循环冷却水处理新工艺研究

1 试验设备和材料

1.1 主要装置
　　蒸气发生炉(换热器)；聚氯乙烯材料的冷却塔和贮水池；FZM型不锈钢水泵；LIB型转子流量计；C6-46-3C型排尘风机；0.4 T的磁力阻垢器；臭氧发生器。
1.2 试验仪器
　　723分光光度计；DDS型电导率测定仪；pH3-3C型酸度计；HG-3型火焰分光光度计。
1.3 试验材料
　　试验管：Ø 10mm×1mm碳钢管，外壁镀铬；
　　试片：50mm×25mm×2mm，A3钢。

2 试验方案及结果

　　工艺流程简图见图1。

2.1 试验方案
　　试验分A、B两个系统。
　　A系统：用200mg/L的Na2MoO4进行预膜，同时在贮水池中投加臭氧，保持剩余臭氧浓度为0.03～0.10mg/L，5d后将预膜剂换作冷却水。磁力阻垢器安装在换热器前的管路上。
　　B系统：用20mg/L的Na₂MoO₄进行预膜，臭氧投加方式为间歇式，每2d投加一次，每次60min，其它同系统A。
2.2 试验结果
2.2.1 水质分析
　　试验过程中每天定时取水样进行常规分析，其中SO₄^2-、Cl^-每周做两次分析，结果见表1。试验用水为北京某石化公司生产用水。

表1  运行过程水质分析

系统	总硬度*（mg/L）	总碱度*（mg/L）	Ca2+硬度*（mg/L）	pH	电导率（μs/m）	SO42-（mg/L）	Cl-（mg/L）	K+（mg/L）	浓缩倍数**
系统A	209.24～428.36	126.89～336.24	107.67～212.97	8.44～8.78	330～1450	60.20～155.23	15.03～110.18	3.6～7.2	1.7～3.4
系统B	170.69～429.15	106.17～152.78	96.01～178.79	8.35～8.70	245～1100	40.75～150.73	16.50～105.63	3.4～7.2	1.6～3.4
补充水	159.89～309.92	182.86～295.21	138.68～231.54	7.66～7.80	415～800	34.07～68.15	15.70～59.31	2.1～2.2
注 *以CaCO3  **以K+浓度计

2.2.2 污垢热阻测定
　　本试验的试前准备、开车、正常运转、停车及试后处理均按中石化总公司生产部执行的方法进行，试验过程中及时记录有关数据。污垢热阻测定按文献^［3］进行，结果见表2。

表2  试验管污垢热阻

系统	试件	清洁管热阻R1（m2.K/W）	极限污垢热阻R2
A	1	2.63×10-4	1.11×10-4
A	2	2.86×10-4	1.12×10-4
B	3	2.74×10-4	1.12×10-4
B	4	2.76×10-4	1.12×10-4

 

表3  试验管结垢情况

系统	试件	管长（cm）	G2（g)	G3(g)	污垢沉积率mcm[mg/(cm.月）]
A	1	44.95	101.2722	99.1348	27.01
A	2	45.08	1102.2113	100.0110	27.76
B	3	45.15	97.6626	95.2620	30.32
B	4	45.00	103.4115	100.8001	32.82

表4  试验管腐蚀情况

系统	试件	G2（g)	G3(g)	腐蚀速率F[mg/(dm2.d)]
A	1	99.2356	99.1348	3.73
A	2	100.1418	100.0110	4.84
B	3	95.4716	95.2620	7.74
B	4	101.2700	100.8001	10.80

2.2.3 结垢和腐蚀情况
　　系统运行21d后停车，试验管按GB5776方法进行处理，并按下式计算污垢沉积率和腐蚀速率，结果见表3、表4。

　　　mcm=(G₂-G₃/AT)×30

　　　F=[(G1-G3)/AT]×2.4×10⁶

　　式中　　mcm--污垢月沉积率，mg/(cm²·月)
　　　　　A--粘附面积，cm²
　　　　　T--试验时间,d
　　　　　F--腐蚀速率，mg/(dm²·d)
　　　　　G₁--试验管试前质量，g
　　　　　G₂--试验管除垢前质量，g
　　　　　G₃--试验管除垢后质量，g

2.2.4 挂片的腐蚀情况
　　系统开始运行后在两个系统的贮水池中各挂一组试片，此时试片可看作预膜片。在停止加药后再挂一组试片。试验结束后取出处理，计算腐蚀速率，结果见表5。

表5  挂片的腐蚀情况

系统	试片	预膜情况	试验周期（h）	初重(g)	试后重（g）	腐蚀速率F[mg/(dm2.d）]
A	1	预膜	495	23.3127	21.2782	4.14
A	2	预膜	495	21.1556	21.1320	4.18
A	3	不预膜	310	20.9813	20.9593	6.04
A	4	不预膜	310	20.7913	20.7716	5.41
B	5	预膜	495	20.5827	20.5003	13.37
B	6	预膜	495	19.9484	19.8634	14.45

3 讨论

　　① 按照中国石化总公司执行的标准^［3］对试验结果进行评价，A系统试验管和预膜试片的腐蚀速率均达到“好”等级，未预膜试片处于“好”的等级。B系统试验管腐蚀速率达到“好”的等级，预膜试片在“可以允许”范围，所以本试验方案对腐蚀的控制是成功的。A系统比B系统缓蚀率更高，原因在于A系统预膜剂浓度更高，且连续投加臭氧，A系统未预膜片腐蚀速率比B系统更低也证实了这一点。
　　② 两个系统由于采用臭氧杀菌，所以管路比较清洁，生物污垢减少(可从流量计观察)，而A系统由于连续投加臭氧，几乎不产生生物粘泥。这说明臭氧有效地控制了微生物繁殖，大幅度减少了粘附和垢下腐蚀作用。
　　③ 两个系统极限污垢热阻均达到"好"的等级，说明磁化作用使得垢层疏松，传热效率降低幅度较小。与以前所做空白试验^[4]相比，阻垢率为70%～80%。粘附速率接近允许值，偏高的原因之一是计算时未扣除膜层的质量，另外水的硬度、离子强度、磁场强度等会影响磁化效果。据称水的硬度大于350 mg/L时处理效果稍差^[5]。

4 推荐工艺

　　预膜是为了防腐，磁化的主要作用是防垢，而臭氧的杀菌作用最出色，三者可以发挥协同作用。本工艺将三者结合起来，为循环冷却水处理探索了一条新的途径，而且基本上是一种“绿色”工艺。其特点是：①同时杀菌、缓蚀、阻垢，处理效果好；②排污无污染，符合环保要求，社会效益好；③一次投资，长期受益，经济效益好。
　　根据A、B两个系统的试验结果，建议在试验水质条件下，预膜剂浓度20mg/L，磁感应强度不小于0.4T，臭氧采用连续投加为好，为节能也可间歇投加，使其主要发挥杀菌作用。剩余臭氧浓度约0.05mg/L，其它参数：浓缩倍数3.0左右，流量Q=180L/h,Re>4000，换热器热负荷q≤17.5W/m²，循环比1/4～1/5。实际应用时，尚需根据具体情况确定运行参数。

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