浅议提高并稳定浓缩倍数在循环冷却水运行管理中的作用

2017-09-15

福建质量管理 2017年11期

(柳州市盛鹏源环保科技有限公司广西柳州 545002)

刘上月农光厦张芳

(柳州市盛鹏源环保科技有限公司广西柳州545002)

工业循环冷却水的浓缩倍数N是一个重要的参数，对节水要求、离子浓度变化、水处理剂的选择及浓度保持、循环水腐蚀性与结垢性的关系变化等有显著的影响。探讨了浓缩倍数与补充水量、排污量以及循环水利用率的关系，浅议了提高并稳定浓缩倍数在循环冷却水运行管理中的作用。

浓缩倍数；循环冷却水；运行管理

工业循环水作为介质冷却的主要载体，直接或间接的参与到实际的工业生产中。敞开式的工业循环系统用水量约占工业用水的70%[1]，由于冷却散热过程中水体蒸发作用，敞开式循环冷却系统内部离子浓度会不断增高，对循环水的运行管理方式的选择提出新的要求，建立新的平衡关系，第一是浓缩倍数与节水的关系；第二是浓缩倍数的选择；第三是浓缩倍数在系统实际运行过程中的作用。

一、浓缩倍数的定义和节水的关系

(一)浓缩倍数的定义

工业循环水的浓缩倍数(N)是系统中某一组分浓度与补水中该组分浓度的比值，用作计算浓缩倍数的组分主要为各种离子，其中采用较多为氯离子、钙离子、钾离子、二氧化硅等，也可以通过电导率作为计算系统浓缩倍数的方法，关于各种离子、仪器检测值计算系统浓缩倍数的方法的特点和所涉及的影响因素如表1所示：

表1 浓缩倍数计算方法的特点和影响因素

(二)浓缩倍数与节水的关系

循环冷却水浓缩倍数作为系统节水的一个重要指标，在忽略系统渗漏和风吹损失的情况下，系统的浓缩倍数只与系统的蒸发量E(m3/h)和排污量B(m3/h)有关，两者之和为系统的补水量M(m3/h)，即：M≈E+B。通常情况在系统排污量一定的情况下，系统浓缩倍数会随蒸发量的变化而发生相应的变化，在外界环境稳定、生产设备热量要求变化不大的情况下，系统浓缩倍数会在一个相对小的一个区间内波动，这个区间中值为N≈M/ B，与系统中的各种离子浓度没有直接联系。例如：一个系统的排污量为200 m3/h，为了维持系统正常水位需要补充新水为800 m3/h，那系统达到平衡时的浓缩倍数约为4，其物理意义可近似的认为是排污量中的盐分与补充水盐分总量相等(盐分包括离子状态和聚合状态或逃逸的物质)，平衡建立后系统的盐分不会继续增加。再根据系统的循环量和浓缩倍数对应的补水量，即可计算出系统的节水率，一般情况下浓缩倍数达到4倍以后，系统的节水效果就不明显。工业循环水处理设计规范GB50050-2007对浓缩倍数的要求为3～5，可以满足节水和环保的要求。

(三)计算浓缩倍数与真实浓缩倍数差异的分析

为了更为方便的对浓缩倍数进行计算，在循环水实际运行过程中，主要是通过循环水中某一组分浓度与补水中同一组分的浓度进行计算。有时因为系统补水的不唯一性、补水水质多变性、取样的瞬时性，导致计算出来的浓缩倍数与系统真实浓缩倍数存在较大的差异，可能会出现真实浓缩倍数较低时计算浓缩倍数较高，而真实浓缩倍数较高时计算浓缩倍数较低，从而导致系统补排的指令的混乱。例如某钢厂一净环系统在2016年4月间的系统浓缩倍数计算就出现了系统硬度高时要求增加浓缩倍数，系统硬度低时要求排水的现象。相关的检测数据见表2。目前由于中水回用量加大，中水水质指标的变化受到各种因素的影响，稳定性较差，在计算系统浓缩倍数的时更容易造成结果的不确定性，浓缩倍数对系统的补排水的指导意义被弱化。由于中水补水总硬的基数较大，在浓缩倍数不高的情况下也会引起系统相关指标超标，对本身真实浓缩倍数偏低的多数柳钢净环系统来说，中水回用对浓缩倍数控制产生了明显影响，而相对较低的运行浓缩倍数会引发一系列相关问题，对系统的管理和稳定性造成了一定影响。

表2 某钢厂一净环系统2016年4月水质检测结果

二、浓缩倍数的选择

系统采用循环冷却模式运行，就必须面对系统运行浓缩倍数的选择，如何选择系统的浓缩倍数与系统补水、系统循环量、系统设备温度、设备材质和结构有关。系统补水的pH、总硬、总碱、氯离子、电导率等因素直接会对系统运行时浓缩倍数的选择产生直接的影响，pH值偏高，总硬、总碱浓度较大的补水不宜要求在较高浓缩倍数下运行，否则系统结垢风险会较大，一般保持浓缩倍数在3～4即可满足系统的运行要求；pH值较低，总硬、总碱浓度较小的补水可通过浓缩来提高系统的pH值，降低溶解氧的阴极去极化腐蚀风险，同时通过浓缩倍数的增加来提升水体自身的成膜性能，可降低对系统腐蚀控制的要求，此类补水可在大于4倍的浓缩倍数下运行。除考虑补水本身水质因素外，对系统循环量、设备温度、设备材质和结构也需要进行综合评估，原则上在保持系统的浓缩倍数的前提下，尽可能防止热量在设备高温端聚集以减少水体在运行过程的调整量，降低高温面的结垢风险。

三、提高并稳定浓缩倍数的作用

(一)对降低系统运行成本和减轻环保压力的作用

提高系统浓缩倍数，可节约新水的使用量，降低了系统的排污量，同时也可以降低和稳定系统水处理剂的投加量，减少水处理剂对环境的总输出量。无论是从系统运行成本还是环保等方面考虑，提高系统浓缩倍数均具有明显的现实意义。

(二)对转化水体腐蚀性和结垢性关系的作用

一般情况下，新水和低浓缩倍数的水体，水体的腐蚀性会较强，这可能与水体的离子浓度低、稳定性差、成膜性弱有关。随着循环水浓缩倍数的升高，水体的盐分增加，其结垢性也会增强，通常水体适当增加浓缩倍数后其水体的腐蚀性较新水会有明显减弱，这可能与水体本身成膜能力提高有关。在浓缩倍数的提升过程中，从单因素分析水体的腐蚀性和结垢性都会增强，但可能由于水体结垢性增强速度比腐蚀性增强的速率更快，导致水体的腐蚀性在一定程度上受到结垢性的抑制而使水体的腐蚀减轻。因此系统提高并稳定浓缩倍数的过程也是水体性能衍化和稳定过程，有助于对系统运行过程中离子状态转化进程进行合理评估。

(三)对增加系统离子缓冲容量建立微动态平衡的作用

循环水随着浓缩倍数的增加，各种离子的浓度也相应的增加，在水处理剂参与下的系统运行过程中，循环水水体会根据系统的运行环境进行相应的选择性调整，以适应系统工况条件。提高并稳定系统浓缩倍数后，水体中的离子浓度便具备了一定的缓冲容量，可形成动态平衡，离子的缓冲容量可有效的缓解系统因排污和新水补入对系统造成的冲击，水体中的离子结构平衡不易被打破，系统在运行过程无需进行大幅度调整即能建立新的平衡以适应运行环境。提高系统浓缩倍数能使系统离子缓冲容量的提高，但如果系统排补水无规律，系统的平衡也会被破坏，系统重新建立平衡需要调整，系统结垢和腐蚀也属水体调整结果之列。因此提高浓缩倍数并稳定排补，让系统浓缩倍数在一个相对稳定范围内波动，使系统离子组成比例关系不出现大的变化，在运行过程中建立微动态平衡，尽量减小水质波动后的调整过程对系统产生影响。

(四)对提高水处理效果促进离子有效化利用和无害化处理的作用

系统水体浓缩的同时，水处理剂也被浓缩，水处理剂有效浓度的保持和停留时间的保证与系统的浓缩倍数有直接且重要的关系，大排大补的系统是无法满足水处理剂对水体驯化要求的，即使是通过加水处理剂的投加量来保证药剂的浓度也未必能明显提升水处理效果，水处理剂的作用过程应遵循相应的规律，包括其扩散、离子协同增加靶向作用、吸附成膜、脱附修复、分解代谢，这是一个系统的微妙的过程。因此提高并稳定浓缩倍数能对促进系统内部离子的有效化利用和无害化处理提供保证。其中离子的有效化利用主要是指提高系统浓缩倍数可使系统内二价和高价金属离子的浓度得以保证，药剂浓度得以稳定，而对设备缓蚀作用正是建立在金属离子和水处理剂的协同关系基础之上的，稳定的浓缩倍数能够使水处理效果增加并维持相互作用；其中的离子的无害化处理主要是指提高系统浓缩倍数可使水体从腐蚀性向结垢性衍化，通过系统运行的调整作用和水处理螯合增溶、晶格畸变、吸附分散等阻垢作用对水体内部结垢性离子进行无害化处理，处理的本质即为结垢性离子组分形成聚集态垢相或微晶，不强烈附着于换热器等表面对设备冷却效果造成影响，该类物质可以通过排污、旁滤、清理水池等方式进行处理，从而达到净化、清除结垢性离子的目的。

(五)对优化水处理剂选择和中水回用的作用

提高并稳定浓缩倍数，即稳定水体的运行状态，可根据系统各运行参数确定和优化水处理剂的选择。当系统浓缩倍数提高，对系统的缓蚀要求相对会有所降低，转化到阻垢为主的处理方式上来，因此可以减小水处理剂中缓蚀性能较强的有机膦系水处理剂单体的使用，增加磺酸盐聚合物和聚羧酸盐等阻垢成分，减少在中水回用的模式下大循环体系中磷酸盐的量，以控制磷酸钙垢和抑制微生物的繁殖。同时浓缩倍数的提高，系统无害化调整增大，排污量减小，对废水处理效果提升和回用中水指标调整更为有利。

四、浓缩倍数太低或太高对系统运行的影响

(一)浓缩倍数太低对系统运行的影响

系统浓缩倍数太低，水体置换量大，系统稳定性差，水体在运行过程中调整幅度和总量反而会增加，于系统低温端腐蚀和高温端结垢的控制均不利；系统浓缩倍数太低，水体置换量大，二价和高价金属离子的浓度、水处理剂浓度无法有效保证，金属离子和药剂间的协调作用效率下降，于系统腐蚀控制不利；系统浓缩倍数太低，水体置换量大，循环水于系统内在水处理剂作用下的结垢性离子的无害化处理和调整无法有效进行，无害化调整量和效果受到影响，于系统高温端结垢的控制和中水的有效回用不利；系统浓缩倍数太低，水体置换量大，增加新水使用量和废水排放及处理量，于循环水运行、废水处理成本控制和环境保护不利；系统浓缩倍数太低，水体置换量大，对短促性的杀菌剂投用效果产生较大影响，于大循环系统细菌控制不利，可能一定程度助长细菌的耐药性。系统浓缩倍数太低，以水量换热量冷却模式存在诸多不利因素，对系统长久稳定运行不利，不足取。

(二)浓缩倍数太高对系统运行的影响

系统运行浓缩倍数太高，pH、总硬、总碱、氯离子、电导率的大幅升高，会增加控制系统结垢的难度；系统运行浓缩倍数太高，水处理剂的新陈代谢会受到影响，分解后的水处理剂无法及时置换出系统，反而会对系统运行产生副作用，于系统良性循环运行不利；系统运行浓缩倍数太高，水体的腐蚀性和结垢性有可能发生二次反转，于系统腐蚀和结垢控制均不利。