浅谈循环冷却水系统水处理技术及运行管理

摘要：本文了介绍了循环水系统，阐述了循环水的冷却原理、冷却设备主要构件和功能；介绍了循环水水处理技术的应用及运行管理经验。

关键词：循环冷却水；凉水塔；水处理；清洗预膜

中图分类号：TV文献标识码： A

1引言

由于水具有很常见、比热容大、流动性好等特点，被广泛用为冷却介质。随着工业生产的发展，工业用水量越来越大，很多地区已经出现供水不足的现象，因此合理和节约用水已经成为发展工业生产中的一个重要问题。工业用水主要包括锅炉用水、工艺用水、冷却用水、厂区生活用水等，而其中用水量最大的是冷却用水，所以加强循环冷却水的技术应用及运行管理是非常有必要的。

2循环冷却水系统

循环冷却水系统，以水为冷却介质，以冷却设备、水泵和管道为主要组成，来实现生产设备的热量转移及工业用水的循环使用。循环冷却水流经换热器、冷凝器、反应器等生产设备后，温度上升，后通过冷却设备，水温回降，再由机泵送回生产设备，如此往复运转。其间，冷却水在流经生产设备及管道时，会产生结垢、腐蚀、微生物滋生等问题；而冷却设备在带走热量的同时也会带走部分水分，造成水损失。解决这些问题，是循环水处理工作的目的。

2.1循环冷却水系统分类

根据生产工艺要求、水冷却方式和循环水的散热形式，循环冷却水系统又可分为密闭式循环冷却水系统和敞开式循环冷却水系统。

2.1.1密闭式循环冷却水系统的水在移走换热设备的热量以后，密闭循环回用。

在此系统中，循环水不与大气接触，处于密闭循环状态，循环水的损耗很少，如果选用密封性能很好的水泵，可以做到基本上不消耗水。但是，由于这种循环冷却水系统所需费用较高，故一般只适用于被冷却装置散热量较小、所要求的工作安全可靠度大或具有特殊要求的工业生产系统。

2.1.2敞开式循环冷却水系统的水经由冷却设备与空气直接接触冷却后，再循环使用。

在敞开式循环冷却水系统中，一方面循环水带走物料、工艺介质、装置或热交换设备所散发的热量;另一方面升温后的循环水通过冷却构筑物与空气直接接触，释放热量，然后再循环使用。

敞开式循环冷却水系统是目前工业生产中应用最广泛的一种冷却水系统，根据与物料、换热器等的接触情况，可分为清循环（又称间接循环）、污循环和集尘循环3种类型。其中清循环冷却水系统在工业生产中最为常见。为此，本文后续内容均以清循环系统为介绍、研究的主体。

2.2清循环（间接循环）冷却水系统

在这种系统中水通过冷却器(热交换设备)间接的与冷却物料、工艺介质或装置等接触，因而又称为间接循环冷却水系统。由于采取间接冷却方式，循环水除了水温升高外，水质几乎无污染，故不必另设净水设备。但是，由于水在循环冷却过程中不断地蒸发，使其中的盐类浓缩，因此需要排污和补充新水，以控制盐量平衡和浓缩倍数，此系统的基本组成一般包括补充水的预处理、循环水的输送泵、与工艺介质的热交换、循环水的冷却、药剂的投加、冷却水的旁滤、排污水的处理、控制检测网络和管道等设备，构筑物，装置以及仪表等组成。如下图（图1）所示是一种常见的最简单的清循环冷却水系统。

3冷却设施

在循环冷却水系统中，用于降低水温的设备或构筑物统称为循环水冷却设施。在敞开式循环冷却水系统中，冷却设施有冷却塔、喷水池、冷却池、河道冷却、海湾冷却设施，其中冷却塔应用最为广泛。

3.1冷却塔的分类

具体内容如表1所示

表1冷却塔分类

分类因素 类别

循环水是否与空气直接接触 密闭式冷却塔

敞开式冷却塔

通风方式 自然通风冷却塔

机械通风冷却塔

混合通风冷却塔

用途 工业冷却塔

民用冷却塔

热水和空气的接触方式 湿式冷却塔

干式冷却塔

干湿式冷却塔

热水和空气的流动方式 逆流式冷却塔

横流式冷却塔

混流式冷却塔

噪声级别 普通型冷却塔

低噪型冷却塔

超低噪型冷却塔

超静音型冷却塔

其他 喷流式冷却塔

无风机冷却塔

双曲线冷却塔

其中湿塔因热交换效率高而被广泛应用，但是，在湿塔中水蒸发现象剧烈，水的蒸发带来蒸发、风吹、排污损失，这些水的亏损必须有足够的新水持续补充，因此，湿塔需要补给水。

3.2冷却塔的工作原理

冷却塔是利用水和空气的接触，主要通过蒸发散热、接触散热两种方式共同作用，来散去从换热设备带来的热量的一种设备。其工作的基本原理是：干燥的空气经过风机的抽动进入冷却塔内，热水自配水系统洒入塔内。当水滴和空气接触时，一方面加剧了水的蒸发现象，另一方面由于存在温差，热量由水传向空气，上升的空气将热量带到大气中，从而使得水温降低。

两种散热方式所起的作用随气象条件而变化。在夏季气温较高，水与空气的温差较小，这时水的表面蒸发起主导作用，由于水有很大的汽化潜热蒸发散热量最高可占总散热量的90%以上。在冬季，因气温低、蒸发量小，热传导的作用增强，一般可由夏季的10%一20%增至50%以上。

3.3冷却塔的主要构件及作用

冷却塔通常由塔体、配水系统、淋水装置、通风设备、收水器和集水池(或水箱)等部分组成。

3.3.1塔体

塔体是冷却塔的外壳，也是气流通道，其形式和结构取决于冷却塔的类型，有圆形、方形等。目前大中型冷却塔多为钢筋混凝土结构，小型冷却塔多为玻璃钢结构。

3.3.2配水系统

配水系统设于冷却的作用是将需冷却的循环水均匀地分配到下部的淋水装置，以提高淋水装置的冷却效果。配水装置通常可分为管式、槽式和池盘式3种形式，此外还有喷水式配水装置。

3.3.3淋水装置

淋水装置又称填料，其作用是扩大需冷却的循环水同空气的接触面积并延长水气接触时间，以增加水、气间的热湿交换，提高冷却效率。填料是冷却塔的重要组成部分。其所产生的温降达整个塔温降的60%一70%。填料按照塔内水冷却的表面形式，一般可分为点滴式、薄膜式、点滴薄膜式三种类型。

3.3.4通风设备

自然通风冷却塔的通风设备是高大的通风筒，机械通风冷却塔的通风设备是风机，我国一般多采用置顶抽风式轴流风机。

3.3.5收水器

收水器通常用于机械式冷却塔，用以减少风吹损失，构造恰当的收水器可以取得良好的节水效果。收水器一般由1一3层曲折波纹板构成。

3.3.6集水池

集水池用以收集、储存冷却的循环水并调节水量，它位于冷却塔的塔底，通常也是积泥、排污、排空、补充新水、投加药剂以及同循环水管线相连接的部位。如不考虑储存或调节水量时，可设计成集水盘。目前中小型成品玻璃钢冷却塔常采用集水盘形式。集水池的容积多约为每小时循环水量的1/3~1/5。

4循环冷却水处理

4.1循环冷却水系统的问题

循环冷却水在不断循环使用过程中，由于水的温度升高、蒸发等原因，使得各种无机离子和有机物质不断浓缩，而冷却设施在经受风吹雨淋的同时，也把灰尘杂物等带入循环冷却水中，加之系统本身的设备结构和材料等多种因素的综合因素，循环冷却水系统会产生腐蚀、结垢、粘泥等各种严重的问题。

4.1.1腐蚀

所谓腐蚀，是指通过化学或电化学反应使金属被消耗破坏的现象，在循环水系统中，主要以溶解氧腐蚀为主，这种腐蚀除了会造成系统的输水管线、水冷设备损坏或使用寿命减少外，还会由于腐蚀造成水冷器泄漏而引起工艺介质的污染或计划外的停车事故等，另外由于腐蚀产生锈瘤，会引起换热效率下降或管线堵塞等危害。

4.1.2结垢

结垢是指水中溶解或悬浮的无机物，由于种种原因，而沉积在金属表面。敞开式循环冷却水系统的结垢的主要成分有碳酸钙和腐蚀产物二种。系统结垢主要引起水冷设备换热效率下降，管线的阻力增大，导致循环水量减少或细管的堵塞，多数情况下还伴有垢下腐蚀。

4.1.3粘泥

粘泥指金属列管等内壁附着的粘质膜，生物粘泥主要由细菌及藻类等微生物的分泌产物粘附了水中悬浮杂质而形成，生物粘泥的产生主要会导致传热效率下降，列管堵塞，增加局部腐蚀等危害。

4.2循环冷却水处理药剂

为了解决上述问题，往往需要向循环水系统中加入水处理药剂及水质稳定剂，来消除或减小循环冷却水对设备的损害，保证循环水系统的经济、正常、安全运行。循环水处理常用的有三类药剂：阻垢分散剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂。

4.2.1阻垢分散剂

阻垢分散剂是含有羧基、羟基、硫磺酸、膦酸基等基团的共聚物，由于它的直链上和部分支链含有膦酸基，因此具有优异的防垢性能，并有一定的防腐效果。阻垢分散剂通过晶格畸变，增溶，分散的作用抑制垢质的形成，减弱垢质的硬度。

4.2.2缓蚀剂

将缓蚀剂添加到水溶液介质中能抑制或降低金属和合金的腐蚀速度。它的用量很小(0.1%～1%)，但效果显著。缓蚀过程复杂，缓蚀剂有多种多样。概括起来讲，缓蚀剂是通过电化学作用和物理化学作用（主要是成相膜、吸附膜作用），来减小金属的腐蚀速率。

4.2.3杀菌灭藻剂

控制冷却水系统中微生物生长的最有效和最常用方法为向冷却水投加杀菌灭藻剂。杀菌灭藻剂种类繁多，一般都具备良好的杀生效果、黏泥和藻层的剥离能力、与其他水质稳定剂的相容性和宽广的 pH 值适用范围的特点。

杀菌灭藻剂可分为氧化性杀菌灭藻剂和非氧化性杀菌灭藻剂。

氧化性杀菌灭藻剂一般都是较强的氧化剂，能使微生物体内与新陈代谢有关的酶发生氧化反应而杀灭微生物，其也会对其他水处理药剂产生氧化分解作用，从而影响缓蚀剂、阻垢剂的处理效果。非氧化性杀菌灭藻剂则是以毒性作用于微生物的酶，干扰破化其正常的新陈代谢的进行。

4.3循环冷却水系统的运行管理

循环冷却水系统运行的日常管理主要根据水质变化情况进行及时相应调整，化验室每天定时进行分析并及时把数据回报有关部门和单位。以便及时对水质进行加药、排污、补水等调节。常用的循环水水质指标有钙硬度、总碱度、PH值、浓缩倍数、总磷、正磷、氯离子浓度、总铁、粘泥量、异养菌、电导率、浊度、悬浮物等。

4.3.1钙硬度、总碱度

总碱度是循环水操作控制中的一项指标，当浓缩倍数控制稳定，没有其它外界干扰时，由总碱度的变化，可以看出系统的结垢趋势。硬度指水中的钙镁离子浓度的总和，也是循环水操作控制中的一项重要指标。必须将循环水的钙硬、总碱度控制在配方要求的范围内，若水质条件发生变化，则必须相应调整水稳配方。

4.3.2pH值

随着浓缩倍数的升高， pH值也不断上升。当浓缩倍数一定时，循环水的pH值也趋于稳定。

4.3.3总磷、正磷及氯离子

测定循环水中总磷的目的是为了计算循环中有机膦的含量，缓蚀阻垢剂中含有有机膦酸盐，在循环水的运行过程中，如果遇到强氧化剂（如杀菌灭藻用的氯气、二氧化氯等）或高温，则有机膦会部分分解为硫酸根，降低药剂的有效成分。当循环水中的磷酸根含量过高时，还有生成磷酸钙沉淀的可能，因而应检测控制。氯离子浓度过高会加速设备的腐蚀，特别是不锈钢设备，对氯离子特别敏感，因而在运行中应检测控制。

4.3.4粘泥

循环水系统，温度适宜、通风良好、光照充足，是微生物生长的理想环境。在循环冷却水系统中，微生物的危害主要是生物粘泥带来的危害，生物粘泥一旦形成，就必须进行杀菌清洗剥离。

4.4清洗预膜

为了除去系统中的垢和腐蚀产物，需要对系统进行定期清洗，并为系统预膜作准备。使药剂在投加后稳定运行，减少系统内腐蚀产物及沉积物，当系统检修后重新开车或装置运行时间过长时，需要对循环水系统进行预处理。预处理包括化学清洗和预膜处理。

4.4.1化学清洗

化学清洗是针对整个系统进行的，其目的是为了清除因设备检修后换热设备和管道中的油污、电焊渣、腐蚀产物和沉积物等物质，使得投用缓蚀剂后能在设备表面形成一层致密、均匀的薄膜，以防止设备的腐蚀，同时提高换热效率，满足生产装置工艺操作条件，保证长周期平稳运行，降低能耗和延长设备的使用寿命。

4.4.2预膜

预膜又称基础处理，循环水系统的预膜是为了提高缓蚀剂的成膜效果，常在循环水系统初期投加较高浓度的缓蚀剂量，待成膜后，再降低药剂浓度维持补膜，即日常的正常处理。其目的是希望在金属表面上能很快形成一层保护膜，提高缓蚀剂抑制腐蚀的效果。预膜时的药剂可采用专用的预膜药剂也可利用循环水系统的日常处理药剂。

4.4.3清洗预膜实例

现已蓝星化工新材料（天津）厂2014年循环水系统清洗预膜方案为例，介绍清洗预膜工作。基本方案如下：

(一)目前循环水系统各项水质数据（2014年5月平均数据）

浊度 铁离子/ ppm PH值 钙离子/ ppm 粘泥量/ ml

最大值 11.00 0.07 9.56 35.91 0.80

最小值 1.00 0.04 9.29 27.93 0.50

平均值 2.52 0.05 9.47 31.66 0.67

(二)所需药剂

药剂名称 数量（Kg） 作用

PM105 1000 剥离粘泥（清洗）

PM109 5000 除锈除垢（清洗）

PM103 1125 缓蚀、阻垢剂（预膜）

CaCl2 根据水质分析数据投加控制Ca浓度在50PPM左右 补钙剂

(三)操作步骤：

1.大修前清洗：

（1）制定清洗日期的安排，在此期间通知调度所有的使用循环水的管线、阀门必须全部打开不得向外排放和向循环水内串水。

（2）12日9点开始清洗,一次性投加PM105药剂500kg（药剂浓度按120～150ppm,循环水现有水量按2500 m³计）。4小时后,一次性投加PM109药剂2500kg（药剂浓度按300～500ppm,循环水现有水量按2500m³计）。循环水系统持续运行。

（3）循环水系统清洗时间计划为24小时,运行过程中水质参数浊度、Ca2+、Fe2+离子浓度等应不断增加,直至这些参数测定值不再增加时，清洗方结束。期间监测出水和回水的PH值、浊度，钙、铁离子浓度。

（4）循环水系统停车，排放循环水，清理循环水池。

2. 预膜前的清洗：

（1）大修后，6月24日开始清洗,计划24小时完成。

（2）大量补水，同时投加PM105药剂500kg,待循环水池达到正常液位后，循环水装置开车。

（3）4小时后,投加PM109药剂2500kg,循环水系统清洗时间计划为24小时。期间监测水质变化，监测出水和回水的PH值、浊度，钙、铁离子浓度，其数据应逐渐升高，当出水、回水的参数数值达到基本一致，趋于平稳状态时，清洗结束。

（4）循环水置换。排污,同时补充新鲜水,至浊度

注:在此期间通知调度,所有使用循环水的装置管线阀门必须全部打开,清洗期间不得向外排水,补水。

3.预膜

投放预膜剂PM-103 1125kg,CaCL2 200kg,运行48小时,期间要求出水、回水的总磷指标在180～200ppm左右, Ca2+在50ppm左右,水温要求在28℃度左右。根据循环水现场挂片预膜情况来决定是否需要延长预膜时间。预膜完成后，逐渐用清水置换预膜药液（随排随补）,必要时添加日常药剂，使各项水质参数达到指标要求后，循环水系统进入正常的运行工作状态；

注:在预膜期间要求分析人员每两小时分析数据一次,趋于稳定后,每4小时分析数据一次。并做好记录。

5、结语

总而言之，对于企业而言，循环水处理工作具有相当重要的经济及社会效益。因此，企业只有进一步加强循环水处理技术的创新，制定科学合理的循环水管理体系，方可切实确保循环水处理系统运行过程的可靠性、高效性及其安全性，从而收到良好的水处理效果，推动企业的可持续发展。

参考文献

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【2】祁鲁梁、李永存、张莉《水处理药剂及材料使用手册》，中国石化出版社，2006 年 6 月

【3】李建华《凉水塔技术研究与探讨》[期刊论文]-化工设计通讯2006,32(2)

【4】李胜举 《工业循环冷却水运行管理》[期刊论文]-化工管理 2005,13(10)