工业冷却塔循环水的旁流过滤处理技术

刘存玉

(淄博职业学院制药与生物工程系，山东淄博，255314)



工艺与设备

工业冷却塔循环水的旁流过滤处理技术

刘存玉

(淄博职业学院制药与生物工程系，山东淄博，255314)

摘要

关键词：工业冷却塔清洁过滤器旁流过滤

工业冷却塔是将来自于工业生产装置或制冷空调，挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气中的一种设备，在化工、制药、石油加工、食品生产等工业部门有着广泛的应用。由于在冷却塔内空气和水直接接触，所以空气中的悬浮颗粒物就容易被循环冷却水夹带进入冷却塔水槽内，并在槽中同来自于其他渠道的水中悬浮物汇合形成污垢。如不清除，这些污垢会随水进入冷却循环系统，并通过沉积、阻塞等方式对下游工艺设备的正常运转产生不良影响，降低传热效率、增加能量消耗和水的化学处理费用，还有可能缩短设备的使用寿命。

虽然可以采用定期把全塔停机进行人工清洁，或对冷却水整体进行全流量过滤的方法除去水中的污垢，但实践表明，旁流过滤是一种更加经济可行的有效方法。

所谓旁流过滤，就是把水的一部分连续通过过滤介质，控制过滤速率使得在一定时间内(通常是1小时)系统的全部冷却水都被过滤一遍。旁流过滤原理其实就是通过连续滤除水中的污垢来保持水的清洁[1]。

本文将介绍冷却塔系统中污垢的来源、影响，以及提高冷却水水质可采用的过滤装置，并着重讨论旁流过滤的应用。

1冷却水中污垢的来源

冷却塔水槽中主要由悬浮固体颗粒组成的污垢，除了源自空气中的悬浮物，还有三个来源，即水垢、腐蚀产物和生物性污垢。下面分别对这四种污垢加以介绍[2-3]。

1.1水垢

当溶于水的固体从冷却水中沉淀出来时，就能在传热表面形成水垢。水垢的种类和物性随当地水质的变化而变化，其主要成分是金属的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐等。水垢的作用如同绝缘层，能够降低冷凝器或其他水冷热交换器的传热能力。水垢还能使水的排出压力升高，增加动力消耗。

虽然化学处理是清除水垢的最好方法，但水中其他类型的污垢有的也会与化学水处理剂发生反应，从而降低处理效果。水越脏，就越难处理，处理剂需要量就越大。这是为什么采用过滤的一个原因。

1.2腐蚀产物生成的污垢

腐蚀是由发生在冷却系统和水之间的电化学反应造成的，它使金属或合金材料被损耗，并最终能使材料失效。腐蚀产物通常是金属的氧化物或氢氧化物，其颗粒大小一般在1-5μm之间。研究表明，如果水中的金属表面被污垢覆盖，其腐蚀速度一般会比洁净表面的腐蚀速度高5-20倍，这是因为在被覆盖面和相邻洁净表面之间产生了一个电化学原电池，被覆盖面的金属变成失电子的阳极。不加控制的腐蚀使金属性能不断劣化，累积的腐蚀产物使传热效率降低并阻碍水的流动。尽管也可以使用化学水处理剂应对腐蚀问题，但因其难以到达被污垢覆盖的表面，电化学腐蚀仍将继续。

1.3生物性污垢

生物性污垢是由循环水系统中存在的细菌、藻类、真菌或其他微生物引起的。适宜的水温、阳光、以及空气中悬浮的有机物质都有利于这类污垢的产生，结果使生物性污垢的生长常常得不到控制。

例如，粘泥或生物膜就是由微生物及其排泄物积累而成。粘泥中还包括由经过冷却塔的水洗涤下来的悬浮于空气中的灰尘、昆虫肢体以及其他污染物。

生物性污垢妨碍热的传递，限制冷却水经管路、滤网、喷嘴和控制阀的流动。尽管化学处理有利于对系统的保护，但保持系统中水的清洁才是控制生物性污垢产生的最有效途径。

1.4空气中悬浮物

进入冷却塔水中的空气悬浮物，随冷却水的循环流动进入系统中，并可沉积在设备表面和冷却塔水槽中。

对不同水槽内水的取样分析表明，由来自于空气中的悬浮物构成的污垢颗粒大小，以1-10μm的占最大多数。因为处于1-10μm区间的粒子容易滞留在空气中，难以通过沉降等与空气分离，所以当其与冷却塔的流水接触就容易被冲入水槽内，进而通过水的循环进入系统中。来自于空气的悬浮物也使得对水垢、腐蚀和生物膜生长的控制变得更加复杂。

通常，在经过常用水处理剂处理后的冷却塔循环水中，小于2微米的固体颗粒很容易被分散而不会沉积出来，因此其存在可不予考虑。大多数情况下，大于30微米的颗粒由于较重，难以被流过冷却塔的空气挟带进入冷却塔循环水系统。

综合上述因素，在冷却塔循环水中需要过滤去除的悬浮固体颗粒的临界尺寸集中在2-30微米。

2冷却水的过滤清洁设备

冷却水过滤清洁装置主要有自动网眼过滤器、水力旋流器、滤筒、砂滤器和多介质过滤器等。

2.1网眼过滤器

其核心部件是滤网，冷却水在流过滤网时，大于网眼的污垢颗粒就被截留。当足量的颗粒在滤网上累积，使压降达到规定值时，就通过机械的或返洗的方法进行清除。两种方法都要排出含有被清除污垢的废水。

但对工业冷却塔循环水的过滤建议不要使用网眼过滤器，因为用其滤除水中临界尺寸2-30微米的颗粒，需要经常返洗滤网，这不但会降低浓缩倍数、造成水和化学水处理剂的浪费，也增加了返洗废水的排放量。其之所以需要经常返洗，原因在于网眼过滤器是一种表面过滤装置，当其表面满载后，过滤就不能进行了。换句话说，网眼过滤器对固体污垢的承载能力很低，仅适用于固体量少的小型冷却塔循环水的过滤。

2.2水力旋流器

水力旋流器是靠水流过时产生的离心力来除去水中污垢的装置。水力旋流器对水中污垢去除能力的大小是颗粒尺寸、形状、密度和旋流器设计形式的函数。由于市面上的水力旋流器能除去的固体颗粒最小尺寸是25微米，所以也不建议将其作为工业冷却塔循环水过滤装置。

2.3滤筒

滤筒基本上就是没有机械清洁或返洗能力的网眼过滤器。由于滤筒也属于表面过滤装置，所以和网眼过滤器一样，其对污垢的处理能力很低。两者的主要区别在于，一旦滤筒被截留的固体填满，就必须取下来清洗，或更换一只新的滤筒。尽管通常不推荐使用滤筒作为工业冷却塔循环水过滤装置，但大小合适的滤筒在悬浮固体量少的小型冷却塔系统还是可以使用的。

2.4砂滤机

在砂滤机中，水中的污垢是被由砂性介质组成的多孔床层截留的。砂滤机的操作是表面过滤和深层过滤的组合，何者占优势决定于所用砂性介质的尺寸和悬浮固体的类型。砂滤机在工业冷却塔循环水过滤中的应用相对较普遍，只要水中固体负载不太高、小于10微米的颗粒不占主要地位，其过滤效果还是不错的。被床层截留的固体通过返洗方法除去，以设定的在线时间或通过床层的压力差来界定何时开始返洗操作。

2.5多介质过滤器

多介质过滤器是砂性介质过滤器的变种，二者区别在于前者使用几种不同大小的介质以便在获得最大程度的深层过滤的同时，对临界尺寸为2-30μm的悬浮固体颗粒达到非常高的去除效率。过滤介质床由无烟煤过滤层、硅砂过滤层，以及金刚砂过滤层等组成，底部用砂砾支撑。与砂滤机相比，多介质过滤器因使用多层滤床而具有高得多的固体承载负荷，因此对同样多的固体去除量需要返洗的次数也少得多，从而最大程度地减少了返洗水和水处理剂的用量。不同介质之间的尺寸差异使得过滤器具有极好的截留性能，甚至可截留直径小至0.5微米的颗粒，对5微米≤直径<10微米的颗粒能除去90%，对直径≥10微米的颗粒能除去98%。不同介质尺寸不同、密度也不同，因此通过返洗对多介质床进行清洁，即除去被截留固体时，不同介质能自行分类汇集在一起。与砂滤机一样，多介质过滤器也以设定的在线时间或通过床层的压力差来界定何时开始返洗操作。

由于多介质过滤器能高效去除上述临界尺寸范围的悬浮固体，具有很高的固体负载，能最大程度地减少返洗水和价格不菲的化学水处理剂的使用量，所以特别适用于工业冷却塔循环水的旁流过滤操作。

3工业冷却塔循环水的旁流过滤[4-6]

3.1旁流过滤与全流量过滤的比较

旁流过滤之所以比单循环全流量过滤更有优势，是因为旁流过滤使用的设备较小，运行费用较低。例如，多数水冷系统中冷却水是高速流动的，100吨的制冷-冷却负荷，冷却水流量就有18-19L/s。如果使用全流量砂滤器，还得加上20%的富裕度以便在过滤器出现一定程度的脏污后仍能满足流量要求。这样，所选砂滤器的尺寸必须至少能适合22-23L/s的流量，而这样的过滤器直径在1.5m以上。

若使用旁流过滤器时，只有一部分水进入过滤器，而且过程连续进行。若每过1小时整个系统的水就被过滤一遍，那么对上例的情形，假定10%流量的水被导入旁流过滤器，则该过滤器的额定流量就是18-19L/s，加上20%的富裕度，相应设备的直径仅为0.5-0.6m。

尽管旁流过滤能改善任何冷却塔系统的运行状况，但经验证明，对浓缩倍率高于8，或者处于沙尘环境中的冷却系统强制使用旁流过滤是必要的。

3.2旁流过滤器类型的选择

能够滤除的水中固体颗粒的大小，而不是其重量，是用来评价不同类型过滤器好坏的最重要指标。举例说明：假定有两个相同大小的容器都盛有12.6g固体，其中一个容器盛放的是一块重量为12.6g的石子，另一个容器中则盛放的是直径为2μm、数量达2560亿个、总重也是12.6g的微粒。后者具有巨大的表面积，如果沉积在换热器内壁会对换热效果产生严重不良影响，而一块小石子产生的影响将十分有限。同时，这些2μm微粒拥有的巨大表面积也会降低化学处理的效率，因为化学处理剂需要和这些细小颗粒竞争来控制水垢、腐蚀和生物污垢的产生。

因此，如前所述，根据工业冷却塔循环水中需要滤除的固体污垢颗粒尺寸范围，结合不同类型过滤器的性能特点，宜选用砂滤器或多介质过滤器作为工业冷却水的旁流过滤装置。

3.3旁流过滤器尺寸的选择

过滤的基本参数有两个，即水的循环率和固体颗粒直径。就是说，冷却水在过滤器中的循环次数和被滤除污垢颗粒的大小是选择过滤器的两个主要指标。水流过过滤介质的频度越高，被滤出的固体就越多。

大量研究和实践证明，每小时使整个冷却系统的水过滤一遍，就能使冷却水的清洁度达到相当高的程度。系统总水量由三部分组成：①冷却塔水槽内的水，②系统管路内的水，③各种热交换设备内的水。

以一个3000吨的冷却系统为例。系统中冷却水总量为170吨，其中在冷却塔水槽内有约94.5吨，3台1000吨的冷凝器内共容纳34吨，管道中约41.5吨。因每经1个小时循环一次，则旁流过滤器中水的流量就是170吨/小时，或47.2L/s。

与此处理能力最接近的标准砂滤器的直径是2.13m，其最大流率是48.5L/s。但考虑到运行过程中过滤介质因截留污垢使有效截面积的减少，故起码还应打出20%的富裕度。而在水中污垢量较大的场合，如敞开式场地附近、高速路附近，或在工业制造中心区安装的冷却塔，额外加大过滤器处理能力尤其显得重要。

3.4旁流过滤器的安装

在工业冷却塔系统，有两个位置可用于旁流过滤器的安装：一个在冷却塔水槽内，另一个是用支管与冷却水管道连接。尽管两种方法都是可行的，但安装在水槽中还有另一个好处，就是对水槽自身的清洁。水槽里的水被泵送入过滤器，从过滤器出来的清洁水可回冲槽底的污垢，再用特制的冲洗喷嘴把污垢导向过滤器的进口管。这种方式有助于尽量减少污垢在水槽内的累积，避免可能发生的在沉积物覆盖下的材料腐蚀。

3.5旁流过滤系统的运行

旁流过滤器的运行需要冷却系统循环水具有足够的水压和流量。一般来说，旁流过滤器正常运行压力至少要在2.1kg/cm3左右。对冷却系统循环水自身无法达到合适的压力和/或流量的情形，应单独加装一台大小合适的水泵。通常当过滤床层两侧的压力差达到0.69-1.04 kg/cm3时，或在线运行时间达到设定值时，就启动返洗操作。但实践证明，以在线运行时间控制返洗进程效果通常更好，这样既可靠，又便捷。返洗水既可以用系统内的水，也可以用新鲜水。玻璃纤维材质的过滤器最高可承受6-7kg/cm3的操作压力，对更高压力，推荐使用不锈钢或涂层钢质材料。

3.6安装旁流过滤器的益处

3.6.1节能

因为即使是在换热器管壁上沉积的污垢像一张纸那样薄，都会影响传热的正常进行，增加能量消耗。例如，0.38mm厚的污垢沉积在冷却换热器表面就能使传热效率降低12%以上，在冷凝器中即使存在0.025mm厚的污垢就能使操作费用增加近10%。

3.6.2节省维修保养费用

冷却塔的传统清洁方法是放空后进行冲洗。花费的时间从数小时到数天不等。不但造成水的浪费，还要处置清出的污垢，而且生产线还得停车，误工费也不容忽视。

例如某轮胎生产企业对已运行一年的冷却塔进行清理，清出的污垢装满了18个容量200L的铁桶。而在安装旁流过滤系统后，经过两年才需要清理水槽，冷却塔则不需清理，一名维修工仅花2小时就完成了任务。

3.6.3减少水处理剂的消耗

化学水处理剂的作用主要是阻止水垢的产生，即防止水中的溶解固体析出，或用于阻止微生物的生长，但水中其他污垢也可能与水处理剂发生反应，使处理效果降低或处理剂消耗量增加。通过旁流过滤不断清除水中的污垢，能大幅度提高化学处理效果，减少水处理剂的消耗。

3.6.4延长设备寿命

因为污垢和腐蚀会降低用水来冷却的设备的预期寿命，特别是对空气压缩机的夹套、冷凝器管道、换热器等更是如此。

3.6.5改善周围环境

在有些情况下，更清洁的冷却水还能改善生产装置的总体运行状况，减少大气污染物的排放，带来环境效益。如一家硝酸铵工厂，其生产装置向大气中NOx排放量与工艺冷却水的温度直接相关：冷却水温度升高，排放量增加。该厂后来更改了冷却塔的设计，安装了砂滤器对冷却水进行旁流过滤，改善了冷却效果，降低了冷却水温，NOx的排放量也因此减少了50%。

参考文献

[1] Perlmutter, B.A. Principles of Filtration[M]. New York: Pall Corp, 1983, 2-3.

[2] 靳兆文.石化设备清洗技术进展[J].化工设备与管道,2008,45(4):62.

[3] 刘天庆,李香琴,王鸿灵,等.水系统中微生物与碳酸钙混合垢形成过程的研究[J]. 高校化学工程学报,2002,16(3):263-269.

[4] Clark, T. Wastewater Reuse[ J]. Industrial Wastewater, 1998, 5/6: 37-43.

[5] Olsen, K.R. How to Remove Fouling Solids from Cooling Wate[J]. Chemical Engineering, 1992, 99(5): 155-158.

[6] Gibson, W.D. Recycling Cooling and Boiler Water[J]. Chemical Engineering,1999,106(1):47-51.

Sidestream Filtration for Water Cleaning of Industrial Cooling Tower

LiuCunyu

(DepartmentofPharmaceuticalManufacturingandBioengineering,ZiboVocationalInstitute,Zibo255314,Shandong,China)

Key words:industrial cooling tower; cleaning; filter; sidestream filtration

Abstract:The types and sources of solid contaminants in industrial cooling water, and types and characteristics of various filters that can be used forthe cleaning of cooling water were summarized, with emphasis on sidestream filtration system.

综述了工业冷却塔循环水中污垢的种类、来源，常用的冷却水过滤器类型和性能特点，并对旁流过滤系统作了重点介绍。