蒸发式冷凝器结垢分析与处理

滕轩,王世超,王雪婷,杨福生

(顿汉布什(中国)工业有限公司,山东 烟台 264003)

蒸发式冷凝器由于其高效、节水的特性,目前被广泛应用于中央空调及冷库系统中,但水与空气直接发生热质交换的方式使得蒸发式冷凝器相比于常规的壳管式换热器更易出现结垢、腐蚀的情况,而冷凝器作为制冷系统的核心部件之一,其工作状态的好坏直接决定了制冷系统的运行状态,相关资料显示,水垢的导热系数很低,为0.35～2.9 W/(m·K),而碳钢的导热系数为45～50 W/(m·K),结垢会导致冷凝器换热热阻增大,冷却效果变差,进而导致冷凝压力升高,压缩机消耗的功率增加,严重时可能会导致压缩机烧毁等事故;而换热管腐蚀会导致制冷剂泄漏、系统制冷效果变差、设备停机等情况。因此为保证蒸发式冷凝器安全可靠高效运行,就需要找到一种有效的方式来预防和减缓换热器表面水垢的形成。目前最常见的方式就是对循环冷却水进行水处理,降低其中结垢因子的量来达到减缓结垢的目的,国标中对循环冷却水的水质有一定要求,但由于不同项目原水水质差异较大,因此对循环冷却水的处理方式也不统一,按照技术原理可分为被动式除垢和主动式除垢。被动式除垢的核心是防止水垢在系统中形成,但结垢因子仍然存在于水中,一旦外部条件发生改变,仍然存在结垢的风险,这类水处理方法主要包括化学药剂法、硫酸软化法、石灰软化法、磁化法和电磁法等。主动式除垢则是直接将结垢因子从循环水中去除,主要包括机械清洗法、树脂交换法、膜过滤法以及电化学处理法。好的处理方法能够减缓结垢趋势,提高换热效率,降低能耗,同时可以提高循环水浓缩倍数,减少耗水量。本文主要通过对比这些常规水处理方法在应用过程中的优势和不足,结合实际应用案例,给蒸发式冷凝器循环冷却水处理方式的选择提供一定的理论和数据支持。

1 蒸发式冷凝器概述

1.1 蒸发式冷凝器概念与原理

蒸发式冷凝器又叫蒸发冷、冷却器。是在制冷时利用盘管外的喷淋水部分蒸发时吸收盘管内高温高压气态制冷剂的热量而使气态制冷剂被冷却转变为液态的一种设备。蒸发式冷凝器相当于是把传统形式中的水冷式冷凝器(壳管式、套管式、板式)、冷却塔、冷却水循环水泵、集水池、循环水箱及配水系统综合为一体,主要包括轴流风机、挡水器、喷淋装置、填料、冷凝盘管、循环水泵、水箱、补水阀、排污阀、空气滤网等部件,如图1。

图1 蒸发式冷凝器原理示意图

间冷开式系统:循环冷却水与被冷却介质间接传热且循环冷却水与大气直接接触散热的循环冷却水系统,简称间冷开式系统[1]。

蒸发式冷凝器就是一种典型的间冷开式系统。其工作时大致原理流程如下:轴流风机与循环水泵分别启动,循环水泵从底部水箱中抽取冷却水并输送至上部喷淋装置,通过喷嘴将冷却水均匀喷淋在冷凝盘管表面,轴流风机的运转使得周围空气穿过冷凝器下部两侧的空气滤网进入箱体,然后高温高压的气态冷媒从上部管路进入冷凝盘管,由于此时冷凝盘管表面已经覆盖了一层水膜,水膜便可以吸收气态高温冷媒通过换热管管壁传导的热量进而蒸发,高温气态冷媒也因失去部分热量温度降低进而冷凝为液态冷媒并产生一定过冷度。箱体内空气在轴流风机的抽吸下向上流动,一方面空气流过冷凝盘管时温度升高也起到了一定的冷却作用,另一方面也是主要作用,即带走因为蒸发而产生的大量水蒸气并排到周围环境中,降低了冷凝器内水蒸气的分压,保证后续喷淋到盘管上的冷却水能够持续蒸发,多余未被蒸发的冷却水则在重力作用下经过下部填料后落入水箱继续循环。下部填料增大了水-空气的接触面积,提高了空气的利用率,提升换热器整体性能。上部填料的作用是拦截部分未能蒸发的冷却水液滴,减少冷却水的飘散,节约循环水。经过一段时间的运行,由于循环水不断蒸发,水箱内的循环水量必然会持续减少,因此在到达设定值后,需要通过补水口向水箱内补充水,而由于水中的各种离子、杂质无法通过蒸发逸散,水箱中的水不断浓缩,就需要通过排污阀排出部分高浓度污水以减少结垢和腐蚀的风险。

1.2 蒸发式冷凝器优缺点

1.2.1 节能节水效果显著

蒸发式冷凝器利用循环冷却水的汽化潜热带走冷媒热量,1 kg水在常压下蒸发时大约能够带走2 428 kJ热量,这是水冷式冷凝器和风冷式冷凝器无法比拟的,大幅降低了空调系统压缩机功耗,与传统冷却塔-冷凝器相比节能10%以上,与传统风冷式冷凝器相比节能30%以上。一般水冷式机组放置在机房内,冷却塔则需要放置在屋顶或室外,循环冷却水管路较长,沿程损失大,因此需要冷却水泵的流量和扬程都比较大,对应的水泵功率较大,蒸发式冷凝器由于循环水泵的流量和扬程较小,水泵功率相比于冷却塔水泵节能75%左右。此外冷却塔的循环水量约为同等冷却效果下蒸发式冷凝器循环水量的100多倍,虽然冷却塔的循环水并不是完全消耗,但循环量的增加导致了飞溅量、排污量等损耗的增加。

1.2.2 节省初期投资

蒸发式冷凝器将冷却塔、冷凝器、循环水泵、水箱及配水系统集成于一体,用户只需连接部分管路即可完成安装,安装简便、缩短了安装周期,降低了安装成本。同时由于其高效的换热方式,在相同冷凝热负荷下所需要的换热器面积小,所需要的风机数量少,降低了设备投资。

1.2.3 节省空间

蒸发式冷凝器由于其集成度高,省去了像冷却塔系统那样较大的水泵与水系统管路,与风冷式冷凝器相比,由于其换热效率更高,相同冷凝热负荷下所需换热器体积更小,整体设备占地空间小。

1.2.4 容易结垢,影响换热

蒸发式冷凝器为敞开式循环系统,且循环水在不断蒸发浓缩,水中Ca2+、Mg2+、杂质等含量相比于补水会高出很多,因此在盘管表面极易出现结垢和腐蚀的现象。由于其内部结构紧凑,换热效率高,结垢会严重影响换热器换热性能。有数据研究显示,当蒸发式冷凝器换热管上水垢厚度达到1.5 mm时,冷凝温度会上升2.8 ℃,耗电量增加9.7%[2]。

1.2.5 换热管存在腐蚀风险

由于冷凝盘管长期处于潮湿和气流通畅的空间,换热管通常为碳钢热浸锌管、无缝不锈钢管等材质,随着循环水的不断浓缩,循环水的电导率不断增大,在这种条件下换热管易发生电化学腐蚀。而盘管内为高温高压制冷剂,一旦发生腐蚀就会导致制冷剂泄漏,设备停机,造成不可逆损失,严重时甚至酿成安全事故。

1.2.6 受喷淋水量分布影响较大

蒸发式冷凝器主要依靠喷淋水蒸发时的汽化潜热来带走冷凝器中制冷剂热量,因此喷淋水量是否合适与喷淋水是否均布会严重影响换热器工作效率。当喷淋水不足时,部分换热管表面会出现“干斑”,导致换热效率降低同时还加速表面结垢;当喷淋水量过大时,换热管表面的水膜厚度会增加,增大传热热阻。

由于蒸发式冷凝器存在上述特点,所以其在实现“双碳”目标、降低空调能耗领域具有可观的应用前景,但蒸发式冷凝器也的的确确存在一些“痛点”导致其目前的应用受到了限制,因此本文主要就对蒸发式冷凝器在使用过程中出现的一些问题进行分析与讨论,给出具有一定参考意义的解决思路与方案。

2 蒸发式冷凝器应用现状

2.1 蒸发式冷凝器存在的问题

2.1.1 冷凝器结垢

蒸发式冷凝器在运行过程中,循环冷却水不断吸收冷凝盘管内制冷剂通过换热管管壁传递的热量进而蒸发,使得换热管内制冷剂冷凝冷却,蒸发后的水蒸气则在上部轴流风机的抽吸下随气流逸散到周围大气中,但原本循环水中含有的Ca2+、Mg2+、其它无法溶解的杂质、灰尘无法通过这种方式带出因而循含量不断升高,整个过程类似于蒸发浓缩。当浓缩达到一定程度后,循环水质会变得很差,浊度增加,甚至原本溶解在水中的一些可溶盐类会达到饱和浓度而结晶析出,这里就涉及一个参数——浓缩倍率(倍数)。浓缩倍数是工业循环用水的一个重要指标,很多地方采用Cl-、Ca2+、Na+、K+等离子浓度来测定,但是由于常见的水处理方式会导致人为添加Cl-,所以用Cl-表示浓缩倍数通常没有太大的参考意义,而Ca2+是结垢的因素之一,循环水在运行过程中或多或少会出现结垢现象,尤其是在浓缩倍数较高的情况下,用Ca2+测定的浓缩倍数可能会偏低,而K+在循环水中的溶解度较大,在运行过程中不会析出,同时补充水中的K+也比较稳定,因此用K+测定的浓缩倍数较准确,在工程实际测量中,浓缩倍数通常为循环冷却水的电导率和补充水的电导率之比或K+之比。

提高循环水浓缩倍数的好处:

1)提高循环水的浓缩倍数,可降低补水用量,节约水资源;

2)提高循环水的浓缩倍数,可降低排污量,可减少污染和废水处理量;

3)提高循环水的浓缩倍数,可以节约水处理剂的消耗量,从而降低水处理成本。

过多提高循环水浓缩倍数的坏处:

1)由于循环水中各种盐类饱和溶解度的限制,浓缩倍数不能无限提高;

2)过多地提高循环水浓缩倍数,会使得循环水的碱度和硬度增大,加速循环水结垢;

3)过多地提高循环水浓缩倍数,会使得循环水的电导率增大,易对金属产生电化学腐蚀。

因此,要保证循环冷却水的处理效果,同时兼顾运维成本,必须控制好冷却水的浓缩倍数,通常对于中央空调冷却水的浓缩倍数一般控制在4～5为佳,间冷开式系统的设计浓缩倍数不应小于3.0,浓缩倍数按下式计算:

式中:N——浓缩倍数;

Qm——补水量(m3/h);

Qb——排污量(m3/h);

Qw——漂水量(m3/h)。

当浓缩倍数较高的循环水喷淋到换热管表面时,一方面在喷淋水分布较少的边缘区域由于喷淋水完全蒸发也不足以带走制冷剂热量,导致盘管表面局部出现“干斑”,此时循环水转化为气态水蒸气可以随空气流走,但循环水中含有的大量CaCO3、Mg(OH)2微粒以及灰尘杂质则在盘管表面沉积下来,附着在换热管表面形成一层垢;另一方面在喷淋水流速较慢的死角区域,虽然不会出现喷淋水不足而“蒸干”时的这种情况,但较低的流速导致喷淋水对换热管表面的冲刷作用较弱,循环水中CaCO3、Mg(OH)2及杂质以液膜的形式停留在换热管表面,当机组卸载或停机后,残存的这部分水膜就会在空气自然对流的作用下逐渐蒸发,最终的结果仍然是在换热管表面形成一层垢。不管是哪种方式形成的水垢,都会导致换热器性能下降,制冷系统冷凝压力升高,系统功耗增加,图2是某工地蒸发式冷凝器换热管结垢照片。

图2 换热管表面结垢

除了换热管表面结垢会极大影响蒸发式冷凝器性能外,另一重要部件结垢也是一个不可忽视的问题,即顶部的轴流风机。虽然轴流风机结垢对冷凝效果的影响不如换热管表面结垢那么明显,但会严重影响产品的可靠性。图3是某工地蒸发式冷凝器风机扇叶结垢的照片。

图3 风机扇叶结垢

由图3可以看到风机扇叶背面出现了一定程度的结垢,这是由于在设备运行过程中,循环水在喷淋过程中飞溅产生部分直径较小的液滴,这部分液滴由于尺寸小、质量轻,向上的气流对其产生的作用力大于液滴自身重力,因此这部分液滴最终随着气流向上流动,液滴中裹挟的CaCO3、Mg(OH)2微粒及杂质也随之向上,当撞击到高速旋转的风机扇叶时,液滴中的水分蒸发,其中含有的固体颗粒便附着在扇叶上,久而久之在扇叶表面形成一层垢,这部分垢层会严重影响风机扇叶的动平衡,导致风机振动和噪音增大,严重时导致设备故障。

2.1.2 换热管腐蚀

我们都知道铁生锈是一种氧化反应,有三个必要条件:1)铁本身的活泼性;2)氧气;3)水分。单一的氧气或者水分都不能使铁生锈。蒸发式冷凝器工作原理就决定了其换热管要持续暴露在高湿度、富氧的环境中,为铁生锈提供了充足的条件,虽然目前各生产厂家都采用了诸如不锈钢换热管或者镀锌换热管等方式进行了保护,但由于一些加工工艺的问题导致蒸发式冷凝器换热管还是会在使用一段时间后出现不同程度的锈蚀。例如工程中常用的不锈钢为奥氏体不锈钢材料,具有较好的防锈性能,但是当用奥氏体不锈钢加工换热管时,在换热管弯头位置不锈钢材料被拉伸,导致弯头位置的不锈钢金相结构发生了变化,从奥氏体转变为马氏体,而马氏体不锈钢的防锈性能要弱于奥氏体不锈钢,因而在弯头位置形成了薄弱区域易产生锈蚀,这就要求换热管生产厂家改善其加工工艺。如图4是某工地蒸发式冷凝器不锈钢换热管弯头位置腐蚀照片。采用热镀锌防锈的换热管虽然不存在上述问题,但存在由于热镀锌锌层厚度不均匀导致局部发生腐蚀穿孔以及换热管锌层氧化出现“白锈腐蚀”的情况。

图4 换热管弯头腐蚀

2.1.3 微生物滋长

除了结垢和腐蚀问题,潮湿、富氧且温度适宜的环境也有利于细菌和藻类的生长,再加上空气中的灰尘、泥沙与冷却水充分接触最终导致循环冷却水黏泥(生物膜)的增加并附着在换热管上,不同微生物,如铁细菌、硫酸盐还原菌、军团菌等代谢会创造一个微酸性环境,其最终结果仍然是导致换热热阻增加、换热管有腐蚀风险。

2.2 蒸发式冷凝器循环水水质要求

目前国内没有专门针对蒸发式冷凝器循环冷却水水质的相关要求和标准,在GB 50050—2017中,对于间冷开式系统循环冷却水的水质指标要求如表1所示。

表1 间冷开式系统循环冷却水水质指标(GB 50050—2017)

而GB/T 18430.1中对于冷却水水质要求如表2所示,但是由于没有明确该冷却水是否适用于间冷开式系统,所以暂不做参考。

表2 冷却水水质(GB/T 18430.1)

2.3 蒸发式冷凝器循环水处理方法

2.3.1 物理水处理法

内磁水处理器(图5)是利用稀土永磁材料作为基体,安装在水管路上利用循环水流动切割磁场削弱水分子间作用力,提高循环水对钙镁难溶化合物的溶解能力,来减少水垢在管壁上沉积附着。

图5 内磁水处理器

这种设备无需外部电源的输入,安装简便快捷。如图6为磁水器原理示意图。

图6 磁水器工作原理示意图

自然状态下的水并不是简单的H2O,而是由若干个水分子缔合而成的较大的水分子,即nH2O,称之为缔合水分子,n为缔合度。图中虚线就是将单个水分子连接在一起形成缔合水分子的氢键,属于分子间作用力的一种。在水管路中加入磁水器后,会在水中形成磁场,当缔合水分子以一定流速切割磁感线,会获得磁感应能,磁感应能会使电子云发生极化,使得缔合水分子中氢键弯曲、拉长甚至断裂,缔合水分子变成较小的缔合水分子或单个水分子,单个水分子的数量越多,水分子的活动越自由,则溶解能力越强。单个的水分子还会占据溶液中的空隙,抑制CaCO3晶体在管壁上形成,起到除水垢的作用。此时,CaCO3并没有“凭空消失”,而是以小分子CaCO3形式溶解或是微小的CaCO3粒子悬浮在水中。

内磁水处理器的原理就决定了虽其无需额外耗电、安装简便,但由于其只是提高了循环水对水垢的溶解度,并没有将水垢从循环水中真正除去,即“抑垢”而非“除垢”,因此其应用受到以下条件限制。

1)循环水经过磁化后对水垢的溶解度仍然存在上限,如果在开式系统中应用就需要定期排污来将溶解在水中的水垢排出,且浓缩倍数不宜过高,一旦排污不及时仍然会结垢;

2)依靠水流切割磁感线来使循环水磁化,流速越快磁化效果越明显,为保证磁化效果对循环水流速有一定要求,不适合变流量系统;

3)这种应用方式下永磁体磁性会随时间发生衰减,当磁性衰减到一定程度通常为40%左右时,其磁化抑垢效果就无法保证,就需要更换永磁体。

目前市面上还有一种用外加电源产生磁场代替永磁体的电子水处理仪,如图7。其原理与内磁水器相同,虽然不需要定期更换永磁体,但需要电源输入。无论是永磁体还是外加电源产生磁场,都只是抑制结垢,并没有从循环水中除去水垢,因此在闭式循环系统中应用较广泛,对于持续补水的开式循环系统其应用受到一定程度的限制。

图7 电子水处理仪

2.3.2 水质软化法

常见水质软化的方法主要有石灰软化法、氢-钠离子交换法。石灰软化法适用于原水硬度高、碱度高的场合,且只能用于降低原水中碳酸盐的硬度,通常需要先从石灰制取石灰乳,再将石灰乳加入原水中,经过反应和混凝处理,将生成的CaCO3沉淀分离出来作为固废排放,整个过程工艺较为繁琐,且原料不易保存。

氢-钠离子交换法实际上是氢离子交换法和钠离子交换法的结合,钠离子交换法是用树脂中Na+将原水中的阳离子主要是Ca2+、Mg2+置换出来同时生成对应的钠盐NaHCO3、NaCl、Na2SO4,由于HCO3-的存在,溶液呈碱性。因此钠离子交换法可以降低其硬度,但不会改变其碱度,如下为反应式:

2RNa+Ca2+→R2Ca+2Na+

2RNa+Mg2+→R2Mg+2Na+

R为树脂官能团,当树脂中Ca2+、Mg2+达到饱和时就需要用再生剂(通常为高浓度NaCl溶液)对树脂进行再生。

氢离子交换法则是以树脂中H+将原水中的Ca2+、Mg2+置换出来同时生成对应酸H2CO3、HCl、H2SO4,其反应式如下:

2RH+Ca2+→R2Ca+2H+

2RH+Mg2+→R2Mg+2H+

R为树脂官能团,当树脂中Ca2+、Mg2+到达饱和时就需要用再生剂(通常为高浓度HCl溶液)对树脂进行再生。

氢离子交换法能够同时降低原水的碱度和硬度,使得出水偏酸性,但是在空调循环冷却水应用中为避免腐蚀产生,不希望循环水呈酸性,其中H2CO3可以通过加热分解为CO2和H2O的形式除去,HCl和H2SO4则只能通过碱性溶液中和。因此就产生了氢-钠离子交换法,在降低原水硬度碱度的同时不会造成出水呈酸性,满足工程应用要求。但这对运行过程控制精度要求较高,如果氢离子交换和钠离子交换比例不合适就会导致最终出水偏弱碱性或酸性,增加腐蚀风险,同时氢-钠离子交换法需要消耗大量的树脂再生剂,成本较高。不管是石灰软化法还是氢-钠离子交换法,都需要特定的容器设备如快速反应室、离子交换塔、再生塔等来进行化学反应,设备会占用一定的空间,工艺流程比较复杂,整体应用难度大、成本高。

2.3.3 排污法

排污法顾名思义就是无其他外部因素干预,仅通过定期排污来对循环水处理的方法,这种情况下就要求浓缩倍数不能太高,即循环水中结垢因子的浓度在达到结垢的条件之前就进行排污,然后通过低硬度、低碱度的补水进行稀释,进而维持循环水中结垢因子始终处于一个较低的浓度,前文提到过,浓缩倍数决定了排污量的多少,浓缩倍数越小,排污量越大,因此这种水处理方式会造成大量水资源的浪费,因此该方法仅适用于补水暂时硬度较低,水资源相对充足或者冷却循环水流量不大的场合。

2.3.4 添加化学药剂法

根据蒸发式冷凝器应用地点的不同,其当地的原水水质也各有差异。添加化学药剂法可以根据当地冷却水水系统水质状况以及在设备运行过程中出现的具体问题,向冷却水系统中添加不同的化学药剂,“对症下药”地解决系统中出现的结垢、腐蚀、微生物滋长等问题。这种方法可以提高冷却循环水的浓缩倍数,减少排污量,且没有复杂的工艺设备,是目前应用比较广泛的一种处理方式。常见的化学药剂包括:阻垢剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂。

阻垢剂的原理就是通过聚磷酸盐、有机磷酸盐、聚羧酸类聚合物溶解在水中在其分子表面极性的作用下吸附悬浮固体颗粒,使固体颗粒相互排斥,无法凝聚成较大固体颗粒,始终保持较小的直径并悬浮在水中,通过旁流过滤装置定期处理悬浮物。

杀菌灭藻剂常见的有氯、臭氧、次氯酸盐,这些药剂都具有很强的氧化性,能够破坏细菌表面的氨基酸结构,使其失去活性进而达到杀灭病菌的目的。

不管是阻垢剂还是杀菌灭藻剂,这种投放化学药剂的方式都会向循环冷却水中引入大量离子,导致循环水电导率大幅提高。在其他条件不变的情况下,电导率越高,则冷却水系统金属材料越容易发生腐蚀,因此还需要缓蚀剂的存在。所谓腐蚀其实是一个电化学反应,金属材料在阳极失去电子被氧化,而水中电解的氢离子根据水pH值的不同来决定在阴极得到电子产生氢气还是结合水中的溶解氧生成氢氧根离子并与水中其他阳离子结合。缓蚀剂的工作原理就是通过其强氧化性与金属材料发生氧化反应并在其表面生成一层致密的氧化膜,通过这种成膜的方式减少阳极和阴极的可接触面积来抑制或者消除腐蚀。根据其特性分为阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂以及混合型缓蚀剂。成膜与否是决定缓蚀剂缓蚀效果的关键,因此在使用缓蚀剂之前,必须先对金属材料表面清洗处理,除去油污、氧化皮和其他杂质以此来保证形成的氧化膜足够致密。目前工程中常用的一些缓蚀剂大多为聚磷酸盐、铬酸盐、亚硝酸盐,这部分废水在排放到环境中时,大量的磷很容易造成水体富营养化,重金属离子也会污染环境。

无论是除垢剂、杀菌灭藻剂还是缓蚀剂,这种通过投放化学药剂的方法虽然能够以简单有效的方式将循环水质处理到想要的水平,不需要复杂的工艺设备,但需要持续在循环水中投加化学药剂,因此需要一定的运维成本且如果前期的预处理操作不当或者药剂比例调配不合适反而会加剧腐蚀。目前常用的化学药剂一方面对操作者健康有影响,另一方面产生的废水会造成环境的污染,需要处理后再进行排放,这也在一定程度上增加了循环水处理的成本,限制其应用。因此目前亟待研发一种环境友好型的阻垢缓蚀剂。

综合以上,目前在工程中常用的一些水质处理方法都是针对单一结垢问题、腐蚀问题或者微生物滋长问题进行处理,没法对这些问题进行综合处理,且这些处理方式或需要复杂的工艺设备,或有较高的运营成本还有可能造成环境污染,从不同方面限制了蒸发式冷凝器的应用。

2.3.5 电解水处理技术

电解水处理技术顾名思义就是通过对循环水外加电压使其电解的方式,在特定的反应空间内通过化学、电化学反应对循环水的水质进行处理,降低其中盐离子和杂质的含量,以此达到循环水软化、纯化的目的。电解水处理技术其实是一个非常大的概念,包括电气浮法、电渗析法、电絮凝法、电吸附法、电催化氧化技术等。目前在循环冷却水处理领域讨论比较多的是电化学除垢技术(Electrochemical Scale Treatment),简称EST技术。其工作原理如下:

在循环水中插入两根电极,并在电极两端外加电压,与电源正极连接的为阳极,与电源负极连接的为阴极。阳极失去电子带正电荷,吸引溶液中的阴离子同时发生氧化反应,阴极得到电子带负电荷,吸引溶液中的阳离子同时发生还原反应,众所周知电流的方向与电路中电子移动的方向刚好相反,外部电源、阳极、阴极、溶液刚好构成了一个完整的电路,通过两极发生的氧化还原反应,将电能转化为化学能,如图8。

图8 电吸附技术原理示意图

对于蒸发式冷凝器循环冷却水补水来说,其中主要包含Ca2+、Mg2+、Na+、K+、H+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、OH-等还有部分CO2和溶解氧。其中H+和OH-来源于H2O的电离[3]。

其阳极发生的主要反应如下:

4OH-→O2(g)+2H2O+4e-

生成氧气

O2+2OH-→O3(g)+H2O+2e-

生成臭氧

OH-→·OH+e-

生成OH自由基

2H2O→H2O2+2H++2e-

生成双氧水

H2O→2·O+2H++2e-

生成O自由基

Cl-→Cl+e-

生成Cl自由基

2Cl-→Cl2(g)+2e-

生成氯气

Cl2+2OH-→Cl-+ClO-+H2O

生成次氯酸根

其阴极主要反应如下(碱性环境):

O2+2H2O+4e-→4OH-

生成OH-,高pH环境

CO2+OH-→HCO3-

生成HCO3-

HCO3-+OH-→CO32-+H2O

生成CO32-

Ca2++CO32-→CaCO3↓

生成CaCO3沉淀

Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓

生成Mg(OH)2沉淀

根据其反应过程及产物可以看出,在阳极会生成大量的强氧化剂(臭氧、双氧水、氯气、次氯酸),这部分氧化剂能够破坏微生物表面氨基酸的结构,使其失去活性,因而对循环水中的藻类和细菌具有较好的灭杀作用。在阴极由于外加电压的作用,会在阴极附近创造出一个高pH值的环境,同时由于阴极带负电荷吸引溶液中的阳离子,主要是Ca2+、Mg2+,使其刚好在阴极附近的碱性环境中以沉淀的形式析出,这部分沉淀以固体颗粒的形式悬浮在水中(如图9)或以松软絮状垢层的形式附着在阴极表面。如果能将这部分沉淀从循环水中过滤除去,便可大幅降低循环水的硬度与碱度,不同于投放化学药剂会引入大量其他离子,通过这种方式处理过的循环水电导率基本不变或略有下降,不会出现加剧金属材料腐蚀的情况。

图9 Na2CO3溶液中滴入CaCl2形成CaCO3絮状沉淀

3 EST应用案例

以国内某制药厂为案例,采用3台蒸发式冷凝器设备,单台设计冷凝负荷900 kW,由于用户补水钙硬度较大为300 mg/L,在蒸发冷设备投入运行后不久就出现了换热管严重结垢导致冷凝温度偏高、机组高压报警的情况,部分盘管除结垢外,在不锈钢换热管弯头位置出现了腐蚀穿孔导致氟利昂泄漏的严重故障,同时在接水盘位置可以看到有一定量的藻类滋生,见图10。

虽然采用酸洗的方式对换热管及填料进行了冲刷喷淋,但收效甚微,只有与高压水流直接接触的那部分换热管表面的水垢出现了部分脱落和剥离,其余位置的水垢无明显变化,未达到预期的清洗效果。而且酸性药剂的使用,加速了换热管弯头位置的腐蚀。在此基础上决定采用EST电化学水处理的方式。采用某品牌EST设备,设备构造及运行原理如图11、12。

图10 蒸发冷设备藻类滋生、腐蚀、结垢照片

图11 EST水处理设备

工作流程如下:

当达到PLC设定的清洗周期后,电化学处理旁流循环水泵停止运转,EST设备进、出水口阀门关闭,底部排污水阀打开,位于顶部的刮刀在活塞的推动下自上而下缓慢移动,将部分附着在反应室内壁(阴极)上的絮状水垢刮下,并将含有悬浮物的浓缩水从底部排污阀排出,在排污终了时,旁流循环水泵再次开启,同时进水口阀门打开,利用进水对排污区域进行冲洗,冲洗一段时间后,排污阀关闭,刮刀回到反应室顶部,出水阀门打开,设备进入下一工作周期。清洗周期和排水量需要根据具体项目补水水质和浓缩倍数来确定,按照前文所述,浓缩倍数可以通过循环水电导率与补水电导率的比值来近似计算,因此需要对这部分水质实时监测来获取参数。

Qe=Qc/rw×3.6

式中:Qe——蒸发量(耗水量),m3/h;

Qc——换热器冷凝热负荷,kW;

rw——水的汽化潜热,kJ/kg。

Qb=Qe/(N-1)-Qw

式中:Qb——排污量,m3/h;

N——浓缩倍数;

Qw——漂水量(飞水量),m3/h。

Qm=Qe+Qw+Qb

式中:Qm——补水量,m3/h。

以此项目为例,单台蒸发式冷凝器名义工况下冷凝热负荷为900 kW,而水在30 ℃时的汽化潜热按照2 257.2 kJ/kg,则蒸发量为1.44 m3/h,即0.001 595 m3/(kW·h)。按照蒸发量为循环量的1.875%计算,或者按照单位冷凝负荷所需喷淋量为0.116 m3/(h·kW)来估算[4],则循环量为76.8 m3/h。废水量按照循环量0.001%计,设计浓缩倍数3倍,则排污量为0.72 m3/h,补水量为2.16 m3/h。电解水处理旁流循环流量则按照下面公式计算[5]:

Qsi=Ms2/ΔCs

式中:Qsi——旁流水处理流量,m3/h;

Ms2——需电化学去除的结垢因子量,g/h;

ΔCs——电化学处理装置进出水质量浓度差值,mg/L。

Ms2=Ms0-Ms1

式中:Ms2——需电化学去除的结垢因子量,g/h;

Ms0——补充水带入的结垢因子量,g/h;

Ms1——排污及飞水带出的结垢因子量,g/h。

Ms0=Qm·Cs0

式中:Ms0——补充水带入的结垢因子量,g/h;

Cs0——补充水中的结垢因子质量浓度,mg/L。

Ms1=(Qb+Qw)·Cs1

式中:Cs1——排污水中的结垢因子质量浓度,mg/L。

以现场补水结垢因子Ca2+质量浓度为300 mg/L来进行计算,补水量按照2.16 m3/h计, 则通过补水带入的结垢因子量为648 g/h,假设循环水最终钙硬度控制质量浓度为500 mg/L,则排污和飞水带出的结垢因子量为360 g/h,则需要电化学旁流处理的结垢因子量为288 g/h,按照EST设备进出水结垢因子质量浓度差值为35 mg/L计,则旁流水处理量约为8.23 m3/h,则3台设备共需24.7 m3/h。单台EST设备名义水处理量25 m3/h,根据项目情况选择一台EST25电化学水处理器即可。由于该项目补水钙硬度与全碱度之和为1 500 mg/L,超过了1 100 mg/L,按照GB 50050规定,对于间冷开式系统的钙硬度与全碱度之和大于1 100 mg/L(以CaCO3计)或者稳定指数RSI小于3.3时,应加硫酸软化处理。改造过程中首先将原来腐蚀泄漏的盘管进行了更换,改造前三台蒸发冷设备循环水系统相互独立,为便于软化处理,改造时在三台蒸发冷设备的水箱之间增加连通平衡管,这样仅操作一次便可实现对三台设备水箱循环水的软化。同时在每台设备的水箱上增加旁流水处理进水口以及回水口,配备两台水泵,一用一备,单台流量30 m3/h,设备功率0.25 kW,在EST设备进出水口均配备了水质检测传感器,实时检测循环水电导率、pH值以及温度,系统流程如图13。

图13 EST电化学旁流水处理流程示意图

改造工程安装调试完毕后试运行4个月左右,系统水质检测对比结果如表3所示。

表3 循环冷却水水质分析

未采用EST电化学设备时,氯离子浓缩倍数为4倍,钙离子浓缩倍数为2.56倍,造成这一现象的原因为补水硬度较大且pH值为8.1,有结垢倾向,其中约有36%的钙离子以碳酸钙水垢的形式附着在换热管表面,这与盘管表面结垢情况相吻合。安装EST设备后运行4个月数据对比,氯离子浓缩倍数为3.69,而对应的钙离子浓缩倍数为1.46,而观察换热管及填料表面,基本没有出现结垢的情况,如图14。EST设备对钙离子去除率达到了60%,这部分钙离子是在EST设备内部反应室内部以碳酸钙形式沉积并定期通过底部排污阀排出。硫酸根离子浓度偏高是由于增加了硫酸软化这一步骤。

图14 增加EST后盘管及填料

4 结论

EST技术在蒸发冷设备循环冷却水除垢方面具有非常优异的效果,只需要消耗一定电能,不需要复杂的容器设备和化学药剂,不会由于加药或软化导致循环水电导率增加,避免了设备腐蚀,并且主要产物只有碳酸钙,不会造成环境污染,同时电化学反应过程中阳极附近会产生强氧化性物质,如臭氧、氯气、氧自由基、次氯酸根等,对藻类以及微生物具有较好的杀灭效果,避免了常规水处理方式在应用过程中存在的一些弊端,基本可以解决蒸发式冷凝器在应用中遇到的难题,PCL保证了设备自动化运行、自动排污,便于管理,节省了设备运维的人工成本,具有较好的可靠性。设备模块化设计可以根据不同项目情况进行拼接组合,简化了设计流程,提高了效率。综合来看EST技术是目前值得推广的一种新型水处理方式。