敞开式循环冷却水系统的水质特点分析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：由于冷却水在敞开式循环系统中长时间反复使用，使水质具有以下特点。循环水温达500℃以上，则无CO2存在。在火力发电厂的循环冷却水系统中，循环水处理的主要目的是防止腐蚀、结垢产生，其次是控制微生物生长。为了防止循环冷却水系统的结垢、腐蚀和微生物生长，对于补充水来讲，需要有针对性的进行处理，以满足循环冷却水系统对水质的要求。中水作为循环冷却系统补充水的水质应符合表2-9的标准。

由于水的化学稳定性好，不易分解，比热容大，在常用温度范围内，不会产生明显的膨胀或压缩；另外由于水的沸点较高，在通常使用条件下，在换热器中不致汽化；同时水的来源较广泛，流动性好，易于输送和分配，相对来说价格也较低。目前，在钢铁、冶金工业中用大量的水来冷却高炉、平炉等各种加热炉的炉体；在炼油、化工等生产中用大量的水来冷却半成品和产品；在纺织厂、化纤厂则用大量水来冷却空调系统及冷冻系统。这些工业的冷却水用量平均约占工业用水总量的67%，其中又以石油、化工和钢铁工业为最高。在火力发电厂、热电站使用大量的循环冷却水作为凝汽器冷却水，其中以敞开式循环系统应用居多。由于冷却水在敞开式循环系统中长时间反复使用，使水质具有以下特点。

1.盐类浓缩

当系统排污量P₃很大，即系统在低浓缩倍数下运行时，随着运行时间的延长，指数项的值趋于减小，ρ由ρ₀逐渐下降，并趋于定值（q_Bρ_B/q₂）。当系统排污量很小，系统在高浓缩倍数下运行时，系统中的ρ由ρ₀逐渐升高，并趋于另一个定值（q_Bρ_B/q₂）。由此可见，控制好补充水量和排污水量，理论上能使系统中溶解固体量稳定在某个定值。实际上，循环冷却水系统多在浓缩倍数为2～5甚至更高状态下运行，故系统中溶解固体的含量、水的pH、硬度和碱度等都比补充水的高，水的结垢和腐蚀性增强。

2.二氧化碳散失

天然水中含有钙、镁的碳酸盐和重碳酸盐，两类盐与二氧化碳存在下述平衡关系：

空气中CO₂含量很低，只占0.03%～0.1%。冷却水在冷却塔中与空气充分接触时，水中的CO₂被空气吹脱而逸入空气中。实验表明，无论水中原来所含的及量是多少，水滴在空气中降落1.5～2s后，水中CO₂几乎全部散失，剩余含量只与温度有关。循环水温达500℃以上，则无CO₂存在。

因此，水中钙、镁的重碳酸盐转化为碳酸盐，因碳酸盐的溶解度远小于重碳酸盐，使循环水比补充水更易结垢。由于CO₂的散失，水中酸性物质减小，pH上升。

3.循环水温度上升

循环冷却水的温度在凝汽器内上升后，一方面降低了钙、镁碳酸盐的溶解度，另一方面使碳酸盐平衡关系向右转移，提高了平衡CO₂的需要量，从而加大产生水垢的趋势。相反，循环水在冷却塔内降温后，平衡CO₂的需要量也降低，当需要量低于水中实际的CO₂含量时，水就具有侵蚀性和腐蚀性。因此，在一些进出口温差比较大的循环冷却水系统中，有时出现冷水进口端（低温区）产生腐蚀，热水出口端（高温区）产生结垢的现象。

4.循环水溶解氧量升高

循环水与空气充分接触，水中溶解氧接近平衡浓度。当含氧量饱和的水通过凝汽器后，由于水温升高，氧溶解度下降，在局部溶解氧达到过饱和。冷却水系统金属的腐蚀与溶解氧的含量有密切关系，如图2-23所示，图中将20℃含氧量饱和水的腐蚀率定为1。

由图2-23可见，冷却水的相对腐蚀率随温度升高而增大，至70℃后，因含氧量已相当低，才逐渐减小。溶解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。

图2-23 水中氧的溶解度、腐蚀性与温度的关系

一般规律是在氧低浓度时起到去极化作用，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，这时溶解氧浓度称为临界点值。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有关，当水的pH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为7左右时，溶解氧的临界点浓度为16mg/L。因此，碳钢在中性或微碱性水中时，腐蚀速度先是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反而下降。

5.循环水中杂质增多

循环冷却水的水质在运行过程中会逐渐受到污染。污染因素如下：由补充水带进的悬浮物、溶解性盐类、气体和各种微生物物种；由空气带进的尘土、泥砂及可溶性气体等；由于塔体、水池及填料被侵蚀，剥落下来的杂物；系统内由于结垢、腐蚀、微生物滋长等产生的各种产物等，都会使水质受到不同程度的污染。

6.循环水中微生物滋生

循环水中含有的盐类和其他杂质较高，溶解氧充足，常年水温在10～40℃，而且阳光充足，营养物质丰富，是微生物生长、繁殖的有利环境。许多微生物（细菌、真菌和藻类）在此条件下生长繁殖，在冷却水系统中形成大量黏泥沉淀物附着在管壁或填料上，影响水气分布，降低传热效率，加速金属设备的腐蚀。微生物也会使冷却塔中的木材腐朽。

在敞开式循环冷却水系统中，冷却水与空气接触，溶解空气中的O₂，同时吸入空气中的飞尘、泥粒、微生物等，造成系统内黏泥聚集。部分水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，造成设备腐蚀、结垢等问题。

因此，循环冷却水处理的目的就是防止或减缓凝汽器的结垢、腐蚀和微生物生长等问题的发生。在火力发电厂的循环冷却水系统中，循环水处理的主要目的是防止腐蚀、结垢产生，其次是控制微生物生长。防止腐蚀主要是以选材为主。

为了防止循环冷却水系统的结垢、腐蚀和微生物生长，对于补充水来讲，需要有针对性的进行处理，以满足循环冷却水系统对水质的要求。根据《工业循环冷却水处理设计规范》（GB50050—2007），敞开式系统循环冷却水的水质标准见表2-8。

表2-8 循环水水质指标

续表

注：表中硅酸以SiO₂计，Mg²⁺以CaCO₃计。

中水作为工业循环冷却水补充水的相关标准有两个，《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T19923—2005）和《城镇污水再生利用工程设计规范》（GB50335—2016）。中水作为循环冷却系统补充水的水质应符合表2-9的标准。

表2-9 中水用作冷却水补充水水质指标

冷却用水的水质虽然没有像锅炉用水那样对各种指标进行严格的限制，但为了保证生产稳定，不损坏设备，能长周期运转，对冷却用水水质的要求还是相当高的，主要有以下几点。

（1）水温要尽可能低在同样设备条件下，水温越低日产量越高。例如，化肥厂生产合成氨时，需要将合成塔中的气体进行冷却，冷却水的温度越低，则合成塔的氨产量越高，其相互关系如图2-24所示。

冷却水温度越低，用水量也相应减少。例如，制药厂在生产链霉素时，需要用水去冷却链霉素的浓缩设备和溶剂回收设备。如果水的温度越低，那么用水量也就越少，其相互关系如图2-25所示。

图2-24 水温对氨产量的影响

图2-25 水温对用水量的影响

（2）水的浊度要低水中悬浮物带入冷却水系统，会因流速降低而沉积在换热设备和管道中，影响热交换，严重时会使管道堵塞。此外，浑浊度过高还会加速金属设备的腐蚀。为此，在国外一些大型化肥、化纤、化工等生产系统中对冷却水的浊度要求不得大于2mg/L。

（3）水质不易结垢冷却水在使用过程中，要求在换热设备的传热表面上不易结成水垢，以免影响换热效果，这对工厂安全生产是一个关键。

（4）水质对金属设备不易产生腐蚀冷却水在使用中，要求对金属设备最好不产生腐蚀，如果腐蚀不可避免，则要求腐蚀性越小越好，以免传热设备因腐蚀太快而迅速减少有效传热面积或过早报废。

（5）水质不易滋生菌藻冷却水在使用过程中，要求菌藻等微生物不易滋生繁殖，这样可避免或减少因菌藻繁殖而形成大量的黏泥污垢，过多的黏泥污垢会导致管道堵塞和腐蚀。

敞开式循环冷却水系统的水质特点分析

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