉式 封閉式循環冷卻水系統 (圖 2)采用封閉式冷卻設備,循環水在管中流動,管外通常用風散熱。除換熱設備的物料泄漏外,沒有其他因素改變循環水的水質。為了防止在換熱設備中造成鹽垢,有時冷卻水需要軟化。為了防止換熱設備被腐蝕,常加緩蝕劑;采用高濃度、劇毒性緩蝕劑時要注意安全,檢修時排放的冷卻水應妥善處置。

圖 2 封閉式循環冷卻水系統Fig.2 Closed circulating cooling water system

這里介紹用于改性塑料生產裝置的中小型循環水處理系統工藝。

1 旁流處理工藝[1]

1.1 過濾法

過濾是最常用的旁流處理方式 (通稱旁濾),其處理量通常為循環水量的 2%～5%,可以去除水中大部分懸浮固體、粘泥和微生物等[2-3],但不能降低水的硬度和含鹽量,反沖洗時雜質將隨反洗水排出系統。由于反洗水中雜質濃度比排污水高得多,所以系統排出的雜質多而消耗的水量少,即通過旁濾可使排污量顯著降低。

大型循環冷卻水系統一般采用以石英砂或無煙煤為濾料的重力無閥旁濾池,其濾速只能控制在10m/h以下,而冷卻水的懸浮物濃度只能控制在10m g/L以下,過濾及占地面積的增大導致基礎投資較大。

與石英砂相比,纖維濾料具有孔隙率高、孔隙分布合理和比表面積大等特點,采用纖維濾料時濾速可高達 20～85m/h。由于纖維具有柔軟性和可壓縮性,故隨著水流阻力的增大而逐漸被壓縮,使濾料上層受力小、孔隙大,下層受力大、孔隙小,充分體現出纖維濾料納污量大、過濾周期長的特點。纖維濾料過濾器通常需采用氣水反沖,借助氣體的攪動使截留的懸浮物與濾料分離,再隨反洗水排出[4]。纖維過濾器對懸浮物、鐵、錳、微生物粘泥都具有良好的截留作用,其過濾精度高,通常出水濁度 <1NTU。

近幾年來,新型的離子交換纖維濾料過濾器在循環冷卻水旁流處理中的作用正在逐步引起人們的重視,除具有過濾作用外,還可與水中鈣、鎂離子進行離子交換,具有軟化水質的功能[5]。

2 纖維過濾-控釋投藥工藝

纖維過濾與控制釋放水處理劑相結合的工藝流程如圖 3所示。循環冷卻水經射流器加入混凝劑后在管道中混合均勻再進入高效纖維過濾器,在濾床上方的反應區發生微絮凝反應,水中的懸浮物生成絮狀顆粒與微生物粘泥一起被纖維濾料截留、去除,濾后水的濁度 <1NTU。采用這種方法,旁濾水中的正磷酸鹽可被纖維濾料及其所截留的絮狀顆粒物吸附、去除。

圖3 纖維過濾-控釋投藥處理工藝流程Fig.3 Fiber filter-Controlled dosing technology

濾后的旁流冷卻水經加藥罐時,水處理緩蝕阻垢劑按一定速率溶入水中、釋放出具有緩蝕阻垢作用的聚磷酸鹽,可以實現恒速投藥。

該工藝具有流程簡單、布置緊湊、操作方便靈活等特點,可將工業循環冷卻水中的懸浮物、正磷酸鹽和微生物粘泥等有害成分同時去除,同時補充聚磷酸鹽活性成分,達到改善水質,提高緩蝕、阻垢效果的目的。

3 循環冷卻水處理技術

3.1 處理循環冷卻水水質的原因

在循環冷卻水系統中,由于循環冷卻水長時間反復運轉和使用,通過冷卻構筑物的傳熱與物質交換,循環冷卻水與大氣接觸,從而使循環冷卻水具有以下一些明顯的特點[6]:

(1)水中游離及溶解的 CO2大量逸散,當CO2的含量不足以保證重碳酸鹽的平衡時,給水管道和用水設備內就會形成 CaCO3沉淀,引起系統內 CaCO3結垢;

(2)水中所含的溶解性氣體、腐蝕性鹽類與酸類等電解質與金屬接觸時,因為電解質的作用,從金屬表面析出 Fe2+,使設備和管道金屬遭到破壞;

(3)空氣中的污染物如塵土、雜物、可溶性氣體及換熱器物料滲漏等均可進入循環水,致使微生物大量繁殖,加速金屬的腐蝕;

(4)由于補充水帶來或水在循環使用過程中產生的各種微生物、其它有機物及無機懸浮雜質在管道和換熱器表面沉積。

基于以上原因,使循環水水質惡化,給系統帶來結垢腐蝕、污泥和菌藻等問題。所以必須對循環冷卻水進行水質處理。

3.2 循環冷卻水處理技術現狀[7]

3.2.1 水垢的控制

循環水系統中最易生成的水垢是碳酸鈣垢,水垢控制即是防止碳酸鈣的析出,大致有以下幾類方法。

(1)從補充冷卻水中除去成垢的鈣、鎂離子。

在補充水進入循環水系統之前進行軟化處理,除去 Ca2+、M g2+,也就形不成水垢。目前常用的軟化方法有兩種:

一是離子交換樹脂法,該法適于補充水量小的循環水系統間或采用;

二是石灰軟化法,即投加石灰,使 Ca (HCO3)2反應生成 CaCO3沉淀提前析出。該方法成本低,適于原水 (尤其是暫時硬度大的結垢型原水)鈣含量高,補充水量較大的循環冷卻水系統。

(2)加酸或通入 CO2氣體,降低 pH值,穩定重碳酸鹽。

在循環水中加酸 (通常為硫酸)或通入 CO2氣體,降低 pH值,使下列平衡左移,重碳酸鹽處于穩定狀態。

加酸法目前仍有使用,關鍵是控制好加酸量,否則酸量過多會加速設備腐蝕。

通 CO2氣體同樣應注意控制好 pH值,否則循環水通過冷卻塔時,由于 CO2的溢出,CaCO3在塔內結晶,堵塞填料,形成鈣垢轉移現象。該方法在某些化肥廠、化工廠及電廠等有 CO2氣體源的企業仍有推廣使用的價值。

(3)投加阻垢劑。

在循環水中投加阻垢劑,破壞 CaCO3的結晶增長過程,以達到控制水垢形成的目的。目前常用的阻垢劑有聚磷酸鹽、有機多元膦酸、有機磷酸脂、聚丙烯酸鹽等,這也是目前應用最廣的控制水垢的方法。

3.2.2 污垢的控制

控制污垢,可從下面幾個方面努力:

(1)對補充水進行預處理,降低濁度。

(2)做好循環水水質處理。

(3)投加分散劑。可將粘合在一起的泥團雜質等分散成微粒懸浮于水中,隨水流流動而不沉積,從而減少污垢對傳熱的影響,部分懸浮物還可隨排污排出。

(4)增加旁濾設備:如果在系統中增設旁濾設備,控制好旁流量和進、出旁流設備的濁度,就可保持系統長時間運行下的濁度在控制指標內,減少污垢形成。

3.2.3 循環冷卻水系統金屬腐蝕的控制

循環冷卻水系統金屬腐蝕的控制方法常用的主要有以下四種:

(1)添加緩蝕劑。

緩蝕劑是一種用于腐蝕介質中抑制金屬腐蝕的添加劑,它用量少,不會改變腐蝕介質的性質,不需特殊投加設備,也不需對設備表面進行處理。因此,使用緩蝕劑是一種經濟效益較高且適應性較強的金屬防護措施。

在敞開式循環水系統中,常用的緩蝕劑有硅酸鹽、鉬酸鹽、鋅鹽、磷酸鹽、聚磷酸鹽、有機多元膦酸、巰基苯并噻唑 (MBT)、苯并三唑 (BTA)和甲基苯并三唑 (TTA)、硫酸亞鐵等,并且為了減輕環境富營養化的壓力,目前更趨向于使用后面幾種有機膦酸鹽和低磷緩蝕劑。

(2)提高循環水的 pH值。

提高循環水的 pH值,使金屬表面生成氧化性保護膜的傾向增大,易于鈍化,從而有利于控制設備腐蝕。敞開式循環冷卻水系統通常通過在冷卻塔內的曝氣提高 pH值,當水中和空氣中的 CO2達到平衡時,水的pH值為8.5左右。提高循環水的pH值后,不可避免地帶來一些問題:循環水結垢傾向增大;設備腐蝕速度下降,但還不能滿足要求;某些常用緩蝕劑失效。目前可通過添加專門為堿性冷卻水處理開發的復合緩蝕劑來解決,例如:聚磷酸鹽-鋅鹽-膦酸鹽-分散劑、聚磷酸鹽-正磷酸鹽-膦酸鹽-三元共聚物、有機多元膦酸-聚合物分散劑-唑類、多元醇磷酸酯-丙烯酸系聚合物、HEDP-PMA等。這些水處理劑的復合配方可發揮出除垢和防腐的綜合作用,由于協同或增效作用,它比單一藥劑的單一作用效果更顯著,這也是緩蝕劑的發展趨勢。

(3)選用耐蝕材料的換熱器。

例如使用聚丙烯換熱器或石墨改性聚丙烯換熱器,但由于換熱效果差,很少使用。

(4)用防腐涂料涂覆。

通過防腐涂料的屏蔽、緩蝕、陰極保護及 pH緩沖作用來保護設備不受腐蝕。

3.2.4 循環冷卻水系統微生物的控制

循環水系統中微生物引起的腐蝕、粘泥及其生長的控制方法有:設備選用耐蝕材料;控制循環水中的氧含量、pH值、懸浮物和微生物的養料等水質指標;在防腐涂料中添加殺生劑,抑制微生物的生長;采取在冷卻水水池加蓋、冷卻塔的進風口加裝百葉窗等措施,防止陽光照射;設置旁流過濾設備;對補充水進行混凝沉淀預處理以及頗有前途的噬菌體法等。

除上面所列方法之外,目前最有效和最常用的方法則是向循環水中添加殺生劑。殺生劑的種類很多,氧化性殺生劑有:氯、次氯酸鹽、氯化異氰尿酸、二氧化氯、臭氧、溴及溴化物等;非氧化性殺生劑有氯酚類、有機錫化物、季銨鹽、有機胺類、有機硫化物、銅鹽及異噻唑啉銅等。

4 結語

改性塑料生產裝置中的中、小型循環冷卻水系統可以采用過濾法或纖維過濾-控釋投藥工藝。建議采用纖維過濾-控釋投藥工藝,能去除懸浮物、降低濁度、同時實現自動投藥。這套工藝的應用將提高生產效率,延長設備的使用壽命,改善改性塑料產品的質量。

[1]高華生,俞建德,姬躍國.工業循環冷卻水旁流處理工藝及設備[J].中國給水排水,2002, 10:20-23.

[2]任世軍.循環冷卻水旁流過濾處理技術引進與應用 [J].山西電力技術,1996,16(6): 10-13.

[3]洪軍.循環冷卻水處理系統中旁流處理量的確定[J].中國給水排水,1996,12(3):37-39.

[4]耿土鎖,袁嗣兵.循環冷卻水處理的新方法研究 [J].環境科學與技術,1997,77(2): 28-47.

[5]朱世平,符若文,陸耘,等.功能纖維在循環冷卻水系統中防垢的研究.中山大學學報(自然科學版),1996,35(1):64-68.

[6]劉鈺疇.淺議循環冷卻水水質處理[J].有色冶金設計與研究,2003,23(U 10):66-68.

[7]張旻,藍蘭,曲興國.循環冷卻水處理“趨零”排放——從循環水中要效益[J].一重技術,2005,6:51-53.

The Technology of Small&Medium-sized Circulating Cooling Water System in Modified Plastics Production Equipment

LIU Jun
(Guangzhou Research Institute Co.Ltd.of Synthetic Materials,Guangzhou 510665,Guangdong,China)

This thesis summarized the treatment technology of small&medium-sized circulating coo ling water system in modified plastics production equipment,the treatment method of circulating cooling water.This technology promotes the heat transfer efficiency of thew hole system,prolongs the service life of the equipment,saves energy and lowers the consumption.

circulating cooling water;side stream treatment;Fiber filter-Controlled dosing technology;water treatment technology

TU 992.03

2010-07-11